Diseño topográfico flexible de la luz. | Componentes de vacío de Qingdao Co., Ltd

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12665 (2023) Citar este artículo

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Los emisores de luz visible de múltiples longitudes de onda desempeñan un papel crucial en la iluminación de estado sólido actual. Aunque pueden realizarse combinando diodos emisores de luz (LED) semiconductores y fósforos o ensamblando múltiples chips LED con diferentes longitudes de onda, estos enfoques de diseño adolecen de problemas relacionados con el fósforo o procesos de ensamblaje complejos. Estos desafíos son inconvenientes importantes para aplicaciones emergentes como la comunicación por luz visible y las pantallas micro-LED. Aquí presentamos una plataforma para la integración personalizada de longitudes de onda de emisión en un solo chip utilizando crecimiento epitaxial en topografías tridimensionales diseñadas de manera flexible. Este enfoque organiza espontáneamente las longitudes de onda de emisión locales de las estructuras LED basadas en InGaN a través de las variaciones locales de composición de In. Como resultado, demostramos la integración monolítica de tres colores de emisión diferentes (violeta, azul y verde) en un solo chip. Además, logramos un control espectral flexible mediante el control eléctrico independiente de cada componente. Nuestro esquema de integración abre la posibilidad de un control espectral personalizado en un rango espectral arbitrario a través de LED monolíticos de múltiples longitudes de onda.

El impacto de la integración monolítica de componentes eléctricos como transistores, diodos y resistencias en un chip único y compacto ha sido significativo en el campo de la electrónica. En comparación con los componentes discretos, la tecnología de integración a gran escala (LSI) ofrece un rendimiento mejorado, costos reducidos y mayor confiabilidad. Hoy en día, la tecnología LSI es la piedra angular de la electrónica moderna. Sin embargo, si bien en el campo de la optoelectrónica de luz visible se han desarrollado diodos emisores de luz (LED) monocromáticos discretos, incluidos LED azules y verdes basados en InGaN y LED rojos basados en AlGaInP, la integración monolítica de múltiples longitudes de onda sigue siendo un desafío.

Ya existen dos opciones alternativas para emisores de luz de múltiples longitudes de onda para optoelectrónica de luz visible. El método más utilizado hasta la fecha es combinar un LED azul de InGaN con un fósforo amarillo para producir un emisor blanco1. Esta construcción permite una configuración simple del dispositivo, pero, al mismo tiempo, inevitablemente induce la pérdida de energía de Stokes debido a la conversión del color de azul a amarillo. Además, el control eléctrico independiente de la emisión de fósforo es difícil, lo que limita la sintonizabilidad de los espectros de emisión. Otra opción comercial para evitar los problemas relacionados con el fósforo consiste en ensamblar chips LED rojos, verdes y azules (RGB), que pueden ofrecer un alto grado de control sobre el color general. Sin embargo, este enfoque requiere un proceso de ensamblaje complejo y que requiere mucho tiempo y una óptica externa cuidadosamente diseñada para garantizar una buena mezcla de colores.

Estos problemas se vuelven más graves en las aplicaciones emergentes que utilizan emisores de luz visible. Por ejemplo, las comunicaciones de luz visible2 y su extensión a sistemas totalmente conectados en red, conocidos como Li-Fi3, han ganado un interés significativo en el campo de las comunicaciones ópticas inalámbricas, donde se utilizan LED blancos tanto para iluminación como para comunicación de datos. En las comunicaciones ópticas, la lenta respuesta de los fósforos amarillos dificulta mayores anchos de banda de modulación. Además, la capacidad de comunicación se puede aumentar mediante multiplexación por división de longitud de onda (WDM) utilizando múltiples LED2. Sin embargo, WDM en la comunicación con luz visible tiende a limitarse a solo tres colores utilizando LED RGB separados, a pesar del amplio rango espectral visible (380–780 nm). Para aumentar aún más el número de flujos de datos, se deben fabricar y ensamblar en un solo dispositivo más LED separados con diferentes longitudes de onda. Mientras tanto, los micro LED (\(\mu\)LED) con un tamaño inferior a \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) son prometedores para la visualización. aplicaciones debido a varias ventajas potenciales, como alto contraste, respuesta rápida y alta eficiencia, en comparación con las pantallas de cristal líquido convencionales y las pantallas LED orgánicas4,5. Un desafío para la producción en masa es la transferencia precisa de millones de matrices LED individuales al backplane, y se han dedicado considerables esfuerzos de investigación al desarrollo de tecnologías de transferencia4. Para abordar radicalmente estos problemas, se necesitan soluciones para la integración monolítica de múltiples longitudes de onda en un solo sustrato.

En principio, la amplia capacidad de sintonización de la banda prohibida de InGaN puede cubrir todo el rango espectral visible6, lo que sugiere que la luz visible se puede integrar en un chip mediante un único proceso de crecimiento epitaxial. Recientemente, se han estudiado intensamente varios enfoques hacia la integración personalizada de múltiples longitudes de onda. Un enfoque prometedor son las estructuras tridimensionales (3D) de GaN formadas mediante la técnica de crecimiento selectivo de área (SAG). El nuevo crecimiento de GaN en máscaras de Ti estampadas mediante epitaxia de haz molecular crea estructuras de nanocolumnas (NC)7,8,9,10. Las longitudes de onda de emisión de los LED NC están controladas por los diámetros NC y se ha demostrado la integración monolítica de unidades de píxeles micro-LED multicolores10. Sin embargo, la geometría 3D con altas relaciones de aspecto aumenta la complejidad del proceso. Otro enfoque es el nuevo crecimiento de GaN en máscaras dieléctricas estampadas mediante epitaxia en fase de vapor organometálico (MOVPE), que crea estructuras 3D compuestas de varias facetas cristalográficas11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. ,22. La longitud de onda de emisión dependiente de las facetas permite síntesis de colores pastel, incluido el blanco14,15,16,17,21,22, mientras que las facetas formadas por SAG están restringidas a planos cristalográficos estables durante el crecimiento, lo que limita la integración flexible de la longitud de onda.

Aquí, presentamos LED InGaN monolíticos de múltiples longitudes de onda basados en topografías 3D diseñadas de manera flexible. Los patrones topográficos en las superficies del sustrato organizan espontáneamente las longitudes de onda de emisión de las estructuras LED de InGaN cubiertas de vegetación a través de las variaciones locales de composición In23,24,25,26,27,28,29. Una característica clave de este enfoque es que no sólo se pueden utilizar planos estables expuestos en las estructuras 3D por SAG sino también planos inestables, proporcionando así una mayor integración de longitud de onda flexible. Además, las longitudes de onda de emisión se pueden controlar ampliamente dentro de un ángulo de pendiente poco profundo (\(<\ \sim\) 10\(^\circ\))23,24,25,26,27,28, lo cual es beneficioso para el dispositivo. procesamiento29. Demostramos LED InGaN monolíticos de múltiples longitudes de onda, que pueden controlar eléctricamente cada componente de emisión de forma independiente. El único chip LED proporciona tres colores diferentes: violeta, azul y verde, y los componentes de emisión se sintetizan de manera flexible mediante operaciones independientes.

Esquema de integración del procedimiento de fabricación y fuera de ángulo local. (a) Esquema de la integración local fuera de ángulo, que incluye un ejemplo de un perfil de altura de sección transversal formado en una superficie de GaN (0001) y el perfil fuera de ángulo correspondiente desde el plano (0001). También se muestra la distribución de composición esperada del InGaN QW cubierto de maleza. (b) Proceso de fabricación de LED InGaN monolíticos de múltiples longitudes de onda en estructuras poliédricas. (c) Esquema del diseño del dispositivo con las tres longitudes de onda de emisión diferentes utilizadas en este estudio y (d) las imágenes del microscopio óptico de un solo dispositivo (izquierda) y una matriz (derecha).

La Figura 1a ilustra el esquema de integración de las tres longitudes de onda de emisión en este estudio. Debido a la anisotropía del cristal, inclinar la orientación de la superficie desde el plano (0001) cambia drásticamente el comportamiento de crecimiento. En particular, la incorporación durante el crecimiento del pozo cuántico (QW) de InGaN para las capas emisoras de luz inicialmente disminuye a medida que aumenta el ángulo fuera del plano (0001). Debido a que esto acorta las longitudes de onda de emisión de los LED de InGaN23,24,25,26,27,28, las longitudes de onda de emisión de las tres partes con diferentes ángulos de salida en la Fig. 1a disminuyen en el orden de \(\lambda _1>\lambda _2>\lambda _3\). El número de longitudes de onda integradas es equivalente al número de ángulos fuera de ángulo integrados. Los ángulos locales fuera de ángulo se modelan en las superficies de GaN (0001) utilizando los siguientes procedimientos.

La estructura de LED con patrón local fuera de ángulo se fabricó mediante litografía en escala de grises y grabado en seco27, seguido de MOVPE (Fig. 1b) (para más detalles, consulte "Métodos"). La estructura se fabricó sobre plantillas de (0001) n-GaN/zafiro. Para demostrar la integración local fuera de ángulo, se diseñó una forma poliédrica fotorresistente. Los ángulos de inclinación de las caras inclinadas en la forma poliédrica determinaron el ángulo de inclinación con respecto al plano (0001) (es decir, ángulos de inclinación más grandes con pendientes más pronunciadas). Primero, se formaron fotoprotectores poliédricos en las superficies de GaN mediante litografía en escala de grises. Posteriormente, la forma poliédrica del fotoprotector se transfirió a las superficies de GaN mediante grabado con iones reactivos de plasma acoplado inductivamente (ICP-RIE). Luego, MOVPE volvió a cultivar estructuras de LED basadas en InGaN compuestas de n-GaN, múltiples QW (MQW) de InGaN/GaN y capas de p-GaN.

La Figura 1c muestra esquemáticamente el diseño de LED utilizado en este estudio. La estructura poliédrica consta de una parte superior plana (Top) y dos partes inclinadas (Pendiente A y Pendiente B). Las pendientes opuestas son congruentes por simplicidad. La dimensión en el plano de la forma 3D es aproximadamente 220 \(\upmu\)m \(\times\) 340 \(\upmu\)m, que es comparable a la de un LED plano convencional (300 \(\times\) \) 300–500 \(\times\) 500 \(\upmu\)m\(^2\)). La pendiente A tiene un ángulo menor que el de la pendiente B, como se muestra a continuación. Este diseño varía las longitudes de onda de emisión en el orden de Arriba > Pendiente A > Pendiente B. Gracias a las estructuras 3D de suave pendiente (Nota complementaria 1), se utilizaron fotolitografía binaria estándar y evaporación al vacío, que se usan comúnmente para LED planos, para fabricar el dispositivo LED. Los electrodos de contacto p se formaron por separado en cada parte de la estructura poliédrica y se conectaron a electrodos de almohadilla p para sondear. Se formaron N electrodos en el borde de la muestra. El dispositivo final fue una oblea sin embalaje. La Figura 1d muestra imágenes de microscopio óptico de los LED de InGaN fabricados, lo que confirma la formación exitosa de los electrodos. Cabe señalar que la matriz de LED InGaN de múltiples longitudes de onda se puede aplicar a la disposición espontánea de las unidades de píxeles \(\mu\)LED para aplicaciones de visualización.

Caracterización de la forma 3D del InGaN QW sobre la estructura poliédrica. La capa Epi consta de n-GaN e InGaN SQW sin p-GaN. (a) Imagen de mapeo de altura. (b) Perfiles de altura de la sección transversal a lo largo de las líneas indicadas en (a), y (c) perfiles fuera de ángulo calculados a partir de (b).

Antes de poner en funcionamiento los dispositivos LED, se investigó la relación entre la forma 3D y las características de emisión local. La Figura 2 muestra los resultados de la evaluación de una forma 3D de un InGaN QW en la estructura poliédrica utilizando microscopía de barrido láser confocal. La epicapa consta de n-GaN y un QW único (SQW) de InGaN sin p-GaN (ver "Métodos"). La imagen del mapeo de altura revela una estructura piramidal cuadrada truncada (Fig. 2a). La Figura 2b muestra los perfiles de altura de la sección transversal extraídos a lo largo de las líneas indicadas en la Fig. 2a. La pendiente A tiene una pendiente menor que la de la pendiente B. Los perfiles fuera de ángulo calculados a partir de la Fig. 2b se muestran en la Fig. 2c, donde el ángulo fuera de ángulo se define con respecto al plano (0001). Se confirma claramente que la pendiente A tiene un ángulo de desviación menor que el de la pendiente B. La variación fuera de ángulo en cada pendiente se debe a la rugosidad de la superficie formada durante el proceso de recrecimiento (Nota complementaria 2), y mejorar la uniformidad es un tema para futuras investigaciones.

Características de emisión local del InGaN QW en la estructura poliédrica. (a) Imagen SEM de vista superior. Las líneas de puntos sirven para guiar la vista. (b) Espectros CL adquiridos de toda el área y de las áreas ampliadas indicadas como cuadros en (a). Imágenes de mapeo CL monocromáticas adquiridas a (c) 420 nm, (d) 440 nm. (e) 460 nm, (f) 480 nm, (g) 500 nm, (h) 520 nm, (i) 540 nm y (j) 560 nm.

La Figura 3 resume las propiedades de emisión resueltas espacialmente del InGaN QW evaluadas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de catodoluminiscencia (CL) a temperatura ambiente (RT). La Figura 3a muestra la imagen SEM de vista superior del InGaN QW, y la Fig. 3b muestra los espectros CL adquiridos de toda el área y las áreas ampliadas de Top, Slope A y Slope B, indicadas en la Fig. 3a. Las dimensiones de las áreas ampliadas corresponden aproximadamente a las de cada electrodo de contacto p. Las longitudes de onda máximas se encuentran a 552 nm en la parte superior, 469 nm en la pendiente A y 450 nm en la pendiente B. Considerando la forma 3D (Fig. 2), la longitud de onda de emisión disminuye a medida que aumenta el ángulo fuera de ángulo, de acuerdo con el anterior informes23,24,25,26,27,28,29. La Nota complementaria 3 detalla las propiedades estructurales de los QW de InGaN evaluados mediante microscopía electrónica de transmisión. Las imágenes monocromáticas de mapeo de CL en las figuras 3c-j revelan una dependencia de la posición de la longitud de onda de emisión. A medida que la longitud de onda de monitoreo se hace más larga, la emisión de luz comienza en el orden de Pendiente B, Pendiente A y Superior. Los resultados obtenidos demuestran que la forma poliédrica puede integrar tres longitudes de onda de emisión mediante el control local del ángulo fuera de ángulo.

Rendimiento fundamental del dispositivo y mezcla espectral aditiva del LED monolítico de múltiples longitudes de onda. (a) Características de corriente-voltaje de los LED de InGaN formados en la parte superior, la pendiente A y la pendiente B. (b) Espectros EL normalizados de los tres LED activados individualmente a una densidad de corriente de inyección de 200 A/cm\(^2\). (c) Espectros EL bajo operaciones simultáneas de dos o los tres LED. Las corrientes de inyección son 5 mA en la parte superior, 0,45 mA en la pendiente A y 0,39 mA en la pendiente B. Las intensidades EL máximas de las tres partes son casi las mismas en esta condición. Imágenes de microscopio óptico de (d) las operaciones individuales en (b), y (e) las operaciones simultáneas en (c). La imagen superior en (d) es la muestra no operada para indicar claramente las ubicaciones de medición.

Evaluamos por separado el rendimiento del dispositivo de los LED de InGaN formados en la parte superior, la pendiente A y la pendiente B en una única estructura poliédrica (un solo chip). La Figura 4a muestra las características de corriente-voltaje de los tres LED activados bajo una inyección de corriente continua (CC). Se confirman las características directas de los diodos. Los voltajes de encendido estimados y las resistencias en serie son aproximadamente 3,0 V y 165 \(\Omega\) para Top, 3,3 V y 61 \(\Omega\) para Slope A, y 3,6 V y 55 \(\Omega\) para Pendiente B. La mayor resistencia en serie en la parte superior se puede atribuir al mayor espesor de p-GaN o a la menor densidad del portador. Se reportan mayores densidades de portadores de orificios con mayores ángulos fuera del plano (0001)34. Los espectros típicos de electroluminiscencia (EL) bajo una densidad de corriente de inyección de 200 A/cm\(^2\) (5 mA para Top y Slope A y 3 mA para Slope B) se muestran en la Fig. 4b. Las longitudes de onda máximas son 519 nm en la parte superior, 460 nm en la pendiente A y 450 nm en la pendiente B, que son consistentes con los espectros CL (Fig. 3b). Los picos EL de Top y Slope A están ubicados en longitudes de onda más cortas que los de los picos CL, y la diferencia aumenta a medida que la longitud de onda de emisión se hace más larga. Los LED basados en InGaN a menudo exhiben un desplazamiento hacia el azul en la longitud de onda de emisión a medida que aumenta la densidad de la corriente de inyección, y el cambio de longitud de onda máxima es más pronunciado para longitudes de onda de emisión más largas. Por lo tanto, la densidad de corriente relativamente alta (200 A/cm\(^2\)) en las condiciones EL puede causar la diferencia máxima de longitud de onda entre EL y CL. Las imágenes del microscopio óptico en la Fig. 4d confirman la integración de los tres colores diferentes en un solo chip: verde desde la parte superior, azul desde la pendiente A y violeta desde la pendiente B.

Luego demostramos las operaciones simultáneas de los LED en la parte superior, la pendiente A y la pendiente B. La Figura 4c muestra los espectros EL cuando dos o los tres LED funcionan simultáneamente. Para resaltar la mezcla espectral, la corriente de inyección para cada LED se ajusta para producir intensidades EL comparables. En particular, las operaciones simultáneas de Top y Slope A o Slope B muestran claramente la síntesis de componentes de longitud de onda más corta y más larga, lo que confirma la mezcla espectral aditiva. Los colores mezclados cambian debido a la diferencia de longitud de onda de las pendientes A y B (Fig. 4e): los colores pastel azulados o violáceos se sintetizan agregando la pendiente A o la pendiente B a la parte superior, respectivamente. Por lo tanto, el diseño de LED propuesto permite proporcionar tres colores diferentes individualmente y además permite la síntesis de estos componentes para cumplir con requisitos específicos. El vídeo complementario muestra operaciones individuales y simultáneas. Aunque este estudio manipula las corrientes de inyección para controlar las intensidades EL, la modulación de ancho de pulso utilizada en la iluminación LED debería ser posible. Los resultados se informarán en otro lugar.

Control espectral flexible mediante un único chip LED. Variación de los espectros EL bajo corrientes de inyección de (a) 5 mA en la parte superior y 0,25–0,40 mA en la pendiente B y (b) 1–6 mA en la parte superior y 0,35 mA en la pendiente B. (c, d) Las fotografías bajo operaciones de ( a, b), respectivamente. (e) Diagrama de cromaticidad CIE para los controles espectrales.

Finalmente, demostramos un control espectral flexible ajustando eléctricamente los LED. Como caso representativo, presentamos los resultados utilizando una combinación de LED en Top y Slope B. Las Figuras 5a,b muestran los espectros EL bajo diferentes combinaciones de corriente de inyección: (Top, Slope B) = (5 mA, 0,25–0,40 mA ) y (1–6 mA, 0,35 mA), respectivamente. En la Fig. 5a, solo se varía la intensidad del componente de longitud de onda más corta de la Pendiente B, mientras que en la Fig. 5b solo se varía la intensidad del componente de longitud de onda más larga de Top. Estos resultados muestran que el color aparente se puede ajustar de verde a azul pastel o de violeta a azul pastel, como se muestra en la Fig. 5c, d, respectivamente (video complementario). La Figura 5e representa las variaciones de color de emisión en el diagrama de cromaticidad de la Comisión Internacional de I'Éclairage (CIE) de 1931. Aumentar la corriente de inyección a Pendiente B varía el color de la emisión de (0,15, 0,52) a (0,15, 0,17), mientras que aumentar la corriente de inyección a Top varía el color de la emisión de (0,16, 0,04) a (0,15, 0,24).

Discutimos varios temas como futuros temas de investigación para mejorar aún más nuestra estrategia. El primer tema es la diafonía óptica y actual en los LED propuestos. La diafonía óptica entre cada LED puede dar lugar a relaciones de contraste de píxeles más bajas en aplicaciones de visualización. Además, los LED de longitud de onda corta pueden excitar a los LED de longitud de onda larga, degradando la pureza del color. Experimentalmente, las Figs. 4b y 5a,b revelan que las emisiones azules o violetas de la pendiente A o B apenas excitan la emisión verde de la cima. Para suprimir con seguridad la diafonía óptica, serían útiles fotoprotectores de matriz negra insertados entre cada LED, que casi no tienen transmitancia en el rango espectral visible35. La diafonía actual entre cada LED también es posible en los LED propuestos porque en este estudio no se empleó el aislamiento de p-GaN (ver "Métodos"). Sin embargo, observamos que las distancias entre cada LED son aproximadamente 40–70 \(\upmu\)m (Fig. 1d), y se estima que la corriente lateral que se propaga en el p-GaN es del orden de unos pocos micrómetros por utilizando un modelo eléctrico simple36. Además, como se muestra en la Fig. 5a, b, las intensidades de emisión de los LED [Arriba en la Fig. 5a o Pendiente B en la Fig. 5b] accionados bajo corriente constante no cambian al variar la corriente en los otros LED [Pendiente B en la Fig. 5a o Arriba en la Fig. 5b]. Estos resultados sugieren que la diafonía actual en los LED propuestos sería insignificante. Si la distancia entre cada LED se aproxima al orden de unos pocos micrómetros, será necesario aislar el p-GaN mediante grabado seco o pasivación selectiva37.

El segundo tema es realizar LED de InGaN de alta calidad en diferentes orientaciones de superficie mediante un único proceso de crecimiento epitaxial. Las condiciones óptimas de crecimiento pueden variar dependiendo de las orientaciones de la superficie. Sin embargo, en la actualidad, la relación entre las condiciones óptimas de crecimiento de InGaN y las orientaciones de la superficie no se ha estudiado exhaustivamente. Por lo tanto, aclarar el comportamiento de crecimiento y la consiguiente eficiencia de emisión de InGaN en varias orientaciones de superficie es una cuestión importante, y nuestras plantillas estampadas pueden servir como plataforma. Se espera que las diferencias en las condiciones óptimas de crecimiento debido a la orientación de la superficie no sean tan significativas, dado que las estructuras propuestas exhiben una gran variación de longitud de onda (450–552 nm) (Fig. 3b) dentro de un rango de ángulo relativamente estrecho ( < 10\(^\circ\)) (Figura 2c).

El tercer tema es ampliar el rango de longitudes de onda de emisión hacia longitudes de onda más largas. La eficiencia de emisión de los LED basados en InGaN tiende a disminuir en el rango de componentes de longitud de onda más larga, como el amarillo y el rojo. Sin embargo, investigaciones intensivas recientes están ampliando la longitud de onda de emisión, y las eficiencias de emisión de los LED InGaN amarillos y rojos están mejorando constantemente al explorar las condiciones de crecimiento o el apilamiento de capas30,31.

El cuarto tema es aumentar el número de longitudes de onda controladas. Un enfoque sencillo basado en nuestros resultados es aumentar el número de caras con diferentes ángulos de pendiente en la estructura poliédrica. Alternativamente, ya hemos propuesto el uso de estructuras similares a lentes convexas para lograr ángulos fuera de ángulo que cambian continuamente28,29. Este tipo de estructura tiene el potencial de ofrecer una inmensa cantidad de longitudes de onda debido a la distribución de longitudes de onda en continuo cambio. Aumentar el número de longitudes de onda integradas podría complicar el diseño del electrodo. Sin embargo, observamos que la precisión de los procesos del dispositivo no está relacionada con la complejidad del patrón sino con el tamaño del patrón comparable a las resoluciones del proceso. Además, se pueden aplicar condiciones de proceso convencionales similares a las de los LED planos a los LED propuestos con ángulos de pendiente poco profundos (ver "Métodos"). Por lo tanto, el diseño de LED propuesto podría aumentar la cantidad de longitudes de onda integradas sin una optimización compleja del proceso.

Finalmente, nos gustaría señalar que los LED propuestos se pueden aplicar a fotodetectores de múltiples longitudes de onda. Los fotodetectores convencionales miden la intensidad de la luz en una longitud de onda específica dispersada por un espectrómetro. Por el contrario, estos fotodetectores de múltiples longitudes de onda ofrecen potencialmente la capacidad de medir selectivamente intensidades en múltiples longitudes de onda sin el espectrómetro.

En conclusión, los LED InGaN monolíticos de múltiples longitudes de onda se fabrican mediante integración local fuera de ángulo. Nuestro enfoque permite organizar espontáneamente múltiples longitudes de onda de emisión en un solo chip LED. El dispositivo resultante realiza un control eléctrico flexible de los colores de emisión violeta, azul y verde, y puede sintetizar estos componentes para cumplir requisitos específicos. Nuestros logros tienen el potencial de avanzar en el desarrollo de síntesis espectrales visibles personalizadas basadas en LED InGaN monolíticos de múltiples longitudes de onda. Los emisores de luz visible con designabilidad espectral flexible deberían beneficiar a numerosas aplicaciones, como iluminación avanzada de estado sólido, comunicaciones de alta capacidad mediante WDM en sistemas Li-Fi y LED \(\mu\) RGB dispuestos espontáneamente para aplicaciones de visualización.

La distribución local fuera de ángulo se modeló en (0001) plantillas de n-GaN/zafiro con n-GaN de aproximadamente 13-\(\mu\)m de espesor. En primer lugar, se formaron formas fotorresistentes poliédricas mediante una técnica de litografía en escala de grises utilizando equipos de exposición sin máscara (Nano System Solutions, D-light DL-1000GS/KCH). La litografía en escala de grises crea microestructuras 3D con gradientes de altura en un fotorresistente positivo32,33. Los gradientes de intensidad de la luz de exposición se convierten en profundidad de exposición y posteriormente en topografía resistente a microescala. El fotoprotector recubierto por rotación (TOKYO OHKA KOGYO, PMER P-LA900PM) tenía un espesor diseñado de \(\sim\)8 \(\mu\)m. Después de dar forma a los fotorresistentes 3D, la superficie del fotorresistente se alisó utilizando un método de reflujo térmico en una placa calefactora a 110 \(^\circ\)C durante 3 minutos. La forma 3D de los fotoprotectores se transfirió a la superficie de GaN mediante ICP-RIE (Samco, RIE-200KNS) utilizando gas Cl\(_2\) con ICP y potencias de polarización de 400 W y 300 W, respectivamente. El fotoprotector residual se eliminó usando mezclas de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno.

MOVPE (Taiyo Nippon Sanso, SR2000) volvió a cultivar estructuras LED de InGaN en los sustratos estampados. La estructura del LED consistía en QW de tres períodos dopados con Si n-GaN (500 nm), InGaN (2,5 nm)/GaN (11 nm), p-GaN dopado con Mg (300 nm) y p\ fuertemente dopado con Mg. Capas de (^+\)-GaN (20 nm). Los valores de espesor representan aquellos en el sustrato plano sin patrón topográfico. Para relacionar con precisión la distribución local fuera de ángulo y las propiedades de emisión local de los QW de InGaN, también fabricamos una estructura compuesta por QW individuales de n-GaN e InGaN sin una capa de p-GaN. Esto se debe a que las capas de cubierta de p-GaN pueden alterar la forma 3D29. Los precursores de la fuente fueron trimetilgalio para n-GaN y p-GaN, trietilgalio y trimetilindio para InGaN/GaN QW y amoníaco. Las fuentes dopantes de Si y Mg fueron silano y bis(ciclopentadienil)-magnesio, respectivamente. La presión de crecimiento fue de 100 kPa durante toda la secuencia de crecimiento, mientras que las temperaturas de crecimiento fueron 1050 \(^\circ\)C para n-GaN, 650 \(^\circ\)C para InGaN/GaN QW y 990 \( ^\circ\)C para las capas p-GaN y p\(^+\)-GaN.

El dispositivo LED se fabricó mediante fotolitografía binaria estándar y evaporación al vacío. Observamos que las pendientes superficiales poco profundas de nuestras estructuras 3D permiten omitir el proceso de planarización adicional, que generalmente se requiere para estructuras altamente 3D8,9,21. El contacto p semitransparente de Ni (5 nm) / Au (10 nm) y los electrodos de almohadilla p de Ti (50 nm) / Au (200 nm) se depositaron en la superficie de la muestra. Las dimensiones de los electrodos de contacto p fueron 50 \(\times\) 50 \(\mu\)m\(^2\) para Top and Slope A y 50 \(\times\) 30 \(\mu\) m\(^2\) para la pendiente B. In se usó para n-electrodos. Aquí, cada LED no fue aislado eléctricamente mediante el grabado de la capa de p-GaN. El rendimiento del dispositivo se evaluó en la oblea a temperatura ambiente bajo inyección de CC. La luz emitida fue recogida por una fibra óptica.

Las formas tridimensionales de las estructuras poliédricas fabricadas se investigaron mediante microscopía de barrido láser confocal (KEYENCE, VK-9510). Los perfiles fuera de ángulo se analizaron utilizando los perfiles de sección transversal. Las propiedades de emisión local de los QW de InGaN se evaluaron mediante espectroscopía SEM y CL a temperatura ambiente (JEOL, JSM-6500F). El voltaje de aceleración fue de 5 kV.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue parcialmente apoyado por JSPS KAKENHI (Subvenciones Nos. JP20H05622 y 22K14613). Parte de los experimentos (litografía en escala de grises) contó con el apoyo del Centro de Nanotecnología de la Universidad de Kyoto en el “Proyecto de infraestructura de investigación avanzada para materiales y nanotecnología” patrocinado por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (MEXT) de Japón.

Estos autores contribuyeron igualmente: Yoshinobu Matsuda y Ryunosuke Umemoto.

Departamento de Ciencia e Ingeniería Electrónica, Universidad de Kyoto, Kyoto, Kyoto, 615-8510, Japón

Yoshinobu Matsuda, Ryunosuke Umemoto, Mitsuru Funato y Yoichi Kawakami

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YK supervisó todo el proyecto con MF y YMYM diseñó este trabajo con MF y RURU realizó el experimento y analizó los datos con YM y MFYM y MF discutieron los resultados con RU e YK y escribieron el artículo.

Correspondencia a Yoshinobu Matsuda.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Matsuda, Y., Umemoto, R., Funato, M. et al. Diseño topográfico flexible de diodos emisores de luz que realizan espectros de múltiples longitudes de onda controlables eléctricamente. Informe científico 13, 12665 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39791-2

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Recibido: 24 de mayo de 2023

Aceptado: 31 de julio de 2023

Publicado: 04 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39791-2

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