หลอด LED แบบดั้งเดิมได้ปฏิวัติวงการแสงสว่างและจอแสดงผล เนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

หลอด LED แบบดั้งเดิมได้ปฏิวัติวงการแสงสว่างและจอแสดงผลเนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในแง่ของประสิทธิภาพ ความเสถียร และขนาดของอุปกรณ์ โดยทั่วไปแล้ว LED จะเรียงซ้อนกันของฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์บาง ๆ ที่มีขนาดด้านข้างเป็นมิลลิเมตร ซึ่งเล็กกว่าอุปกรณ์แบบดั้งเดิม เช่น หลอดไฟไส้และหลอดแคโทดมาก อย่างไรก็ตาม แอปพลิเคชันทางด้านอิเล็กโทรออปติกที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ เช่น ความเป็นจริงเสมือนและความเป็นจริงเสริม ต้องการ LED ที่มีขนาดไมครอนหรือเล็กกว่านั้น ความหวังก็คือ LED ขนาดไมโครหรือต่ำกว่าไมครอน (µLED) จะยังคงมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าหลายอย่างที่ LED แบบดั้งเดิมมีอยู่แล้ว เช่น การเปล่งแสงที่เสถียรสูง ประสิทธิภาพและความสว่างสูง การใช้พลังงานต่ำมาก และการเปล่งแสงสีเต็มรูปแบบ ในขณะที่มีพื้นที่เล็กกว่าประมาณล้านเท่า ทำให้สามารถสร้างจอแสดงผลที่กะทัดรัดยิ่งขึ้นได้ ชิป LED ดังกล่าวอาจปูทางไปสู่วงจรโฟโตนิกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น หากสามารถปลูกบนซิลิคอนแบบชิปเดียวและรวมเข้ากับอิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) ได้

อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน ไมโคร LED ดังกล่าวยังคงเป็นสิ่งที่ยากจะหาได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงความยาวคลื่นการปล่อยแสงสีเขียวถึงสีแดง วิธีการผลิตไมโคร LED แบบดั้งเดิมเป็นกระบวนการแบบจากบนลงล่าง ซึ่งฟิล์มควอนตัมเวลล์ (QW) ของ InGaN จะถูกกัดเซาะเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กผ่านกระบวนการกัดเซาะ แม้ว่าไมโคร LED ที่ใช้ InGaN QW แบบฟิล์มบางจะได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการของ InGaN เช่น การขนส่งพาหะที่มีประสิทธิภาพและความสามารถในการปรับความยาวคลื่นได้ตลอดช่วงแสงที่มองเห็นได้ แต่จนถึงปัจจุบัน ไมโคร LED เหล่านี้ยังคงประสบปัญหาต่างๆ เช่น ความเสียหายจากการกัดกร่อนที่ผนังด้านข้าง ซึ่งจะรุนแรงขึ้นเมื่อขนาดของอุปกรณ์เล็ลง นอกจากนี้ เนื่องจากการมีอยู่ของสนามโพลาไรเซชัน ทำให้เกิดความไม่เสถียรของความยาวคลื่น/สี สำหรับปัญหานี้ ได้มีการเสนอวิธีการแก้ปัญหาโดยใช้ InGaN ที่ไม่มีขั้วและกึ่งมีขั้ว และโพรงผลึกโฟตอนิก แต่ก็ยังไม่เป็นที่น่าพอใจในปัจจุบัน

ในบทความวิจัยฉบับใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Light Science and Applications นักวิจัยที่นำโดย Zetian Mi ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยมิชิแกน แอนนาเบล ได้พัฒนา LED สีเขียว iii – ไนไตรด์ ขนาดเล็กกว่าไมครอน ซึ่งสามารถเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ได้อย่างถาวร LED ขนาดเล็กเหล่านี้ถูกสังเคราะห์โดยวิธีการเอพิแท็กซีแบบลำแสงโมเลกุลช่วยด้วยพลาสมาแบบเลือกเฉพาะบริเวณ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากวิธีการแบบดั้งเดิมจากบนลงล่าง LED ขนาดเล็กนี้ประกอบด้วยแถวของนาโนไวร์ แต่ละเส้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 100 ถึง 200 นาโนเมตร และมีระยะห่างกันหลายสิบนาโนเมตร วิธีการจากล่างขึ้นบนนี้ช่วยหลีกเลี่ยงความเสียหายจากการกัดกร่อนของผนังด้านข้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ส่วนที่เปล่งแสงของอุปกรณ์ หรือที่เรียกว่าบริเวณแอคทีฟ ประกอบด้วยโครงสร้างควอนตัมเวลล์หลายชั้นแบบแกนและเปลือก (MQW) ที่มีลักษณะเป็นนาโนไวร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง MQW ประกอบด้วยเวลล์ InGaN และชั้นกั้น AlGaN เนื่องจากความแตกต่างในการเคลื่อนย้ายอะตอมที่ดูดซับของธาตุหมู่ 3 อินเดียม แกลเลียม และอะลูมิเนียม บนผนังด้านข้าง เราพบว่าอินเดียมหายไปบนผนังด้านข้างของนาโนไวร์ ในบริเวณที่เปลือก GaN/AlGaN ห่อหุ้มแกน MQW เหมือนกับเบอร์ริโต นักวิจัยพบว่าปริมาณ Al ในเปลือก GaN/AlGaN นี้ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจากด้านการฉีดอิเล็กตรอนของนาโนไวร์ไปยังด้านการฉีดโฮล เนื่องจากความแตกต่างในสนามโพลาไรเซชันภายในของ GaN และ AlN การไล่ระดับปริมาตรของปริมาณ Al ในชั้น AlGaN ดังกล่าวจึงเหนี่ยวนำให้เกิดอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งไหลเข้าสู่แกน MQW ได้ง่าย และช่วยลดความไม่เสถียรของสีโดยการลดสนามโพลาไรเซชัน

อันที่จริง นักวิจัยพบว่าสำหรับอุปกรณ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าหนึ่งไมครอน ความยาวคลื่นสูงสุดของการเปล่งแสงด้วยไฟฟ้า หรือการปล่อยแสงที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า จะคงที่ในระดับการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป นอกจากนี้ ทีมของศาสตราจารย์ Mi ยังได้พัฒนาวิธีการปลูกเคลือบ GaN คุณภาพสูงบนซิลิคอนเพื่อสร้าง LED แบบนาโนไวร์บนซิลิคอน ดังนั้น LED ขนาดเล็กจึงอยู่บนพื้นผิว Si พร้อมสำหรับการรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ CMOS อื่นๆ

ไมโคร LED นี้มีศักยภาพในการใช้งานได้หลากหลาย แพลตฟอร์มของอุปกรณ์จะมีความแข็งแกร่งมากขึ้นเมื่อความยาวคลื่นการปล่อยแสงของจอแสดงผล RGB ในตัวบนชิปขยายไปถึงสีแดง