Los investigadores de UC Santa Barbara continúan ampliando los límites del diseño de LED un poco más con un nuevo método que podría allanar el camino hacia una tecnología de iluminación y pantallas LED más eficientes y versátiles.

En un artículo publicado en Fotónica de la naturaleza , El profesor de ingeniería eléctrica e informática de UCSB, Jonathan Schuller, y sus colaboradores describen este nuevo enfoque, lo que podría permitir que una amplia variedad de dispositivos LED, desde cascos de realidad virtual hasta iluminación automotriz, se vuelvan más sofisticados y elegantes al mismo tiempo.

"Lo que mostramos es un nuevo tipo de arquitectura fotónica que no solo te permite extraer más fotones, sino también para dirigirlos a donde quieras, ", dijo Schuller. Este rendimiento mejorado, él explicó, se consigue sin los componentes de embalaje externos que se utilizan a menudo para manipular la luz emitida por los LED.

La luz en los LED se genera en el material semiconductor cuando se excita, Los electrones cargados negativamente que viajan a lo largo de la red cristalina del semiconductor se encuentran con los agujeros cargados positivamente (una ausencia de electrones) y pasan a un estado más bajo de energía. liberando un fotón en el camino. A lo largo de sus medidas, los investigadores encontraron que se estaba generando una cantidad significativa de estos fotones, pero no salían del LED.

"Nos dimos cuenta de que si mirabas la distribución angular del fotón emitido antes de crear patrones, tendía a alcanzar un pico en una cierta dirección que normalmente estaría atrapada dentro de la estructura del LED, ", Dijo Schuller." Y así nos dimos cuenta de que se podía diseñar alrededor de esa luz normalmente atrapada utilizando conceptos tradicionales de metasuperficie ".

El diseño que eligieron consiste en una serie de nanobarras de nitruro de galio (GaN) de 1,45 micrómetros de largo sobre un sustrato de zafiro, en el que se embebieron pozos cuánticos de nitruro de galio indio, para confinar electrones y huecos y así emitir luz. Además de permitir que salga más luz de la estructura del semiconductor, el proceso polariza la luz, que dijo el coautor principal Prasad Iyer, "es fundamental para muchas aplicaciones".

Antenas a nanoescala

La idea del proyecto se le ocurrió a Iyer hace un par de años cuando estaba completando su doctorado en el laboratorio de Schuller, donde la investigación se centra en la tecnología fotónica y los fenómenos ópticos a escalas de sublongitud de onda. Metasuperficies, superficies diseñadas con características a nanoescala que interactúan con la luz, fueron el foco de su investigación.

"Una metasuperficie es esencialmente una matriz de antenas de sublongitud de onda, "dijo Iyer, quien anteriormente estaba investigando cómo dirigir rayos láser con metasuperficies. Comprendió que las metasuperficies típicas se basan en las propiedades altamente direccionales del rayo láser entrante para producir un rayo saliente altamente dirigido.

LEDs, por otra parte, emitir luz espontánea, a diferencia de la estimulación del láser, luz coherente.

"La emisión espontánea muestrea todas las formas posibles en las que se permite que el fotón se mueva, "Schuller explicó, por lo que la luz aparece como un chorro de fotones viajando en todas las direcciones posibles. La pregunta era si ellos a través de un cuidadoso diseño a nanoescala y fabricación de la superficie del semiconductor, agrupar los fotones generados en la dirección deseada?

"La gente ha realizado patrones de LED anteriormente, "Iyer dijo, pero esos esfuerzos invariablemente se dividen en múltiples direcciones, con baja eficiencia. "Nadie había diseñado una forma de controlar la emisión de luz de un LED en una sola dirección".

Lugar correcto, Tiempo correcto

Era un acertijo que no habría encontrado una solución, Iyer dijo, sin la ayuda de un equipo de colaboradores expertos. Es excepcionalmente difícil trabajar con GaN y requiere procesos especializados para hacer cristales de alta calidad. Solo unos pocos lugares en el mundo tienen la experiencia para fabricar el material con un diseño tan exigente.

Afortunadamente, UC Santa Bárbara, hogar del Centro de Electrónica de Energía e Iluminación de Estado Sólido (SSLEEC), es uno de esos lugares. Con la experiencia de SSLEEC y la instalación de nanofabricación de clase mundial del campus, Los investigadores diseñaron y modelaron la superficie del semiconductor para adaptar el concepto de metasuperficie para la emisión de luz espontánea.

"Fuimos muy afortunados de colaborar con los expertos mundiales en la fabricación de estas cosas, ", Dijo Schuller.