home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Meerkleurige emissie van op ultraviolet GaN gebaseerde fotonische quasicrystal nanopiramidestructuur met semipolaire InxGa1−xN/GaN meerdere kwantumbronnen

Abstract

In deze studie hebben we een hoogwaardige meerkleurige emissie met een groot oppervlak aangetoond van het 12-voudige symmetrische GaN-fotonische quasicrystal nanorod-apparaat dat is gefabriceerd met behulp van de nano-imprint-lithografietechnologie en de procedure voor hergroei van meerdere kwantumputjes. Zeer efficiënte blauwe en groene kleuremissiegolflengten van 460 en 520 nm van de hergroeide Inx Ga1−x N/GaN meerdere kwantumputten werden waargenomen onder optische pompomstandigheden. Om de sterke koppeling tussen de kwantumbronemissies en de fotonische kristalband-edge resonantiemodi te bevestigen, werd de eindige-elementenmethode toegepast om een ​​simulatie uit te voeren van de 12-voudige symmetrie fotonische quasikristalroosters.

Achtergrond

De op GaN gebaseerde materialen met de brede bandafstand en unieke eigenschappen waren toegepast in veel opto-elektronische systemen en apparaten, waaronder lichtemitterende diodes (LED's) [1,2,3] en laserdiodes (LD's) [4, 5]. De op GaN gebaseerde LED's zijn toegepast in verkeerslichten, achtergrondverlichting [6,7,8], solid-state verlichting [9, 10], biosensoren [11] en optogenetica [12]. Een van de uitdagingen voor de geavanceerde GaN-LED's is het realiseren van fosforvrije witte LED's, waaronder witte multichip-LED's, monolithische LED's en witte kleurconversie-LED's [13, 14]. Op GaN gebaseerde nanostaaf-LED met lage dislocatie, laag intern veld en hoge lichtextractie-efficiëntie [15, 16] zou een mogelijke oplossing kunnen zijn. Er zijn verschillende benaderingen gebruikt om de lichtextractie-efficiëntie voor III-nitride-LED's te verhogen, zoals ruwe oppervlakken [17,18,19,20], saffiermicrolenzen [21], schuine mesastructuur [22], nanopiramides [23], brekingsindexmaterialen [24], zelf-geassembleerde lithografiepatronen [25], op colloïdale gebaseerde microlensarrays [26, 27] en fotonische kristallen [28,29,30,31]. Fotonische kristallen zijn gerapporteerd in quasikristal of defecte tweedimensionale (2D) roosterconfiguraties en leiden tot verbeterde lichtextractie-efficiëntie in LED's [32,33,34,35]. De fotonische kristalstructuur is periodiek met translatiesymmetrie. De periodieke structuur kan een fotonische bandgap vertonen om de voortplanting van geleide modi te remmen en gebruikt een fotonische kristalstructuur om geleide modi te koppelen aan stralingsmodi [36,37,38,39]. Fotonische kristallasers op basis van het band-edge-effect hebben verschillende voordelen, zoals krachtige emissies, single-mode werking en coherente oscillatie [40,41,42]. E-bundellithografie en laserinterferentielithografie zijn gebruikt om de fotonische kristalstructuur te produceren [43, 44]. Bovendien kan het licht effectief gemengd worden doordat de emitterende eenheden gescheiden zijn en de emissieoppervlakken naar elkaar gericht zijn. Zo worden nanostaafjes beschouwd als een groot voordeel voor het verbeteren van de lichtefficiëntie in het groen-naar-rode emissiegebied, en er zijn talloze inspanningen geleverd [45, 46].

Nanoimprint-lithografie (NIL) biedt echter een hoge resolutie, lage kosten en hoge doorvoer in vergelijking met andere vormen van lithografie, waaronder laserinterferentie en e-beam-lithografie [47,48,49]. In deze studie hebben we de meervoudige kleurenemissie aangetoond van een op GaN gebaseerde 2D fotonisch quasicrystal (PQC) -structuur zoals geïllustreerd in Fig. 1. De PQC-structuur werd gefabriceerd met behulp van NIL [41, 42]. Het totale oppervlak van het PQC-patroon is ongeveer 4 cm × 4 cm (2 inch saffiersubstraat) en had een 12-voudige symmetrie [50, 51], met een roosterconstante van ongeveer 750 nm, een diameter van 300 nm, en de diepte van de nanopilaren is ongeveer 1 m. De PQC-structuur vormde een complete band gap met de hergroei van 430 nm hoge GaN-piramides en 10-paar semipolaire {10-11} Inx Ga1−x N/GaN (3 nm/12 nm) meerdere quantum well (MQW) nanostructuren, zoals geïllustreerd in Fig. 1.

Schematische structuur van op GaN gebaseerde PQC-structuur met de hergroei van semipolaire {10-11} GaN-piramides en 10-paar Inx Ga1−x N/GaN (3 nm/12 nm) MQW

Bij pompwerking op kamertemperatuur demonstreert het apparaat laseractie met een lage drempelvermogensdichtheid en gelijktijdige emissie van meerdere kleuren. We hadden de eenkleurige laseractie van de GaN PQC-structuur gerapporteerd [41, 42]. Dit PQC-platform biedt de voordelen van lage fabricagekosten en een betere integratie van op GaN gebaseerd materiaal met meerkleurensystemen. In de toekomst kunnen de meerkleurige GaN-gebaseerde lasers worden verwacht met de optimalisatie van de hergroeiprocedure en de hoogwaardige fotonische kristalholte.

Methoden

Ontwerp en fabricage van monster

Figuur 2 illustreert de schematische procedures van de fabricage van het apparaat. De fabricageprocedures omvatten epitaxiale groei van een GaN-wafer, NIL van PQC-patronen en droog etsen. Het op GaN gebaseerde materiaal werd gekweekt in een lagedruk metaal-organische chemische dampafzettingsreactor op een C-vlak (0001) saffiersubstraat. Om een ​​schoon oppervlak van het saffiersubstraat voor te bereiden, werd het substraat ondergedompeld in een brandende oplossing van zwavelzuur:fosforzuur = 3:1, waarna het bekerglas gedurende 1 uur op een constante temperatuur werd verwarmd. Het substraat werd gereinigd met DI-water onder ultrasone oscillatie. Een GaN (1 m dik) werd eerst gekweekt op een 2-inch saffiersubstraat bij 1160 ° C. Een 0,4 μm SiO2 masker en 0,2 m polymeermasker werden vervolgens afgezet. Nadat de polymeerfilm droog was, werd er een patroonvorm van een 2-inch PQC-structuur op geplaatst door hoge druk uit te oefenen (Fig. 2. stap 1). Het substraat werd verwarmd tot hoger dan de glasovergangstemperatuur van het polymeer (T g ). Het substraat en de mal werden vervolgens afgekoeld tot kamertemperatuur om de mal vrij te maken. De PQC-patronen werden gedefinieerd op de polymeerlaag (Fig. 2, stap 2). De patronen werden vervolgens overgebracht naar een SiO2 laag met reactieve ionenetsing (RIE) met behulp van een CHF3 /O2 mengsel (Figuur, stap 3). De SiO2 laag werd gebruikt als een hard masker. De structuur werd vervolgens geëtst met behulp van inductief gekoppelde plasma-RIE met een Cl2 /Ar mengsel. Het masker van SiO2 laag werd verwijderd aan het einde van het etsproces (Fig. 2, stap 4).

Het schema van het fabricageproces van de GaN PQC-structuur. Inclusief epitaxiale groei van een GaN-wafer (stap 1), NIL van PQC-patronen (stap 2), droog etsen (stappen 3 en 4) en piramide-op-nanorods MQW-structuur na hergroei (stap 5)

Vóór het hergroeiproces werd het monster gepassiveerd met poreus SiO2 aan de zijwand van de nanopilaren. De piramidevormige GaN-structuren werden bij 730 ° C opnieuw op de GaN-nanopilaren gekweekt. De 0,43-μm hoge piramides bevatten 10-paar Inx Ga1-x N/GaN (3 nm/12 nm) kwantumbronnen, die verschillende golflengten van blauwe en groene kleuremissie ondersteunden, met de verhouding van in samenstelling:Inx Ga1−x N/GaN-afhankelijke InN-fractievariaties. In0.1 Ga0.9 N/GaN MQW's en In0.3 Ga0,7 N/GaN MQW's kwamen overeen met respectievelijk 460- en 520 nm emissiegolflengten (Fig. 2, stap 5). De etsdiepte van de nanostaafjes was ongeveer 1 m, zoals geïllustreerd in figuur 3a. Figuur 3b, c toont de SEM-beelden van de PQC-structuur met het poreuze SiO2 laag en een semipolaire {10-11} Inx Ga1−x N/GaN MQW. Afbeelding 3d toont de vergroting van semipolaire {10-11} Inx Ga1−x N/GaN MQW met de facetten van trapeziumvormige microstructuren. De semipolaire {10-11}-vlakken kunnen de invloed van het kwantumbegrensde Stark-effect op de kwantumefficiëntie van LED's verminderen vanwege de oppervlaktestabiliteit en onderdrukking van polarisatie-effecten [52,53,45,55].

een Het betegelde SEM-beeld van de PQC-structuur. b Het SEM-beeld in dwarsdoorsnede van de PQC-structuur met poreus SiO2 . c Bovenaanzicht SEM-beeld van de PQC-structuur na de hergroeiprocedure. d Vergrotende SEM-afbeelding van semipolaire {10-11} Inx Ga1−x N/GaN MQW met de facetten van trapeziumvormige microstructuren

Om de optische eigenschappen van de op GaN gebaseerde PQC met nanopiramidestructuur te bestuderen, werden twee GaN PQC-monsters bereid:A, In0.1 Ga0.9 N/GaN MQW's, en B, In0.3 Ga0,7 N/GaN MQW's met hergroei fabricage. Tijdens de hergroeistap is de temperatuur de sleutel om de verhouding van de indiumsamenstelling te regelen. De controletemperatuur van blauw In0.1 Ga0.9 N is 760–780 °C en de controletemperatuur van groen In0.3 Ga0,7 N is 730–740 °C.

Resultaten en discussie

Om de optische modus van de fotonische quasikristalstructuur te demonstreren, werden monsters A en B optisch gepompt door een continue-golf (CW) He-Cd-laser bij 325 nm met een invallend vermogen van ongeveer 50 mW. De lichtemissie van het apparaat werd verzameld door een 15 × objectief via een multimode-vezel en gekoppeld aan een spectrometer met ladingsgekoppelde apparaatdetectoren. Figuur 4a illustreert de gemeten PL-spectra onder He-Cd 325 nm CW-laserpompen. Het spectrum van de zwarte curve is de lichtemissie met een golflengte van 366 nm van de op GaN gebaseerde PQC-structuur die wordt weergegeven in figuur 3a. Beide monsters A (blauwe curve) en B (groene curve) hadden een sterke emissiepiek die overeenkwam met golflengten van respectievelijk ongeveer 460 en 520 nm, als gevolg van de Inx Ga1-x N/GaN MQWs-structuur. De spectrumlijnbreedten van de monsters A en B waren respectievelijk 40 en 60 nm. Figuur 4a toont ook foto's van de PQC-structuur van monsters A en B tijdens de meting. De CIE-coördinaten van PL van monsters A en B waren respectievelijk (0,19, 0,38) en (0,15, 0,07), zoals geïllustreerd in figuur 4b. Zo heeft dit hybride platform meerdere mogelijkheden voor meerkleurige leds. Opgemerkt moet worden dat de piek van monster B breder is dan die van monster A in figuur 4a. Het lichte brede spectrum van monster B werd toegeschreven aan het bestaan ​​van defecten en dislocaties die werden gegenereerd door de hogere indiumsamenstelling [56,57,58].

een PL-spectra van de nanostaafjes van op GaN gebaseerd materiaal (zwart), monsters A (blauw) en B (groen). b Foto's van de PQC-structuur van monsters A en B tijdens meting die overeenkomen met de CIE-coördinaten van respectievelijk (0,19, 0,38) en (0,15, 0,07)

Om te bevestigen dat de optische resonantiemodi de PQC-band-edge-modi waren, werd de eindige-elementenmethode (FEM) [59, 60] gebruikt om een ​​simulatie uit te voeren voor de 12-voudige symmetrie fotonische quasikristalroosters. De berekende transmissiespectra van de PQC met invalshoeken samen met 0, 5°, 10°, 15°, 20° en 25° zoals aangegeven in Fig. 5a worden weergegeven in Fig. 5b. Vanwege de symmetrie van deze PQC-roosters zouden de spectra zich herhalen voor elke invalshoek van 30 °. De hoge transmissiewaarde in de spectra (blauwe kleur) geeft aan dat het invallende signaal gekoppeld is aan de PQC-roosterresonantiemodi die de banddiagramgebieden zijn. De gebieden met lage transmissie (gele kleur) geven verschillende fotonische bandgaten (PBG's) van de PQC-structuur aan. De verhouding van hoge tot lage transmissie is meer dan vier orde, wat aantoont dat de PQC-roosters het sterke effect hebben om de voortplantingsmodi in het apparaat te selecteren. De waargenomen laseracties vinden plaats rond de bandranden van de PQC-bandstructuur, die de grenzen zijn tussen de regimes met hoge transmissie en lage transmissie in figuur 5b. De vlakke dispersiecurve nabij de bandrand impliceert een lage groepssnelheid van licht en sterke lokalisatie en leidt tot de laserwerking van de apparaten. Deze PBG's kwamen overeen met de emissiegolflengte van Inx Ga1−x N/GaN met de corresponderende genormaliseerde frequentie zijn a/λ ≈ 0,88, 1,0 en 1,25 die werden aangeduid als modus M1 , M2 , en M3 . Met de koppeling tussen de PQC-bandrandresonanties en de emissie van de InGaN/GaN-lagen, zou de emissie-efficiëntie en de lichtextractie bij de specifieke golflengte verder worden verbeterd. De laserwerking van GaN gekoppeld aan de hoogfrequente M3 kan worden bereikt onder voldoende opwinding als onze vorige demonstratie [43, 45]. Voor de hergroeide In0.1 Ga0.9 N en In0.3 Ga0,7 N die gekoppeld is aan M2 en M1 , zou de emissie van blauw en groen licht worden versterkt. Daarom gebruikmakend van de koppeling tussen de optische modi van de PQC-structuur en Inx Ga1−x N/GaN, efficiënte veelkleurige LED's, LD's zouden in zo'n hybride platform kunnen worden gerealiseerd. De lengte van de nanostaafjes in fotonische kristalroosters is ook belangrijk om de hoogwaardige kleurverbetering te genereren. In deze studie werd, om kleurverbetering van hoge kwaliteit te bereiken, de lengte van de fotonische kristal nanostaaf geëtst tot 1000 nm, wat meer is dan vier keer de effectieve golflengte. Om in de toekomst de meerkleurige emissie van een enkel PQC-apparaat te realiseren, moeten de meervoudige hergroeiprocedures worden toegevoegd aan het epitaxiale proces.

een Dubbele spectra voor elke invalshoek van 30 ° vanwege de symmetrie van de PQC-structuur. b Transmissiespectrum van de 12-voudige symmetrie fotonische quasikristalroosters, berekend door FEM die overeenkomt met verschillende band-edge resonantiemodi

Conclusies

Samenvattend werd een 12-voudige symmetrische GaN PQC-nanopilaren gefabriceerd met behulp van de NIL-technologie. Zeer efficiënte blauwe en groene kleuremissies van Inx Ga1−x N/GaN MQW's werden bereikt met de hergroeiprocedure van de bovenste Inx Ga1−x N/GaN MQW's gegroeid op deze facetten, met een In-samenstellingsverhouding:Inx Ga1−x N/GaN-afhankelijke InN-fractievariaties. De emissiepieken werden waargenomen rond de 366-, 460- en 520 nm golflengte als gevolg van In0.1 Ga0.9 N/GaN MQW's en In0.3 Ga0,7 N/GaN MQW's, respectievelijk. Deze emissiemodi komen overeen met de band-edge resonante modi van de GaN PQC-structuur met FEM-simulatie. De fabricagemethoden toonden een groot potentieel om een ​​goedkope techniek te zijn voor het vervaardigen van semipolaire {10-11} Inx Ga1−x N/GaN LED voor gebruik bij de productie van meerkleurige lichtbronnen. Wij zijn van mening dat op GaN gebaseerde fotonische quasikristallasers in de toekomst kunnen worden geïntegreerd in meerkleurige lichtbronsystemen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. De atoomherschikking van op GaN gebaseerde meerdere kwantumbronnen in H2/NH3 gemengd gas voor het verbeteren van structurele en optische eigenschappen
    2. Heldere enkelvoudige fotonbron op 1,3 μm gebaseerd op InAs Bilayer Quantum Dot in Micropillar
    3. Bismut Quantum Dots in gegloeide GaAsBi/AlAs Quantum Wells
    4. Endotheelcellen targeten met multifunctionele GaN/Fe-nanodeeltjes
    5. Monodispergerende koolstofnanosferen met hiërarchische poreuze structuur als elektrodemateriaal voor supercondensator
    6. Een eenvoudige aanpak voor het synthetiseren van fluorescerende koolstofkwantumstippen uit tofu-afvalwater
    7. Uitgesproken fotovoltaïsche reactie van meerlaagse MoTe2-fototransistor met asymmetrisch contactformulier
    8. Optimale siliciumdoteringslagen van kwantumbarrières in de groeireeks die een zacht opsluitingspotentieel vormen van acht-periode In0.2Ga0.8N/GaN Quantum Wells of Blue LED's
    9. Frequentiemodulatie en absorptieverbetering van THz-microbolometer met microbrugstructuur door spiraalvormige antennes
    10. Bijna efficiëntie-Droop-Free AlGaN-gebaseerde ultraviolette lichtemitterende diodes met een speciaal ontworpen superrooster p-Type elektronenblokkerende laag voor hoge Mg-dopingefficiëntie
    11. Verwijdering van antibiotica uit water met een koolstofvrij 3D-nanofiltratiemembraan