07 janv.2023 (Actualités Nanowerk) Une densité de haute résolution, un large champ de vision (FoV), un facteur de forme léger et compact et une faible consommation d'énergie sont des exigences élevées pour les écrans de réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR). Par rapport aux écrans à cristaux liquides (LCD) et aux écrans à diodes électroluminescentes organiques (OLED), la microLED attire davantage l'attention en raison de sa luminosité maximale élevée, de son excellent état sombre, de sa densité haute résolution, de son petit facteur de forme et de sa longue durée de vie. D'autre part, à mesure que la taille de la puce diminue, l'efficacité de la microLED diminue en raison de défauts sur les parois latérales. Par conséquent, le compromis entre densité haute résolution et efficacité quantique externe (EQE) est un défi majeur pour appliquer la microLED en tant que moteur de lumière AR/VR, en plus du coût de fabrication élevé. Les LED à nanofils présentent un grand potentiel pour atteindre une densité haute résolution et un EQE élevé en même temps. Étant donné que chaque pixel est formé par un réseau de nanofils submicroniques, l'efficacité de la LED à nanofil est indépendante de la taille du pixel.
Fig. 1. (a) Schéma du modèle de simulation FDTD dans le plan xz. (b) Vue de dessus de la LED nanofil hexagonale bleue. ( c ) Spectres EL mesurés de LED à nanofil unique de différents diamètres. (© Opto-Electronic Science) En 2018, Aledia a rapporté une LED à nanofils dont l'EQE est indépendant de la taille du pas lorsque la taille du pas est réduite de 1000 µm à 5 µm. Parmi les différentes structures de nanofils, la LED hexagonale InGaN/GaN dot-in-wire est attrayante car sa longueur d'onde d'émission peut être contrôlée par le diamètre du fil et ses performances électriques sont excellentes. La première caractéristique réduit considérablement les difficultés de fabrication. Cependant, ces nanofils présentent des diagrammes de rayonnement angulaires différents pour les couleurs rouge, verte et bleue dans le champ lointain, ce qui entraîne un décalage de couleur angulaire notable. De plus, le moteur de lumière directionnel est préféré car le cône d'acceptation dans le système d'imagerie AR/VR est généralement à ± 20 °. Par conséquent, la géométrie du nanofil doit être optimisée pour obtenir simultanément des modèles de rayonnement correspondants pour les trois couleurs primaires, une efficacité d'extraction de la lumière élevée (LEE) et une distribution de luminance angulaire étroite. Les auteurs de cet article (Science opto-électronique, "DEL à nanofils directionnelles à haut rendement avec décalage de couleur angulaire réduit pour les écrans AR et VR") a optimisé la géométrie des LED à nanofils InGaN/GaN par nuage dipolaire 3D grâce à un logiciel commercial de simulation d'optique ondulatoire Finite-Difference Time-Domain (FDTD, Ansys inc.).
Fig. 2. (ac) Distribution angulaire 2D normalisée pour les LED non optimisées (a) bleues, (b) vertes et (c) rouges. ( d ) Comparaison de la distribution angulaire 1D normalisée entre les LED à nanofils non optimisées (lignes pleines) et optimisées (lignes pointillées). (e) Décalage de couleur moyen simulé de 0° à 30° d'angle de vision avant et après optimisation. (© Opto-Electronic Science) Ils proposent un modèle de LED dot-in-nanowire InGaN/GaN unique hexagonal multicolore basé sur les résultats expérimentaux de Ra. Ils ont défini un moniteur 3D grand boîtier et un moniteur petit boîtier pour calculer respectivement la puissance d'émission et la puissance dipolaire, ce qui définit l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE) par leur rapport. En outre, la carte de distribution en champ lointain est capturée par un moniteur de puissance 2D placé au-dessus de la structure. Comme indiqué sur la figure 1 (b), en raison de la symétrie hexagonale, ils simulent deux groupes de dipôles définis respectivement par un cercle inscrit et un cercle circonscrit. La longueur d'onde d'émission des sources dipôles suit les spectres d'émission mesurés non filtrés (lignes pleines sur la figure 1 (c)). Tous les trois nanofils sans filtres colorés ont une émission de lobes latéraux car la diffusion d'adatome d'indium est difficile à contrôler parfaitement. Comme indiqué dans les lignes en pointillés sur la figure 1(c), cette émission de lobe latéral est supprimée de manière spectaculaire après l'application de filtres de couleur. En considérant le système d'imagerie AR acceptant le cône, les auteurs définissent le LEE effectif comme étant le LEE à ± 20 °. Après optimisation, le LEE efficace des LED à nanofils bleu, vert et rouge passe de [9.3 %, 18.8 %, 30.6 %] à [10.0 %, 25.6 %, 33.0 %], respectivement.
Fig. 3. Comparaison entre l'EQE effectif calculé des nanofils LED (lignes pointillées horizontales) avec l'EQE mesuré de (a) les µLED InGaN bleues, (b) les µLED InGaN vertes et (c) les µLED AlGaInP rouges en fonction du diamètre de la mésa. Lignes pointillées verticales : EQE des µLED avec une taille de mésa de 10 µm. (© Opto-Electronic Science) En comparaison avec les µLED InGaN bleues et vertes dépendant de la taille et en supposant que 100 % de la lumière produite peut être couplée dans le système d'imagerie, leur LED à nanofil bleu présente de meilleures performances que les µLED dont la taille de mésa est plus petite supérieure à 10 µm, comme illustré à la Fig. 3(a). De plus, la figure 3 (b) indique que le LEE effectif des LED à nanofils vertes est encore plus élevé que celui de la µLED de 80 µm. Par rapport aux µLED rouges AlGaInP, leur LED à nanofil rouge est plus efficace que celle avec une taille de puce de 20 µm (Fig. 3 (c)). Remarquablement, par rapport à la taille mesa de 10 µm, la LED à nanofil bleu fournit une luminosité similaire, tandis que les LED à nanofil vert et rouge peuvent offrir respectivement une efficacité 1.6x et 1.4x plus élevée. Par conséquent, les LED à nanofils présentent une efficacité nettement supérieure à celle des µLED sous une petite taille de pixel et une densité à haute résolution.
Fig. 1. (a) Schéma du modèle de simulation FDTD dans le plan xz. (b) Vue de dessus de la LED nanofil hexagonale bleue. ( c ) Spectres EL mesurés de LED à nanofil unique de différents diamètres. (© Opto-Electronic Science) En 2018, Aledia a rapporté une LED à nanofils dont l'EQE est indépendant de la taille du pas lorsque la taille du pas est réduite de 1000 µm à 5 µm. Parmi les différentes structures de nanofils, la LED hexagonale InGaN/GaN dot-in-wire est attrayante car sa longueur d'onde d'émission peut être contrôlée par le diamètre du fil et ses performances électriques sont excellentes. La première caractéristique réduit considérablement les difficultés de fabrication. Cependant, ces nanofils présentent des diagrammes de rayonnement angulaires différents pour les couleurs rouge, verte et bleue dans le champ lointain, ce qui entraîne un décalage de couleur angulaire notable. De plus, le moteur de lumière directionnel est préféré car le cône d'acceptation dans le système d'imagerie AR/VR est généralement à ± 20 °. Par conséquent, la géométrie du nanofil doit être optimisée pour obtenir simultanément des modèles de rayonnement correspondants pour les trois couleurs primaires, une efficacité d'extraction de la lumière élevée (LEE) et une distribution de luminance angulaire étroite. Les auteurs de cet article (Science opto-électronique, "DEL à nanofils directionnelles à haut rendement avec décalage de couleur angulaire réduit pour les écrans AR et VR") a optimisé la géométrie des LED à nanofils InGaN/GaN par nuage dipolaire 3D grâce à un logiciel commercial de simulation d'optique ondulatoire Finite-Difference Time-Domain (FDTD, Ansys inc.).
Fig. 2. (ac) Distribution angulaire 2D normalisée pour les LED non optimisées (a) bleues, (b) vertes et (c) rouges. ( d ) Comparaison de la distribution angulaire 1D normalisée entre les LED à nanofils non optimisées (lignes pleines) et optimisées (lignes pointillées). (e) Décalage de couleur moyen simulé de 0° à 30° d'angle de vision avant et après optimisation. (© Opto-Electronic Science) Ils proposent un modèle de LED dot-in-nanowire InGaN/GaN unique hexagonal multicolore basé sur les résultats expérimentaux de Ra. Ils ont défini un moniteur 3D grand boîtier et un moniteur petit boîtier pour calculer respectivement la puissance d'émission et la puissance dipolaire, ce qui définit l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE) par leur rapport. En outre, la carte de distribution en champ lointain est capturée par un moniteur de puissance 2D placé au-dessus de la structure. Comme indiqué sur la figure 1 (b), en raison de la symétrie hexagonale, ils simulent deux groupes de dipôles définis respectivement par un cercle inscrit et un cercle circonscrit. La longueur d'onde d'émission des sources dipôles suit les spectres d'émission mesurés non filtrés (lignes pleines sur la figure 1 (c)). Tous les trois nanofils sans filtres colorés ont une émission de lobes latéraux car la diffusion d'adatome d'indium est difficile à contrôler parfaitement. Comme indiqué dans les lignes en pointillés sur la figure 1(c), cette émission de lobe latéral est supprimée de manière spectaculaire après l'application de filtres de couleur. En considérant le système d'imagerie AR acceptant le cône, les auteurs définissent le LEE effectif comme étant le LEE à ± 20 °. Après optimisation, le LEE efficace des LED à nanofils bleu, vert et rouge passe de [9.3 %, 18.8 %, 30.6 %] à [10.0 %, 25.6 %, 33.0 %], respectivement.
Fig. 3. Comparaison entre l'EQE effectif calculé des nanofils LED (lignes pointillées horizontales) avec l'EQE mesuré de (a) les µLED InGaN bleues, (b) les µLED InGaN vertes et (c) les µLED AlGaInP rouges en fonction du diamètre de la mésa. Lignes pointillées verticales : EQE des µLED avec une taille de mésa de 10 µm. (© Opto-Electronic Science) En comparaison avec les µLED InGaN bleues et vertes dépendant de la taille et en supposant que 100 % de la lumière produite peut être couplée dans le système d'imagerie, leur LED à nanofil bleu présente de meilleures performances que les µLED dont la taille de mésa est plus petite supérieure à 10 µm, comme illustré à la Fig. 3(a). De plus, la figure 3 (b) indique que le LEE effectif des LED à nanofils vertes est encore plus élevé que celui de la µLED de 80 µm. Par rapport aux µLED rouges AlGaInP, leur LED à nanofil rouge est plus efficace que celle avec une taille de puce de 20 µm (Fig. 3 (c)). Remarquablement, par rapport à la taille mesa de 10 µm, la LED à nanofil bleu fournit une luminosité similaire, tandis que les LED à nanofil vert et rouge peuvent offrir respectivement une efficacité 1.6x et 1.4x plus élevée. Par conséquent, les LED à nanofils présentent une efficacité nettement supérieure à celle des µLED sous une petite taille de pixel et une densité à haute résolution.
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