Conception topographique flexible de la lumière

Aug 12, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12665 ​​(2023) Citer cet article

46 accès

Détails des métriques

Les émetteurs de lumière visible à plusieurs longueurs d'onde jouent un rôle crucial dans l'éclairage à semi-conducteurs actuel. Bien qu'elles puissent être réalisées en combinant des diodes électroluminescentes (DEL) à semi-conducteurs et des phosphores ou en assemblant plusieurs puces LED de différentes longueurs d'onde, ces approches de conception souffrent de problèmes liés aux phosphores ou de processus d'assemblage complexes. Ces défis constituent des inconvénients importants pour les applications émergentes telles que la communication par lumière visible et les écrans micro-LED. Nous présentons ici une plate-forme d'intégration de longueurs d'onde d'émission sur mesure sur une seule puce utilisant la croissance épitaxiale sur des topographies tridimensionnelles de conception flexible. Cette approche organise spontanément les longueurs d'onde d'émission locales des structures LED à base d'InGaN à travers les variations locales de la composition In. En conséquence, nous démontrons l’intégration monolithique de trois couleurs d’émission différentes (violet, bleu et vert) sur une seule puce. De plus, nous obtenons un contrôle spectral flexible via un contrôle électrique indépendant de chaque composant. Notre schéma d'intégration ouvre la possibilité d'un contrôle spectral sur mesure dans une plage spectrale arbitraire grâce à des LED monolithiques multi-longueurs d'onde.

L'impact de l'intégration monolithique de composants électriques tels que des transistors, des diodes et des résistances dans une puce unique et compacte a été significatif dans le domaine de l'électronique. Par rapport aux composants discrets, la technologie d'intégration à grande échelle (LSI) offre des performances améliorées, des coûts réduits et une fiabilité accrue. Aujourd’hui, la technologie LSI constitue la pierre angulaire de l’électronique moderne. Cependant, bien que des diodes électroluminescentes (LED) monochromatiques discrètes, notamment des LED bleues et vertes à base d'InGaN et des LED rouges à base d'AlGaInP, aient été développées dans le domaine de l'optoélectronique à lumière visible, l'intégration monolithique de plusieurs longueurs d'onde reste un défi.

Deux options alternatives existent déjà pour les émetteurs de lumière multi-longueurs d'onde pour l'optoélectronique à lumière visible. La méthode la plus utilisée à ce jour consiste à combiner une LED InGaN bleue avec un phosphore jaune pour produire un émetteur blanc1. Cette construction permet une configuration simple du dispositif, mais, en même temps, induit inévitablement une perte d'énergie de Stokes due à la conversion de la couleur du bleu au jaune. De plus, un contrôle électrique indépendant de l’émission de phosphore est difficile, ce qui limite l’accordabilité des spectres d’émission. Une autre option commerciale pour éviter les problèmes liés au phosphore consiste à assembler des puces LED rouges, vertes et bleues (RVB), qui peuvent offrir un degré élevé de contrôle sur la couleur globale. Cependant, cette approche nécessite un processus d’assemblage complexe et long et des optiques externes soigneusement conçues pour garantir un bon mélange des couleurs.

Ces problèmes deviennent plus graves dans les applications émergentes utilisant des émetteurs de lumière visible. Par exemple, les communications par lumière visible2 et leur extension à des systèmes entièrement en réseau, appelés Li-Fi3, ont suscité un intérêt considérable dans le domaine des communications optiques sans fil, où des LED blanches sont utilisées à la fois pour l'éclairage et la communication de données. Dans les communications optiques, la réponse lente des luminophores jaunes entrave les bandes passantes de modulation plus élevées. De plus, la capacité de communication peut être augmentée grâce au multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) utilisant plusieurs LED2. Cependant, le WDM dans la communication en lumière visible a tendance à se limiter à seulement trois couleurs utilisant des LED RVB séparées, malgré la large plage spectrale visible (380 à 780 nm). Pour augmenter encore le nombre de flux de données, davantage de LED distinctes avec des longueurs d'onde différentes doivent être fabriquées et assemblées en un seul appareil. Pendant ce temps, les micro LED (\(\mu\)LED) d'une taille inférieure à \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) sont prometteuses pour l'affichage. applications en raison de plusieurs avantages potentiels tels qu'un contraste élevé, une réponse rapide et une efficacité élevée, par rapport aux écrans à cristaux liquides conventionnels et aux écrans LED organiques4,5. L'un des défis de la production de masse est le transfert précis de millions de puces LED individuelles sur le fond de panier, et des efforts de recherche considérables ont été consacrés au développement des technologies de transfert4. Pour résoudre radicalement ces problèmes, des solutions d’intégration monolithique de plusieurs longueurs d’onde sur un seul substrat sont nécessaires.