Des modèles à l'échelle nanométrique conçus pour se plier, La déviation et la séparation de la lumière peuvent désormais être fabriquées directement sur les surfaces des diodes électroluminescentes (DEL) à l'aide d'une méthode de gravure innovante développée par les chercheurs d'A*STAR. Le nouveau schéma de fabrication crée de nouvelles possibilités pour le contrôle facile du flux lumineux.

Les récents progrès de l'éclairage LED ont transformé la vie quotidienne et la technologie de pointe - de l'éclairage efficace de la pièce, aux rétroéclairages des téléviseurs et des appareils mobiles, et les minuscules circuits optiques qui alimentent les réseaux mondiaux de fibre optique.

Le composant électroluminescent des LED est une structure étonnamment simple, typiquement une couche mince d'un matériau diélectrique tel que le nitrure de gallium (GaN) sur un substrat de saphir cristallin. Cette structure signifie que la lumière émise par les LED est dispersée de manière inefficace dans toutes les directions, y compris de retour dans le substrat sur lequel la couche électroluminescente est fixée. Donc, tandis que les chercheurs ont fait d'énormes progrès dans l'efficacité d'émission de lumière, il reste encore de la place pour l'amélioration.

Egor Khaidarov et ses collègues de l'Institut de stockage de données d'A*STAR et de l'Université technologique de Nanyang ont maintenant trouvé un moyen de modeler GaN avec des fonctionnalités à l'échelle nanométrique qui peuvent contrôler le comportement de la lumière.

"Nous avons démontré que les métasurfaces - des surfaces à motifs avec des caractéristiques généralement plus petites que la longueur d'onde de la lumière émise - peuvent être fabriquées directement sur une plate-forme standard GaN-sur-saphir, " dit Khaidarov. " Plus important encore, nous avons montré qu'avec un bon design, il est possible de créer les métasurfaces sans avoir besoin d'une couche supplémentaire, tout en maintenant un niveau élevé d'efficacité d'émission."

Des modifications de la métasurface des LED ont été tentées dans le passé. Celles-ci comprenaient la création d'une couche supplémentaire avec un indice de réfraction très différent de celui du substrat GaN-sur-saphir sous-jacent pour maintenir la lumière dans la couche de métasurface et améliorer les interactions lumière-matière. Le problème avec la structuration directe du GaN - un avantage majeur pour la fabrication - est une faiblesse des interactions en raison du manque de contraste d'indice de réfraction.

"Pour surmonter cela, nous avons travaillé avec des structures très profondes avec un grand rapport hauteur/largeur, efficacement des matrices de nanopiliers, réduire l'influence du substrat sur les modes optiques de la métasurface, " explique Khaidarov (voir image).

La conception résultante, cependant, a posé un défi majeur pour la fabrication, obligeant l'équipe à développer une procédure de nanofabrication précise impliquant la lithographie par faisceau d'électrons et rapide, gravure ionique réactive à haute température.

"Avec notre concept de design, nous avons, en principe, contrôle total des propriétés de sortie de la lumière, ce qui nous permet de fabriquer des composants optiques plus complexes tels que des lentilles, générateurs de faisceau de vortex, polarimètres et hologrammes, ", dit Khaidarov.