Design topografico flessibile della luce

Aug 12, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12665 ​​(2023) Citare questo articolo

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Gli emettitori di luce visibile a più lunghezze d’onda svolgono un ruolo cruciale nell’attuale illuminazione a stato solido. Sebbene possano essere realizzati combinando diodi emettitori di luce (LED) semiconduttori e fosfori o assemblando più chip LED con lunghezze d'onda diverse, questi approcci di progettazione soffrono di problemi legati ai fosfori o di processi di assemblaggio complessi. Queste sfide rappresentano svantaggi significativi per le applicazioni emergenti come la comunicazione con luce visibile e i display micro-LED. Qui presentiamo una piattaforma per l'integrazione personalizzata della lunghezza d'onda di emissione su un singolo chip utilizzando la crescita epitassiale su topografie tridimensionali progettate in modo flessibile. Questo approccio organizza spontaneamente le lunghezze d'onda di emissione locale delle strutture LED basate su InGaN attraverso le variazioni locali della composizione In. Di conseguenza, dimostriamo l'integrazione monolitica di tre diversi colori di emissione (viola, blu e verde) su un singolo chip. Inoltre, otteniamo un controllo spettrale flessibile tramite il controllo elettrico indipendente di ciascun componente. Il nostro schema di integrazione apre la possibilità di un controllo spettrale personalizzato in un intervallo spettrale arbitrario tramite LED monolitici a più lunghezze d'onda.

L'impatto dell'integrazione monolitica di componenti elettrici quali transistor, diodi e resistori in un chip singolo e compatto è stato significativo nel campo dell'elettronica. Rispetto ai componenti discreti, la tecnologia di integrazione su larga scala (LSI) offre prestazioni migliorate, costi ridotti e maggiore affidabilità. Oggi la tecnologia LSI è una pietra miliare dell'elettronica moderna. Tuttavia, mentre diodi emettitori di luce (LED) monocromatici discreti, inclusi LED blu e verdi basati su InGaN e LED rossi basati su AlGaInP, sono stati sviluppati nel campo dell'optoelettronica a luce visibile, l'integrazione monolitica di più lunghezze d'onda rimane una sfida.

Esistono già due opzioni alternative per gli emettitori di luce a più lunghezze d'onda per l'optoelettronica della luce visibile. Il metodo più utilizzato fino ad oggi consiste nel combinare un LED InGaN blu con un fosforo giallo per produrre un emettitore bianco1. Questa costruzione consente una semplice configurazione del dispositivo, ma, allo stesso tempo, induce inevitabilmente la perdita di energia di Stokes dovuta alla conversione del colore dal blu al giallo. Inoltre, il controllo elettrico indipendente dell'emissione di fosforo è difficile, limitando la sintonizzabilità degli spettri di emissione. Un’altra opzione commerciale per evitare i problemi legati al fosforo prevede l’assemblaggio di chip LED rossi, verdi e blu (RGB), che possono fornire un elevato grado di controllo sul colore complessivo. Tuttavia, questo approccio richiede un processo di assemblaggio complesso e dispendioso in termini di tempo e un'ottica esterna attentamente progettata per garantire una buona miscelazione dei colori.

Questi problemi diventano più gravi nelle applicazioni emergenti che utilizzano emettitori di luce visibile. Ad esempio, le comunicazioni a luce visibile2 e la loro estensione a sistemi completamente collegati in rete, denominati Li-Fi3, hanno guadagnato un notevole interesse nel campo delle comunicazioni ottiche wireless, dove i LED bianchi vengono utilizzati sia per l’illuminazione che per la comunicazione dei dati. Nelle comunicazioni ottiche, la risposta lenta dei fosfori gialli ostacola larghezze di banda di modulazione più elevate. Inoltre, la capacità di comunicazione può essere aumentata mediante il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) utilizzando più LED2. Tuttavia, il WDM nella comunicazione a luce visibile tende a essere limitato a soli tre colori utilizzando LED RGB separati, nonostante l'ampio intervallo spettrale visibile (380–780 nm). Per aumentare ulteriormente il numero di flussi di dati, è necessario fabbricare e assemblare in un unico dispositivo più LED separati con lunghezze d'onda diverse. Nel frattempo, i micro LED (\(\mu\)LED) con dimensioni inferiori a \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) sono promettenti per la visualizzazione applicazioni grazie a numerosi potenziali vantaggi come contrasto elevato, risposta rapida ed alta efficienza, rispetto ai display a cristalli liquidi convenzionali e ai display a LED organici4,5. Una sfida per la produzione di massa è il trasferimento preciso di milioni di singoli die LED sul backplane e notevoli sforzi di ricerca sono stati dedicati allo sviluppo delle tecnologie di trasferimento4. Per affrontare radicalmente questi problemi, sono necessarie soluzioni per l’integrazione monolitica di più lunghezze d’onda su un unico substrato.