빛의 유연한 지형학적 디자인

Aug 12, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12665(2023) 이 기사 인용

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다중 파장 가시광 방출기는 현재 고체 조명에서 중요한 역할을 합니다. 반도체 발광 다이오드(LED)와 형광체를 결합하거나 파장이 다른 여러 LED 칩을 조립하여 구현할 수 있지만 이러한 설계 방식에는 형광체 관련 문제나 복잡한 조립 공정이 있습니다. 이러한 과제는 가시광 통신 및 마이크로 LED 디스플레이와 같은 새로운 애플리케이션에 심각한 단점입니다. 여기서 우리는 유연하게 설계된 3차원 지형에서 에피택셜 성장을 활용하여 단일 칩에 맞춤형 방출 파장 통합을 위한 플랫폼을 제시합니다. 이 접근법은 국부적인 In 조성 변화를 통해 InGaN 기반 LED 구조의 국부 방출 파장을 자발적으로 배열합니다. 결과적으로 우리는 단일 칩에 세 가지 다른 방출 색상(보라색, 파란색 및 녹색)의 모놀리식 통합을 시연합니다. 또한 각 구성 요소의 독립적인 전기 제어를 통해 유연한 스펙트럼 제어를 실현합니다. 우리의 통합 방식은 모놀리식 다중 파장 LED를 통해 임의의 스펙트럼 범위에서 맞춤형 스펙트럼 제어 가능성을 열어줍니다.

트랜지스터, 다이오드, 저항기와 같은 전기 부품을 하나의 컴팩트한 칩에 모놀리식으로 통합하는 것이 전자 분야에서 큰 영향을 미쳤습니다. 개별 부품에 비해 LSI(대규모 통합) 기술은 향상된 성능, 비용 절감 및 신뢰성 향상을 제공합니다. 오늘날 LSI 기술은 현대 전자제품의 초석입니다. 그러나 InGaN 기반 청색 및 녹색 LED와 AlGaInP 기반 적색 LED를 포함한 개별 단색 발광 다이오드(LED)가 가시광 광전자공학 분야에서 개발되었지만 여러 파장의 모놀리식 통합은 여전히 ​​과제로 남아 있습니다.

가시광선 광전자공학용 다중 파장 발광기에 대한 두 가지 대체 옵션이 이미 존재합니다. 현재까지 가장 널리 사용되는 방법은 청색 InGaN LED와 황색 형광체를 결합하여 백색 이미터를 생성하는 것입니다1. 이러한 구조는 간단한 장치 구성을 가능하게 하지만 동시에 파란색에서 노란색으로의 색상 변환으로 인해 필연적으로 스톡스 에너지 손실을 유발합니다. 또한, 형광체 방출의 독립적인 전기적 제어가 어렵기 때문에 방출 스펙트럼의 조정 가능성이 제한됩니다. 인광체 관련 문제를 피하기 위한 또 다른 상업적 옵션에는 전체 색상에 대한 높은 수준의 제어를 제공할 수 있는 빨간색, 녹색 및 파란색(RGB) LED 칩을 조립하는 것이 포함됩니다. 그러나 이 접근 방식을 사용하려면 복잡하고 시간이 많이 소요되는 조립 공정과 우수한 색상 혼합을 보장하기 위해 세심하게 설계된 외부 광학 장치가 필요합니다.

이러한 문제는 가시광 방출기를 사용하는 새로운 응용 분야에서 더욱 심각해집니다. 예를 들어, 가시광선 통신2과 Li-Fi3이라고 하는 완전히 네트워크화된 시스템으로의 확장은 조명과 데이터 통신에 백색 LED가 사용되는 광무선 통신 분야에서 상당한 관심을 얻었습니다. 광통신에서 노란색 형광체의 느린 응답은 더 높은 변조 대역폭을 방해합니다. 또한 여러 개의 LED를 사용하는 WDM(파장 분할 다중화)을 통해 통신 용량을 늘릴 수 있습니다2. 그러나 가시광 통신의 WDM은 넓은 가시 스펙트럼 범위(380~780nm)에도 불구하고 별도의 RGB LED를 사용하여 세 가지 색상으로만 제한되는 경향이 있습니다. 데이터 스트림 수를 더욱 늘리려면 서로 다른 파장을 가진 더 많은 개별 LED를 제작하고 단일 장치로 조립해야 합니다. 한편, 디스플레이용으로는 \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) 이하 크기의 마이크로 LED(\(\mu\)LED)가 유망하다. 기존 액정 디스플레이 및 유기 LED 디스플레이에 비해 고대비, 빠른 응답 및 고효율과 같은 여러 가지 잠재적 이점으로 인해 애플리케이션에 적용할 수 있습니다4,5. 대량 생산을 위한 한 가지 과제는 수백만 개의 개별 LED 다이를 백플레인에 정확하게 전사하는 것이며, 전사 기술 개발에 상당한 연구 노력이 기울여졌습니다4. 이러한 문제를 근본적으로 해결하려면 단일 기판에 여러 파장을 모놀리식으로 통합하는 솔루션이 필요합니다.