Гибкое топографическое проектирование света

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12665 ​​(2023) Цитировать эту статью

72 доступа

Подробности о метриках

Многоволновые излучатели видимого света играют решающую роль в современном полупроводниковом освещении. Хотя их можно реализовать путем комбинирования полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) и люминофоров или путем сборки нескольких светодиодных чипов с разными длинами волн, эти подходы к проектированию страдают от проблем, связанных с люминофором, или сложных процессов сборки. Эти проблемы являются существенными недостатками для новых приложений, таких как связь в видимом свете и микросветодиодные дисплеи. Здесь мы представляем платформу для индивидуальной интеграции длин волн излучения на одном чипе с использованием эпитаксиального роста на гибко спроектированных трехмерных топографиях. Этот подход самопроизвольно упорядочивает длины волн локального излучения светодиодных структур на основе InGaN за счет локальных изменений состава In. В результате мы демонстрируем монолитную интеграцию трех разных цветов излучения (фиолетового, синего и зеленого) на одном чипе. Кроме того, мы достигаем гибкого спектрального контроля за счет независимого электрического управления каждым компонентом. Наша схема интеграции открывает возможность индивидуального спектрального управления в произвольном спектральном диапазоне с помощью монолитных многоволновых светодиодов.

Влияние монолитной интеграции электрических компонентов, таких как транзисторы, диоды и резисторы, в единый компактный чип было значительным в области электроники. По сравнению с дискретными компонентами технология крупномасштабной интеграции (LSI) обеспечивает улучшенную производительность, снижение затрат и повышенную надежность. Сегодня технология LSI является краеугольным камнем современной электроники. Однако, несмотря на то, что в области оптоэлектроники видимого света были разработаны дискретные монохроматические светодиоды (СИД), в том числе синие и зеленые светодиоды на основе InGaN и красные светодиоды на основе AlGaInP, монолитная интеграция нескольких длин волн остается проблемой.

Уже существуют два альтернативных варианта многоволновых излучателей света для оптоэлектроники видимого света. На сегодняшний день наиболее широко используемым методом является объединение синего светодиода InGaN с желтым люминофором для получения белого излучателя1. Такая конструкция допускает простую конфигурацию устройства, но в то же время неизбежно вызывает стоксовы потери энергии из-за преобразования цвета из синего в желтый. Кроме того, независимый электрический контроль излучения люминофора затруднен, что ограничивает возможности настройки спектров излучения. Другой коммерческий вариант, позволяющий избежать проблем, связанных с люминофором, включает в себя сборку светодиодных чипов красного, зеленого и синего (RGB), которые могут обеспечить высокую степень контроля над общим цветом. Однако этот подход требует сложного и трудоемкого процесса сборки и тщательно спроектированной внешней оптики, обеспечивающей хорошее смешивание цветов.

Эти проблемы становятся более серьезными в новых приложениях, использующих излучатели видимого света. Например, связь видимым светом2 и ее распространение на полностью сетевые системы, называемые Li-Fi3, вызвали значительный интерес в области оптической беспроводной связи, где белые светодиоды используются как для освещения, так и для передачи данных. В оптической связи медленный отклик желтых люминофоров затрудняет более широкую полосу модуляции. Кроме того, пропускную способность связи можно увеличить за счет мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) с использованием нескольких светодиодов2. Однако WDM в связи видимого света имеет тенденцию ограничиваться только тремя цветами с использованием отдельных светодиодов RGB, несмотря на широкий видимый спектральный диапазон (380–780 нм). Для дальнейшего увеличения количества потоков данных необходимо изготовить больше отдельных светодиодов с разными длинами волн и собрать их в одно устройство. Между тем, для отображения перспективны микросветодиоды (\(\mu\)LEDs) размерами менее \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\). приложений благодаря нескольким потенциальным преимуществам, таким как высокая контрастность, быстрое реагирование и высокая эффективность по сравнению с обычными жидкокристаллическими дисплеями и дисплеями на органических светодиодах4,5. Одной из проблем массового производства является точный перенос миллионов отдельных светодиодных кристаллов на объединительную плату, и на разработку технологий переноса были направлены значительные исследовательские усилия4. Чтобы радикально решить эти проблемы, необходимы решения для монолитной интеграции нескольких длин волн на одной подложке.