Projeto topográfico flexível de luz

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12665 ​​(2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Os emissores de luz visível com vários comprimentos de onda desempenham um papel crucial na atual iluminação de estado sólido. Embora possam ser realizados combinando diodos emissores de luz (LEDs) semicondutores e fósforos ou montando vários chips de LED com diferentes comprimentos de onda, essas abordagens de projeto sofrem de problemas relacionados ao fósforo ou processos de montagem complexos. Esses desafios são desvantagens significativas para aplicações emergentes, como comunicação por luz visível e telas micro-LED. Aqui apresentamos uma plataforma para integração de comprimento de onda de emissão sob medida em um único chip utilizando crescimento epitaxial em topografias tridimensionais projetadas de forma flexível. Esta abordagem organiza espontaneamente os comprimentos de onda de emissão locais de estruturas de LED baseadas em InGaN através das variações locais de composição In. Como resultado, demonstramos a integração monolítica de três cores de emissão diferentes (violeta, azul e verde) em um único chip. Além disso, conseguimos um controle espectral flexível através do controle elétrico independente de cada componente. Nosso esquema de integração abre a possibilidade de controle espectral personalizado em uma faixa espectral arbitrária através de LEDs monolíticos de vários comprimentos de onda.

O impacto da integração monolítica de componentes elétricos, como transistores, diodos e resistores em um chip único e compacto, tem sido significativo no campo da eletrônica. Em comparação com componentes discretos, a tecnologia de integração em larga escala (LSI) oferece melhor desempenho, custo reduzido e maior confiabilidade. Hoje, a tecnologia LSI é a base da eletrônica moderna. No entanto, embora diodos emissores de luz (LEDs) monocromáticos discretos, incluindo LEDs azuis e verdes baseados em InGaN e LEDs vermelhos baseados em AlGaInP, tenham sido desenvolvidos no campo da optoeletrônica de luz visível, a integração monolítica de múltiplos comprimentos de onda permanece um desafio.

Já existem duas opções alternativas para emissores de luz de múltiplos comprimentos de onda para optoeletrônica de luz visível. O método mais utilizado até o momento é combinar um LED InGaN azul com um fósforo amarelo para produzir um emissor branco1. Esta construção permite uma configuração simples do dispositivo, mas, ao mesmo tempo, induz inevitavelmente a perda de energia de Stokes devido à conversão da cor de azul para amarelo. Além disso, o controle elétrico independente da emissão de fósforo é difícil, limitando a sintonização dos espectros de emissão. Outra opção comercial para evitar problemas relacionados ao fósforo envolve a montagem de chips LED vermelhos, verdes e azuis (RGB), que podem fornecer um alto grau de controle sobre a cor geral. No entanto, esta abordagem requer um processo de montagem complexo e demorado e óptica externa cuidadosamente projetada para garantir uma boa mistura de cores.

Esses problemas tornam-se mais graves em aplicações emergentes que utilizam emissores de luz visível. Por exemplo, as comunicações de luz visível2 e a sua extensão a sistemas totalmente em rede, referidos como Li-Fi3, ganharam um interesse significativo no campo das comunicações ópticas sem fios, onde LEDs brancos são utilizados tanto para iluminação como para comunicação de dados. Nas comunicações ópticas, a resposta lenta dos fósforos amarelos dificulta larguras de banda de modulação mais altas. Além disso, a capacidade de comunicação pode ser aumentada pela multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) usando vários LEDs2. No entanto, o WDM na comunicação de luz visível tende a ser limitado a apenas três cores usando LEDs RGB separados, apesar da ampla faixa espectral visível (380–780 nm). Para aumentar ainda mais o número de fluxos de dados, mais LEDs separados com comprimentos de onda diferentes devem ser fabricados e montados em um único dispositivo. Enquanto isso, micro LEDs (\(\mu\)LEDs) com tamanho inferior a \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) são promissores para exibição aplicações devido a diversas vantagens potenciais, como alto contraste, resposta rápida e alta eficiência, em comparação com telas convencionais de cristal líquido e telas LED orgânicas4,5. Um desafio para a produção em massa é a transferência precisa de milhões de matrizes de LED individuais para o backplane, e esforços consideráveis ​​de pesquisa têm sido dedicados ao desenvolvimento de tecnologias de transferência4. Para resolver radicalmente esses problemas, são necessárias soluções para integração monolítica de múltiplos comprimentos de onda em um único substrato.