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| 超紧凑显示像素:隧道结纳米线光子晶体激光器

| Ultracompact display pixels: Tunnel junction nanowire photonic crystal laser

• 作者：Yong-Ho Raa, Cheul-Ro Leeb

• 韩国陶瓷工程技术研究院光电元件材料中心、全北国立大学工程学院先进材料工程学

• 文献来源：Nano enery https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105870

                            论文摘要                                           

       视觉现实 (VR) 和增强现实 (AR) 显示器需要具有更小尺寸、更窄间距和垂直光束角的超高清像素。不幸的是，由于光源发散角较宽，micro-LED 器件在减小像素间距方面面临着无法克服的挑战。垂直腔表面发射激光器正在成为未来高清显示应用中最有希望的候选者。

       本文首次展示了使用一种电注入的无 DBR 表面发射光子晶体激光器的显示器。本文还首次介绍了一种隧道结纳米线结构在表面发射光子晶体激光系统中的应用。通过使用隧道结，高电p- GaN/金属接触被完全去除。

       光子带边缘模式的光子晶体效应消除了DBR 的使用，这对于激光设备是必不可少的。进一步证明，通过控制纳米线的间距可以很容易地扩展光谱线宽。

       此外，已证实这种可扩展的光谱线宽在 12-375 K 的不同温度范围内几乎保持不变，这对显示的色彩精度至关重要。通过电注入无DBR 表面发射光子晶体激光器件实现了间距为10 µm 和像素尺寸为4 µm2 的超紧凑微型显示器。

①

       III族氮化物微LED是智能手表、智能手机、视觉现实和增强现实设备必不可少的微显示的关键组件。由于这类设备通常用于小空间或靠近眼睛的地方，特别是AR/VR微显示器，需要超小型LED。微型LED必须具有高亮度、高分辨率和刷新率。

       然而，制造工艺中自上而下蚀刻过程中不可避免地导致了严重的损伤，大大提高了非辐射复合，从而严重降低了发光效率。随着微型LED尺寸的减小，这些问题变得难以置信地严重。

       更重要的是，要实现高分辨率的微显示，必须显著降低微LED的谱线宽度。基于III族氮化物的垂直腔面发射激光器(VCSELs)具有单纵模、低阈值电流、发散受限的圆形输出光束以及与二维阵列的理想集成等优势，是显示光源的理想选择。

       VCSEL的一个重要组成部分是分布式布拉格反射器(DBR)，它由多个交替层的折射率差异相对较大的材料组成，可以提供非常高的反射率。然而，GaN基DBR在LED结构制备中，表现出较高的电阻, 体积比增大。以及由于极化场和位错导致的较高的阈值电压。

       在这篇论文中，作者首次展示使用电注入无DBR表面发射光子晶体激光器的显示器件。本文还首次介绍了一种隧道结纳米线结构在表面发射光子晶体激光系统中的应用。这种超小型激光器件将是未来高清晰度显示应用中最有前途的候选器件。

       作者首先研究了纳米线结构中存在 InGaN 隧道结并明确了 InGaN 量子阱。

图1 (a)选择性区域生长过程的示意图。(b)隧道结InGaN纳米线异质结构的扫描电镜图像，面积为5µm × 5µm。(c) 隧道结InGaN纳米线结构的设计。(d)典型InGaN隧道结纳米线异质结构的高角度环形暗场原子数对比图。(e)图1d中标记的InGaN/GaN活性区域的高倍图像和EDS线剖面图。(f) InGaN隧道结区的高倍图像和EDS线轮廓。

②

       验证了通过光腔模式中的珀塞尔效应，可以显著降低辐射寿命，从而显著提高内部量子效率。

图2 (a)通过二维有限元法模拟计算横向磁(TM)极化的光子带结构。(b)三维时域有限差分法计算的带边模 λ = 488 nm。(c)光子晶体隧道结纳米线和常规InGaN/GaN纳米线的室温光致发光光谱。(d)光子晶体隧道结纳米线异质结构和常规InGaN/GaN纳米线的内部量子效率随注入功率的变化。

③

       在室温连续波条件下，获得了~0.83 nm的最窄线宽。并且，测量的激光阈值电流明显低于以前报道的GaN vcsel。

图 3（a）隧道结-光子晶体LD器件示意图。插图:激光的电致发光图像。(b)隧道结-光子晶体LD器件和标准纳米线LD器件的电流-电压(I-V)特性。(c)在室温(300k)连续偏置条件下，不同注入电流测量的电致发光光谱。(d)集成EL强度随注入电流的变化。

④

       研究人员发现这种表面发射激光的高度稳定发射性直接源于InGaN光子晶体效应的边模式，与器件的工作条件无关。这一结果为纳米级光子激光器件实现超高颜色精度像素提供了一条可行的途径。

图 4 （a）不同间距光子晶体纳米线测量的俯视图SEM图像。(b)光子晶体异质结构纳米线不同间距下的电致发光光谱。(c)光子晶体纳米线不同间距下波长发射峰随温度的变化。

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       该显示器有望拥有超高的清晰度和分辨率，以及高度稳定的色彩准确性，低功耗和长寿命。这项工作为显示器的设计和开发开辟了一条新的途径，使显示器的性能不再受像素间距和像素大小的限制。

图 5 (a)隧道结-光子晶体LD器件在1.5 kA/cm2电流密度下的极化电致发光光谱。偏振比为~0.73。(b)利用三维FDTD方法模拟隧道结-光子晶体LD结构的远场辐射图。(c)使用10㎛间距隧道结-光子晶体LD器件的微显示像素阵列示意图。(d)由隧道结-光子晶体LD器件排列的超紧凑显示像素的光学显微镜图像。

结论：

       作者成功地开发了一种电注入无DBR表面发射光子晶体激光器的最小显示像素。在表面发射光子晶体激光系统中引入了隧道结纳米线结构。

       使用该隧道结，高电阻p-GaN/金属接触被完全去除。此外，利用光子带边模式研究光子晶体效应消除了DBR的原理。验证了通过控制纳米线的间距，可以很容易地扩展谱线宽度。

       此外，在12-375 K的不同温度范围内，这种可扩展的谱线宽度几乎保持不变，这对颜色精度至关重要。利用该技术实现了间距为10µm、像素大小为4µm2的超紧凑微显示器件。

       这种超小型激光设备将是未来高清晰显示应用的最有前途的候选设备，包括投影显示、成像、光谱学、通信和传感。

（来源：显示之窗，转载请注明出处）