柔軟な光の地形設計

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12665 (2023) この記事を引用

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多波長可視光エミッタは、現在の固体照明において重要な役割を果たしています。 これらは、半導体発光ダイオード (LED) と蛍光体を組み合わせたり、異なる波長の複数の LED チップを組み立てたりすることによって実現できますが、これらの設計アプローチには蛍光体関連の問題や複雑な組み立てプロセスが伴います。 これらの課題は、可視光通信やマイクロ LED ディスプレイなどの新興アプリケーションにとって重大な欠点となります。 ここでは、柔軟に設計された三次元トポグラフィー上でのエピタキシャル成長を利用して、単一チップ上に調整された発光波長を統合するためのプラットフォームを紹介します。 このアプローチは、局所的な In 組成の変化を通じて、InGaN ベースの LED 構造の局所発光波長を自発的に調整します。 その結果、単一チップ上に 3 つの異なる発光色 (紫、青、緑) をモノリシックに集積することを実証しました。 さらに、各コンポーネントを独立した電気制御により柔軟なスペクトル制御を実現します。 当社の統合スキームは、モノリシック多波長 LED を介して任意のスペクトル範囲でカスタマイズされたスペクトル制御の可能性を開きます。

トランジスタ、ダイオード、抵抗器などの電気部品を単一のコンパクトなチップにモノリシックに集積することの影響は、エレクトロニクスの分野で重大です。 ディスクリート コンポーネントと比較して、大規模集積回路 (LSI) テクノロジは、パフォーマンスの向上、コストの削減、および信頼性の向上を実現します。 今日、LSI テクノロジーは現代のエレクトロニクスの基礎となっています。 しかし、InG​​aN ベースの青色および緑色 LED、AlGaInP ベースの赤色 LED などの個別の単色発光ダイオード (LED) が可視光オプトエレクトロニクスの分野で開発されてきましたが、複数の波長のモノリシック集積は依然として課題です。

可視光オプトエレクトロニクス用の多波長発光体には、すでに 2 つの代替オプションが存在します。 現在までに最も広く使用されている方法は、青色 InGaN LED と黄色蛍光体を組み合わせて白色エミッタを生成する方法です 1。 この構造により、シンプルなデバイス構成が可能となる一方で、青色から黄色への色変換によるストークスエネルギーの損失が避けられません。 さらに、蛍光体の発光を独立して電気的に制御することは難しく、発光スペクトルの調整可能性が制限されます。 蛍光体関連の問題を回避するためのもう 1 つの市販オプションには、赤、緑、青 (RGB) LED チップを組み立てることが含まれており、これにより全体の色を高度に制御できます。 ただし、このアプローチでは、複雑で時間のかかる組み立てプロセスと、良好な色の混合を確保するために慎重に設計された外部光学系が必要です。

これらの問題は、可視光エミッターを使用する新興アプリケーションではさらに深刻になります。 たとえば、可視光通信 2 と、Li-Fi 3 と呼ばれる完全にネットワーク化されたシステムへのその拡張は、白色 LED が照明とデータ通信の両方に使用される光無線通信の分野で大きな関心を集めています。 光通信では、黄色蛍光体の応答が遅いため、より高い変調帯域幅が妨げられます。 さらに、複数の LED2 を使用した波長分割多重 (WDM) によって通信容量を増やすことができます。 ただし、可視光通信における WDM は、可視スペクトル範囲 (380 ～ 780 nm) が広いにもかかわらず、個別の RGB LED を使用する 3 色のみに制限される傾向があります。 データ ストリームの数をさらに増やすには、異なる波長を持つさらに多くの個別の LED を製造し、単一のデバイスに組み立てる必要があります。 一方、サイズが \(\sim\) 100 \(\times\) 100 \(\upmu\)m\(^2\) 未満のマイクロ LED (\(\mu\)LEDs) がディスプレイに有望です。従来の液晶ディスプレイや有機 LED ディスプレイと比較して、高コントラスト、高速応答、高効率などの潜在的な利点により、さまざまな用途に使用されています4、5。 大量生産における課題の 1 つは、数百万個の個々の LED ダイをバックプレーンに正確に転写することであり、転写技術の開発には多大な研究努力が費やされてきました4。 これらの問題に根本的に対処するには、単一基板上に複数の波長をモノリシックに集積するソリューションが必要です。