Nanoskala mönster utformade för att böja, avböjning och delat ljus kan nu tillverkas direkt på ljusemitterande diodytor (LED) med hjälp av en innovativ etsningsmetod som utvecklats av A*STAR-forskare. Det nya tillverkningsschemat skapar nya möjligheter för enkel kontroll av ljuseffekten.

De senaste framstegen inom LED-belysning har förvandlat vardagen och den senaste tekniken-från effektiv rumsbelysning, till TV:n och bakgrundsbelysning för mobila enheter, och de små optiska kretsarna som driver globala fiberoptiska nätverk.

Den ljusemitterande komponenten i lysdioder är en förvånansvärt enkel struktur, typiskt ett tunt lager av ett dielektriskt material, såsom galliumnitrid (GaN) på ett kristallint safirunderlag. Denna struktur innebär att ljuset som släpps ut från lysdioder ineffektivt sprids i alla riktningar, inklusive tillbaka till substratet på vilket det ljusemitterande skiktet är fixerat. Så, medan forskare har gjort enorma framsteg när det gäller ljusemitterande effektivitet, det finns fortfarande utrymme för förbättringar.

Egor Khaidarov och kollegor från A*STAR's Data Storage Institute och Nanyang Technological University har nu hittat ett sätt att mönstra GaN med nanoskala funktioner som kan styra ljusets beteende.

"Vi har visat att metasytor-ytor mönstrade med funktioner som vanligtvis är mindre än våglängden för utsänt ljus-kan tillverkas direkt på en standard GaN-on-safir plattform, "säger Khaidarov." Viktigast av allt, vi har visat att med bra design, det är möjligt att skapa metasytorna utan att behöva ett extra lager, samtidigt som den fortfarande håller en hög utsläppseffektivitet. "

Metasurface -modifieringar av lysdioder har försökts tidigare. Dessa inkluderade att mönstra ett ytterligare lager med ett mycket annorlunda brytningsindex än det underliggande GaN-on-safir-substratet för att behålla ljuset i metasurface-lagret och förbättra ljus-materia-interaktionerna. Problemet med att mönstra GaN direkt - en stor fördel för tillverkning - är en svaghet i interaktioner på grund av bristen på brytningsindexkontrast.

"För att övervinna detta, vi arbetade med mycket djupa strukturer med ett stort bildförhållande, effektivt matriser av nanopillrar, för att minska substratets inflytande på metasytans optiska lägen, "förklarar Khaidarov (se bild).

Den resulterande designen, dock, utgjorde en stor utmaning för tillverkning, kräver att teamet utvecklar ett exakt nanofabrikationsförfarande som involverar elektronstrålelitografi och snabb, reaktiv jonetsning vid hög temperatur.

"Med vårt designkoncept har vi, i princip, full kontroll över ljusets utgångsegenskaper, vilket gör att vi kan tillverka mer komplexa optiska komponenter som linser, virvelstrålegeneratorer, polarimetrar och hologram, säger Khaidarov.