Multikleur lichtgeneratie in UV-GaN fotonische kwasicristal nanopyramides met semipolaire InGaN/GaN quantum wells

Samenvatting

We rapporteren grootoppervlakte, hoge-kwaliteit multikleur emissie uit een 12-voudig symmetrisch GaN fotonische kwasicristal nanostaf array gefabriceerd via nano-imprint lithografie en een hergroei proces. Optische pumping van InₓGa₁₋ₓN/GaN meervoudige quantum wells (MQWs) produceert efficiënt blauw (460 nm) en groen (520 nm) licht. Finite-element simulaties bevestigen sterke koppeling tussen de MQW emissie en de fotonische kristal bandrand resonanties.

Achtergrond

Wijde-bandgap GaN materialen vormen de basis voor een breed spectrum opto-elektronische apparaten – van LEDs en laserdiodes tot biosensoren en optogenetische tools. Een sleuteluitdaging blijft de realisatie van fosfor-vrije witte LEDs, wat kan worden bereikt via multichip, monolithische of kleurconversie architecturen. GaN nanostaf LEDs, vanwege hun lage defectdensiteit, gereduceerde interne elektrische velden en superieure licht-uitkoppelingsefficiëntie, bieden een overtuigende route naar dit doel.

Talrijke strategieën zijn verkend om de uitefficiëntie in III-nitride LEDs te verhogen, waaronder oppervlakte texturering, safier microlenzen, schuine mesa ontwerpen, nanopyramides, gegraceerde-index lagen, zelf-geassembleerde lithografie, colloïdale microlens arrays en fotonische kristallen. Fotonische kristallen, met name kwasicristal of deféctueze twee-dimensionale configuraties, hebben opvallende verbeteringen in licht-uitkoppeling getoond door fotonische bandgaten te openen die geguidde modus in radiatieve modus omleiden. Recente studies hebben ook bandrand-effecten in fotonische-kristal lasers benut om hoge-vermogen, single-mode, coherente emissie te bereiken.

Terwijl elektronenbundel- en laser-interferentie lithografie ingewikkelde fotonische-kristal patronen kunnen produceren, biedt nano-imprint lithografie (NIL) vergelijkbare resolutie met lagere kosten en hogere doorvoer, wat het aantrekkelijk maakt voor grootoppervlakte fabricatie. In dit werk demonstreren we multikleur emissie uit een GaN-gebaseerde twee-dimensionale fotonische kwasicristal (PQC) structuur gefabriceerd door NIL. Het 4 cm × 4 cm PQC patroon, met 12-voudige symmetrie, heeft een roosterconstante van ~750 nm, pijlerdiameter van 300 nm en een diepte van ~1 µm. Hergroei van 430-nm-hoge GaN pyramides en tien-paren semipolaire {10-11} InₓGa₁₋ₓN/GaN MQWs (3 nm/12 nm) op deze pijlers compleet de apparaatarchitectuur.

Onder kamertemperatuur optische pumping vertoont het apparaat laseractie met een lage drempel terwijl tegelijkertijd meerdere kleuren worden geëmiteerd. Eerder werk van onze groep rapporteerde single-kleur lasing uit GaN PQC structuren; hier breiden we dat platform uit naar multikleur operatie, wat de kosteneffectiviteit en integreerbaarheid van de NIL-gebaseerde fabricatiebenadering benadrukt.

Methoden

Ontwerp en Fabricatie van het Monster

Figuur 2 schetst de fabricatiestroom: (1) epitaxiale groei van een GaN wafer op een C-vlak safier substraat met behulp van lage-druk metaal-organische chemische dampdepositie; (2) NIL van het PQC patroon op een SiO₂/PMMA bilayermas; (3) overdracht van het patroon in de SiO₂ laag door reactieve-ionen etching (CHF₃/O₂); en (4) geïnduceerde gekoppelde plasma etching (Cl₂/Ar) van de GaN om de nanostaf array te vormen. Na patroonoverdracht worden de zijwanden van de nanopijlers gepassiveerd met poreuze SiO₂. Vervolgende hergroei bij 730 °C creëert 430-nm-hoge GaN pyramides getopt met tien-paren InₓGa₁₋ₓN/GaN MQWs (3 nm/12 nm). Twee composities worden gebruikt: In₀.₁Ga₀.₉N/GaN voor blauw (460 nm) en In₀.₃Ga₀.₇N/GaN voor groen (520 nm). De etch diepte van de nanostaven is ~1 µm.

SEM imaging bevestigt de PQC geometrie en de semipolaire MQW facetten, zoals getoond in Figuren 3a–3d. De {10-11} semipolaire vlakken mitigeren het quantum-confined Stark effect, wat de radiatieve efficiëntie verhoogt.

Resultaten en Discussie

Monsters A (In₀.₁Ga₀.₉N) en B (In₀.₃Ga₀.₇N) werden optisch gepompt met een 325 nm CW He-Cd laser (~50 mW). Photoluminescentie (PL) spectra (Figuur 4a) tonen duidelijke pieken bij 460 nm en 520 nm, met lijndiktes van 40 nm en 60 nm respectievelijk. De CIE coördinaten (0,19, 0,38) voor het blauwe monster en (0,15, 0,07) voor het groene monster bevestigen hoge-kleurzuiverheid emissie. Het bredere groene spectrum ontstaat door defecten geïntroduceerd bij hogere indiuminhoud.

Finite-element simulaties (Figuur 5b) onthullen transmissiespectra voor invalshoeken 0–25°, herhalend elke 30° door de 12-voudige symmetrie. Hoog-transmissie regio's corresponderen met bandrand resonanties (M₁, M₂, M₃) die uitgelijnd zijn met de MQW emissiegolflengtes (a/λ ≈ 0,88, 1,0, 1,25). Koppeling tussen deze resonanties en de MQW emissie verbetert de uitefficiëntie en verlaagt lasingdrempels. De nanostaf lengte (~1 µm) overschrijdt vier keer de effectieve golflengte, wat sterke modusconfinement garandeert.

Deze bevindingen tonen aan dat een enkel PQC apparaat tegelijkertijd blauwe en groene lasing kan ondersteunen, wat de weg baant voor geïntegreerde multikleur lichtbronnen.

Conclusies

We hebben een 12-voudig symmetrisch GaN PQC nanostaf array gefabriceerd door NIL en efficiënte blauwe (460 nm) en groene (520 nm) emissie bereikt van semipolaire InₓGa₁₋ₓN/GaN MQWs gegroeid op 430-nm GaN pyramides. De emissiepieken samenvallen met de PQC bandrand resonanties voorspeld door FEM, wat sterke licht-materie koppeling bevestigt. Het lage-kosten, schaalbare NIL proces en de inherente voordelen van semipolaire MQWs maken dit platform veelbelovend voor fosfor-vrije, multikleur LEDs en laserdiodes.