Directe groei van op III-nitride nanodraad gebaseerde gele lichtgevende diode op amorf kwarts met behulp van dunne Ti-tussenlaag

Resultaten en discussie

Structurele en optische karakterisering van nanodraden gekweekt op kwarts

De nanodraadstructuur bestaat uit ~ 90 nm n-GaN, vijf paar ~ 7 nm dikke InGaN-kwantumschijf en ~ 14 nm dikke barrière, en ~ 60 nm p-GaN. Figuur 1a toont een bovenaanzicht van een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) afbeelding van nanodraden met hoge dichtheid. De nanodraden hebben een typische laterale afmeting van ~ 100 nm en een lengte van ~ 250 nm. De dichtheid van de nanodraden wordt statistisch berekend als ~ 9 × 10 ⁹ cm ⁻² , met een vulfactor van 78%. Hoewel een zekere mate van samensmelting tussen verschillende nanodraden kan worden waargenomen, lijken de meeste nanodraden onsamenhangend. De groeiomstandigheden werden geoptimaliseerd met behulp van een tweestapsgroeimethode die de initiële GaN-zaadkiemvorming en nanodraadgroei scheidde [26]. Door deze methode te gebruiken, waren we in staat om hoogwaardige nanodraad met maximale nanodraaddichtheid te kweken, terwijl de coalescentie tussen nanodraden werd geminimaliseerd, wat nadelig is voor de prestaties van het apparaat vanwege niet-stralingsdefecten op de coalescentieplaatsen [27].

een Bovenaanzicht SEM van zoals gegroeid InGaN/GaN nanodraden gegroeid op kwarts. b Hoge vergrotingsweergave van helderveld TEM uit het p-GaN-gebied, dat de kristalliniteit van de nanodraad laat zien. Inzet toont het selectieve gebiedselektronendiffractiepatroon uit de nanodraad. c HAADF-afbeelding van een enkele nanodraad en d bijbehorende EDX-kaart voor Ga, e Ti, en f samengestelde elementaire mapping. Schaalbalk komt overeen met 25 nm. g Hoge vergrotingsweergave van de interface tussen de nanodraadbasis, tussenlaag en substraat. Rode pijl geeft de richting aan voor de elementaire mapping. u Overeenkomstige EDX- en EELS-resultaten die de verandering in elementaire samenstelling over de materiaalinterfaces laten zien. De EDX-resultaten worden gladgestreken om ruis te verwijderen

Hoge resolutie helderveldtransmissie-elektronenmicroscoop (TEM) afbeelding van de nanodraad wordt getoond in figuur 1b, samen met het overeenkomstige selectieve gebiedsdiffractiepatroon dat in de inzet wordt getoond. Het diffractiepatroon is een indicatie van de kristalliniteit van de nanodraad, en toont het hoogwaardige GaN-materiaal van de groei op een niet-overeenkomend roostersubstraat. Hoge-hoek ringvormige donkere veld (HAADF) afbeelding van een enkele nanodraad samen met de bijbehorende elementaire mapping wordt getoond in figuur 1c-f. Het HAADF-beeld toont vijf InGaN-quantumschijf (qdisk) inserties als het actieve gebied, aangegeven door helderdere plekken in de nanodraad. Aan de basis van de nanodraad is een puinachtige laag te zien. Deze laag is de overblijfselen van het oorspronkelijke GaN-nanodraadzaad dat niet uitgroeit tot nanodraad vanwege het schaduweffect. Elementaire mapping laat zien dat de nanodraden bovenop de Ti-tussenlaag groeien en niet direct bovenop het kwartssubstraat.

De TEM-elementaire mapping op de interface tussen de nanodraad, tussenlaag en kwartssubstraat wordt ook getoond in Fig. 1g-h om een ​​beter begrip te krijgen van de samenstelling van de interface. Elementaire mapping voor Ga, Ti en Si werd uitgevoerd met behulp van energiedispersieve röntgenanalyse (EDX), terwijl elementaire mapping voor O en N werd uitgevoerd met behulp van elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS). Elementaire mapping uitgevoerd op de interface bevestigt dat het bovenste deel van de Ti-laag gedeeltelijk werd omgezet in TiN tijdens de groei in de MBE-kamer, zoals aangegeven door de gelijktijdige aanwezigheid van Ti en N bovenop de tussenlaag. De TiN-laag wordt geschat op ~  10 nm dik. De GaN-kiemvorming en nanodraadgroei vinden dan plaats bovenop de TiN-laag. Het EELS-resultaat toont het bestaan ​​van een zuurstofsignaal over de TiN/Ti-laag. Dit wordt veroorzaakt door de spontane vorming van natuurlijk TiO₂ film als het TEM-monster na bereiding aan lucht wordt blootgesteld [28]. De directe kiemvorming op TiN is voordelig voor ons apparaatontwerp, aangezien is aangetoond dat TiN in staat is tot gelijktijdige transparantie en geleidbaarheid [29], terwijl het ook de kwaliteit verbetert van GaN dat erop groeit [30] en als een reflector werkt op langere golflengten [31].

De optische kenmerken van de op kwarts gekweekte nanodraden werden gemeten met een μ -PL-opstelling met 325-nm-excitatie van een HeCd-laser. Bij kamertemperatuur, μ -PL spectra vertonen een brede piek. De brede lijnbreedte is een veelvoorkomend kenmerk van III-nitride-nanodraden vanwege de inherente structurele en compositorische inhomogeniteit tussen individuele nanodraden [32]. De temperatuurafhankelijke μ -PL in Fig. 2a laat zien dat van 77 tot 300 K, μ -PL-spectra zijn roodverschoven en verbreden met toenemende temperatuur. De piekgolflengte en FWHM voor verschillende gemeten temperaturen worden getoond in figuur 2b. De roodverschuiving is te wijten aan Varshni-effectgerelateerde temperatuurafhankelijke bandgap-krimp, terwijl de piekverbreding met een toename van de temperatuur te wijten is aan de koppeling van excitonen met akoestische fononen [33]. De vermindering van de piekintensiteit die wordt waargenomen bij toenemende temperatuur wordt veroorzaakt door de toename van niet-stralingsrecombinatie als gevolg van de activering van niet-stralingsrecombinatiecentra bij verhoogde temperatuur, en dragers die voldoende thermische energie verkrijgen om aan de kwantumschijf te ontsnappen om niet-stralingsvrij te recombineren. De resultaten van de machtsafhankelijke μ -PL-experiment bij 300 K (figuur 2c) laat zien dat de spectra een verwaarloosbare blauwverschuiving vertonen met toenemend excitatievermogen. De afwezigheid van blauwverschuiving kan worden toegeschreven aan de vermindering van het piëzo-elektrische veld en het kwantumbegrensde Stark-effect (QCSE) binnen de kwantumschijven veroorzaakt door radiale spanningsrelaxatie in nanodraadstructuren [34].

een Temperatuurafhankelijk PL-meetresultaat van 77 tot 300 K. b Verandering van piekgolflengte en FWHM voor temperatuurafhankelijke PL-meting. c Vermogensafhankelijk μ -PL-meting uitgevoerd bij 77 K, wat wijst op een verminderd kwantumbegrensd Stark-effect

Om de haalbaarheid te verifiëren van de nanodraden gekweekt op een amorf kwartsmonster voor transparante apparaattoepassingen, vergeleken we de transmissie van een kwartssubstraat gecoat met 20 nm Ti, een kwartssubstraat gecoat met Ti dat gedeeltelijke nitridatie heeft ondergaan, en als gegroeide nanodraden op kwartsmonster. Het kale kwartssubstraat zelf heeft een transmissie van ~  93% over het zichtbare golflengtespectrum. De meetresultaten zijn weergegeven in Fig. 3a. Voor kale kwartssubstraat bedekt met 20 nm Ti (figuur 3b), is de transmissie slechts ~ -22%. Na nitridatie (Fig. 3c) neemt de transmissie aanzienlijk toe met meer dan 20%, als gevolg van de vorming van een TiN-laag, zoals bevestigd door de TEM-resultaten. Na nanodraadgroei (figuur 3d) wordt de transmissie gedeeltelijk verminderd door lichtabsorptie uit het actieve gebied van de InGaN-kwantumschijf [35]. Voor een golflengte die korter is dan de GaN-emissiegolflengte, nadert de transmissie nul omdat de GaN-nanodraden zelf ook het doorgelaten licht zullen absorberen. De optische foto's van kwartssubstraat gecoat met 20 nm Ti, kwartssubstraat met TiN/Ti-laag, als gegroeide nanodraden op kwarts en gefabriceerd apparaat worden ter vergelijking getoond in Fig. 3b-e.

een Resultaten van transmissiemetingen voor kaal kwarts, kwartssubstraat gecoat met 20 nm Ti, kwartssubstraat gecoat met TiN/Ti-laag en als gegroeid nanodraadmonster op kwarts. b Optische foto van kwarts bekleed met 20 nm Ti; c kwarts bedekt met Ti dat gedeeltelijke nitridatie heeft ondergaan; d zoals gegroeid nanodraadmonster; en e gefabriceerd LED-apparaat op kwarts

Apparaatkarakterisering

We hebben de nanodraden die op kwarts zijn gekweekt, verwerkt in LED's. De fabricagestappen worden weergegeven in Afb. 4. De gedetailleerde fabricagestappen worden beschreven in het gedeelte 'Methoden'.

Fabricagestappen voor de nanodraden op kwarts LED

De LED-structuur afgebeeld in Fig. 5a bestaat uit de volgende lagen:het Ni/Au-contactkussen, Ni/ITO transparante stroomverspreidende laag, GaN-nanodraden met vijf InGaN-kwantumschijven ingebed in diëlektrisch vulmateriaal (paryleen C), en een onderste TiN /Ti tussenlaag. De onderste TiN/Ti-tussenlaag fungeert als een doorschijnende contactlaag.

een Schema van het gefabriceerde LED-apparaat. b Optische foto van de nanodraden op kwarts-LED onder voorwaartse bias. c L -Ik -V kenmerk van de led. d Elektroluminescentiespectra van de LED onder variërende injectiestroom. e Verandering van FWHM en piekgolflengtepositie van de LED met toenemende voorwaartse bias. v Relatieve externe kwantumefficiëntie van de LED, met efficiëntiedaling bij hogere injectiestroom als gevolg van stroomophoping en junctieverwarming

Afbeelding 5 toont de elektrische karakteriseringsresultaten van de a 500 μ m ×500 μ m -formaat nanodraad-op-kwarts apparaat. De inschakelspanning, door lineaire extrapolatie van het lineaire gebied van de V -Ik curve, werd vastgesteld op ~ 2,6 V. De inschakelweerstand (~ 300 Ω ) hoger is dan die van op nanodraad gebaseerde LED-apparaten die zijn vervaardigd op een silicium- en metalen platform, voornamelijk vanwege de beperkte geleidbaarheid van de dunne TiN/Ti-laag in combinatie met de spontane vorming van isolerend TiO₂ laag [36]. Wanneer de transparantie van het apparaat niet van cruciaal belang is, kan de inschakelweerstand worden verbeterd door vóór de groei een dikkere Ti-tussenlaag aan te brengen. Het lichtopbrengstvermogen weergegeven in het resultaat van de L -Ik meting is relatief laag, omdat alleen licht wordt opgevangen dat loodrecht op het apparaatvlak wordt uitgestraald. De lichtemissie van het apparaat in figuur 5b laat zien dat een deel van het door het apparaat uitgestraalde licht zich koppelt aan het omringende kwartssubstraatgebied en gedeeltelijk wordt terugverstrooid loodrecht op het substraatvlak, wat resulteert in een lage lichtextractie-efficiëntie. Dit resultaat benadrukt echter ook de mogelijkheid om de nanodraad-op-kwarts-LED te gebruiken als basis voor een volledig optisch circuit op een glazen platform door de koppeling en geleiding van fotonen in het kwartssubstraat zorgvuldig te ontwerpen.

Elektroluminescentie (EL) meetresultaten in Fig. 5d, e tonen een brede emissielijnbreedte van meer dan 120 nm. De elektroluminescentiepiek komt goed overeen met de kamertemperatuur μ -PL-meting. Bij een lage injectiestroomdichtheid, ongeveer bij het inschakelen, vertoont de LED een brede spectrale emissie nabij de rode golflengte. Met toenemende injectiestroom verschuift het spectrum blauw van 650 nm naar 590 nm, waardoor afstemming op de chip over het rood-amber-gele kleurenregime wordt gerealiseerd. De blauwverschuiving in piekgolflengte is gerelateerd aan het progressieve bandvuleffect waarbij bij een hoge injectiestroom het elektron de hogere energietoestand begint te vullen en recombineert, wat resulteert in emissie bij een kortere piekgolflengte. Bij hogere injectiestroom is de blauwverschuiving van de piekgolflengte verzadigd, als gevolg van concurrentie tussen blauwverschuiving en roodverschuiving veroorzaakt door de toename van de junctietemperatuur. Met behulp van een kwantum-schijf-in-nanodraadstructuur wordt het polarisatieveld verminderd door trekontlasting, waardoor de realisatie van een gele LED-apparaat mogelijk is, wat een uitdaging is om te bereiken met een planair, op kwantumbron gebaseerd apparaat.

De berekening van de relatieve externe kwantumefficiëntie (EQE) die wordt weergegeven in figuur 5f, laat zien dat de kwantumefficiëntie verzadigt bij ~ -20 mA voordat deze begint af te nemen. Deze vermindering in efficiëntie wordt veroorzaakt door de combinatie van beperkte stroomspreiding en junctieverwarmingseffect, vanwege de lage thermische diffusie van kwarts, wat resulteert in warmte-opbouw en efficiëntie-roll-over in het apparaat [37]. Om de junctieverwarming in het apparaat te onderzoeken, werd een OptoTherm-infraroodcamera gebruikt om de apparaattemperatuur onder elektrische injectie direct te observeren. We hebben temperatuurmetingen uitgevoerd op twee verschillende pixels, aangegeven met nummer 2 en 3 in de inzet van Fig. 6a. Voor Fig. 6a worden echter alleen meetgegevens van punt 2 weergegeven. Bij een stroominjectie van 35 mA is de temperatuur van het apparaat al hoger dan 60 °C, wat merkbaar hoger is in vergelijking met apparaten die op silicium en metaal zijn gegroeid. Afbeelding 6b–d toont de warmteverdeling rond het apparaat bij 5, 10, 20 en 30 mA. Bij hogere injectiestroom is te zien dat warmte niet efficiënt wordt afgevoerd, maar zich in plaats daarvan ophoopt in het gebied rond het apparaat. Verder gedetailleerd ontwerp van een efficiënt fonon-transportmedium, dat compatibel is met het huidige platform buiten deze proof of concept-demonstratie, is vereist.

Apparaattemperatuurmeting met de OptoTherm infraroodcamera. een Verandering van de apparaattemperatuur met toenemende injectiestroom. Inzet toont infraroodbeeld van de apparaatstructuur zonder vooringenomenheid en aangepaste kleurenbalk. Het meetpunt wordt aangegeven door het cijfer 2 en het paarse kruis. Infraroodbeeld dat overeenkomt met de temperatuur van het apparaat en de omgeving bij een injectiestroom van b 5, c 10, d 20, en e 30mA. De resultaten geven aan dat de warmte zich concentreert in het gebied rond het apparaat

Kleurmengexperiment

Een CCT-afstembare witte lichtbron van hoge kwaliteit speelt een belangrijke rol in consumentenelektronica, aangezien is aangetoond dat de blauwe lichtcomponent op het elektronische display leidt tot onderdrukking van melatonine, waardoor het menselijk circadiane ritme effectief wordt verstoord [38, 39]. Gebruikmakend van de breed afstembare spectrale kenmerken van het apparaat, hebben we een praktische toepassing gedemonstreerd van een breed CCT-afstembare generatie van wit licht in een transmissieconfiguratie. We gebruikten de nanodraad-op-kwarts-LED als het actieve, breed afstembare element met de rode, groene en blauwe (RGB) laserdiodes (LD's) als secundaire lichtbronnen. Een voordeel van het gebruik van een op nanodraad gebaseerde gele lichtbron voor het genereren van wit licht is de inherente brede emissie, wat leidt tot een hoge kleurweergave-index (CRI). Door gebruik te maken van de gele LED in combinatie met lasers, konden we een breed CCT-afstembaar wit licht ontwerpen. De opstelling van de kleurmengopstelling wordt als volgt beschreven.

Eerst worden de uitgangen van de RGB LD's gecombineerd met behulp van een Thorlabs driekanaals golflengte-combiner en gecollimeerd met behulp van een collimerende lens. Vervolgens wordt de gecollimeerde bundel gereflecteerd met behulp van een 45°-spiegel op de achterkant van de nanodraad-op-kwarts-LED en vervolgens door de bovenzijde van de LED geleid. Ten slotte wordt de detector direct boven de nanodraad-op-kwarts-LED geplaatst om het resulterende licht met gemengde kleuren te verzamelen. Een schema van het apparaat wordt getoond in Fig. 7a. Een GL Spectis 5.0-aanraakspectrometer werd gebruikt om de CRI- en CCT-waarden te verwerken op basis van de International Commission on Illumination (CIE) 1931-standaard.

Experiment met kleurmenging. een Opstelling van het kleurmengexperiment met vermelding van de rode, groene en blauwe LD's en het gele nanowireon-kwarts-apparaat. Inzet toont optische foto van LED onder laserverlichting. b Verandering in CCT en CRI met variërende LED-injectiestroom. c Verandering in CCT en CRI met variërende LD-injectiestroom. Golflengtespectrum en CIE 1931-kaart voor een kleurmengconfiguratie met d een blauwe LD met gele nanodraad-op-kwarts LED en e RGB LD's met gele nanodraad-op-kwarts LED

In het eerste experiment werd de bundel van een blauwe LD gecombineerd met het gele licht van de gele LED. Om de hoogst mogelijke CRI-waarde te verkrijgen, werden de biasstromen van de LD en LED aanvankelijk gevarieerd, wat een CRI-waarde van 74,5 opleverde met een CCT-waarde van 6769 K. Deze waarde is veel hoger dan ons vorige resultaat met behulp van een blauwe LD/YAG:Ce ³⁺ fosfor voor het genereren van wit licht [40]. Om de kleurafstembaarheid aan te tonen, werd ofwel de LED- ofwel de LD-bias gevarieerd, uitgaande van de biaswaarde die de hoogste CRI produceerde. Afbeelding 7b, c toont het effect van het aanpassen van de biasstroom op de CRI- en CCT-waarden. We waren in staat om de kleurtemperatuur af te stemmen van 2800 K tot meer dan 7000 K met behoud van een CRI-waarde boven 55. Afbeelding 7d toont het spectrum van de hoogst bereikte CRI, waarbij de inzet de verandering in de CIE 1931-coördinaat toont door de biasstroom te variëren . Verdere verbetering van de CRI-waarde werd gemaakt met behulp van RGB LD's in combinatie met de gele LED. Wanneer alleen de RGB LD's worden gebruikt zonder de gele LED-spectrumcomponent, hebben we een CRI-waarde van 55,4 verkregen. Door de gele spectrumcomponent op te nemen, konden we wit licht van hoge kwaliteit verkrijgen met een CCT-waarde van 7300 K en een CRI-waarde van 85,1 (Fig. 7e), wat aanzienlijk hoger is.

Door gebruik te maken van de nanodraad-op-kwarts-LED in combinatie met het laserdiodesysteem, zijn we in staat om een ​​breed CCT-afstembare witte lichtbron te ontwerpen zonder het probleem van fosfordegradatie [41]. Door de spectrale karakteristieken van elke golflengte afzonderlijk te regelen, is fijnafstemming van witlichtkarakteristieken mogelijk. Bovendien is het genereren van wit licht op basis van laserdioden gunstiger in vergelijking met op LED gebaseerd vanwege de hogere efficiëntie en het potentiële kostenvoordeel [42].