Verbetering van lichtextractie-efficiëntie van InGaN/GaN LEDs met dip-drop gefabriceerde polystyreen nanokogel arrays

Samenvatting

Wij demonstreren een kosteneffectieve dip-drop methode gecombineerd met post-depositie etching om een periodieke polystyreen nanokogel (PS NK) array op indium-tin-oxide (ITO) glas te fabriceren. De monolayer array fungeert als een fotonische kristal venster dat de lichtextractie-efficiëntie (LEE) van InGaN/GaN licht-emitterende diodes (LEDs) verbetert. Door de dip-drop snelheid en PS NK suspensieconcentratie af te stemmen, bereiken wij een 100-nm-diameter array met 100-nm periodes in zowel de x- als y-richting. De geoptimaliseerde structuur verhoogt de LED-uitgang met 38% bij 20 mA, wat de effectiviteit van de benadering voor schaalbare LED-fabricage bevestigt.

Achtergrond

Fotonische kristallen (FKs) worden routinematig ingezet om de prestaties van opto-elektronische apparaten zoals LEDs, zonnecellen en fotodetectors te verbeteren. FKs creëren een periodieke brekingsindex-modulatie op de golflengteschaal, wat geleide modus kan diffracteren naar radiatieve kanalen. Hoewel hoge-index contrast FKs een volledige bandkloof kunnen openen, is praktische implementatie in LEDs beperkt door fabricagecomplexiteit en materiaalbeperkingen. Een alternatieve strategie is om de periodiciteit van de FK te gebruiken om de in-plaats golffector van geleid licht in de ontsnappingskegel te verschuiven, waardoor de lichtextractie-efficiëntie (LEE) toeneemt.

GaN-gebaseerde LEDs lijden onder een ernstig licht-inperkingsprobleem omdat de kritische hoek voor totale interne reflectie (TIR) aan de GaN/lucht interface slechts ~23° is. Gevolgelijk wordt de externe kwantumefficiëntie (EQE) gedomineerd door LEE. Talrijke benaderingen — inclusief getekstureerde safiersubstraten, gepatroneerde GaN-oppervlakken en zijwand-verruwing — zijn verkend, maar elk confronteert praktische uitdagingen zoals chemische schade of beperkte schaalbaarheid.

Zelf-geassembleerde PS NK coatings bieden een veelbelovende, goedkope alternatief. Ze kunnen over grote gebieden gedeponeerd worden met minimale apparatuur en vereisen geen hoge-temperatuurverwerking of agressieve etching. In dit werk bestuderen wij systematisch de dip-drop depositie van PS NK monolagen op ITO, optimaliseren de suspensieconcentratie en dip-drop snelheid, en demonstreren een 38% LEE-verbetering in InGaN/GaN LEDs.

Experimenteel

Dip-drop methode

De dip-drop opstelling bestaat uit een glasreservoir met een regelbare uitlaatklep. Een gedioniseerd water–PS NK colloïdale mengsel wordt geroerd om een doelconcentratie te bereiken, waarna het ITO-gecoate substraat door de vloeistof wordt gelowerd bij een voorgeschreven snelheid. Typische PS NK formaten gebruikt waren 100, 200 en 500 nm, gedilueerd tot concentraties van 4,1×10¹¹, 5,1×10¹⁰ en 3,2×10⁹ kogels cm⁻³, respectievelijk.

Na depositie worden de substraten bij kamertemperatuur gedroogd voor ~1,5 uur. Zuurstofplasmabehandeling (0–10 s) wordt ingezet om het oppervlak hydrofiel te maken, wat PS NK adhesie optimaliseert terwijl excessieve ITO-schade vermeden wordt.

LED Fabricage

InGaN/GaN blauwe LEDs werden op c-vlak safier gegroeid door MOCVD. De structuur omvat een lage-temperatuur GaN buffer, zwaar Si-gedoteerde n-GaN, InGaN/GaN MQWs, en Mg-gedoteerde p-GaN. ITO werd gedeponeerd op de p-GaN laag als transparante geleider. Mesa-isolatie (300 × 300 µm²) werd gedefinieerd door fotolithografie, en Ti/Pt/Au contacten werden geallieerd bij 450 °C voor 5 min. De voltooide wafers werden vervolgens gedoopt in de PS NK suspensie om de monolayer array te vormen.

Resultaten en Discussie

Scanning elektronenmicroscopie (SEM) onthulde dat de PS NK rangschikking zeer gevoelig is voor dip-drop snelheid. Bij hoge snelheden (0,05 mL s⁻¹) zijn de deeltjes gedispergeerd; het verminderen van de snelheid tot 0,01 mL s⁻¹ levert een losjes gepakte laag op, terwijl 0,005 mL s⁻¹ een dicht gepakte monolayer produceert. Grotere kogels (200–500 nm) zelf-assembleren gemakkelijker dan 100-nm deeltjes bij dezelfde snelheid door sterkere capillairkrachten.

Suspensieconcentratie regeert ook de bedekking. Concentraties onder 4,1×10¹¹ kogels cm⁻³ voor 100-nm PS NKs laten gaten; boven 5,4×10¹¹ kogels cm⁻³ verandert de monolayer in multilagen, wat de transmissie vermindert. Dus, de optimale condities voor een compacte monolayer waren 0,005 mL s⁻¹ en 4,1×10¹¹ kogels cm⁻³ (100-nm), 5,1×10¹⁰ kogels cm⁻³ (200-nm), en 3,2×10⁹ kogels cm⁻³ (500-nm).

Eindige-differentie tijdsdomein (FDTD) simulaties tonen aan dat een 100-nm PS NK monolayer met 100-nm periodes in beide richtingen de hoogste geëxtraheerde lichtintensiteit biedt, wat de gesimuleerde LEE verbetert met ~40% ten opzichte van een kaale LED. De verbetering ontstaat uit de diffractieve verschuiving van de in-plaats golffector in de ontsnappingskegel.

Experimenteel vertoonden LEDs met de geoptimaliseerde PS NK venster een 38% toename in lichtuitgang bij 20 mA (van 112,9 mcd tot 148,0 mcd). I-V kenmerken bleven ongewijzigd, wat bevestigt dat het depositieproces het elektrische gedrag niet verandert. LEDs met ongerangschikte of multilagen PS NK arrays presteerden slechts iets beter of slechter dan het kaale apparaat, wat het belang van een regelmatige monolayer benadrukt.

Uniformiteit over de wafer was uitstekend: de standaarddeviatie van de LEE-verbetering was 1,4%, en variaties in voorwaartse spanning en lichtuitgang waren onder 3%. Elektroluminescentiespectra toonden een sterkere, nauwere piek bij 465,5 nm voor de PS NK-verbeterde LEDs, wat verminderde re-absorptie en verbeterde uitkoppeling weerspiegelt.

Conclusie

Wij hebben een eenvoudig, schaalbaar dip-drop protocol vastgesteld om een periodieke PS NK monolayer op ITO te fabriceren, dienend als een effectief fotonisch kristal venster voor InGaN/GaN LEDs. Het optimaliseren van dip-drop snelheid (0,005 mL s⁻¹) en suspensieconcentratie (4,1×10¹¹ kogels cm⁻³ voor 100-nm PS NKs) levert een 100-nm array met 100-nm periodes op die de LEE verhoogt met 38% bij 20 mA. Deze methode is compatibel met standaard LED-processen, vereist geen hoge-temperatuurstappen en is geschikt voor grootschalige productie.

Afkortingen

EQE

Externe kwantumefficiëntie

FDTD

Eindige-differentie tijdsdomein

ITO

Indium-tin-oxide

I-V

Stroom-spanning

LED

Licht-emitterende diode

LEE

Lichtextractie-efficiëntie

L-I

Lichtuitgang-intensiteit-stroom

FKs

Fotonische kristallen

PS NK

Polystyreen nanokogel

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

TIR

Totale interne reflectie