Emisi Multiwarna dari Struktur Nanopiramid Kuasikristal Fotonik Berbasis Ultraviolet GaN dengan Sumur Kuantum Ganda Semipolar InxGa1−xN/GaN
Abstrak
Dalam penelitian ini, kami mendemonstrasikan emisi multi-warna berkualitas tinggi area luas dari perangkat nanorod kuasikristal fotonik GaN simetris 12 kali lipat yang dibuat menggunakan teknologi litografi nanoimprint dan prosedur pertumbuhan kembali beberapa sumur kuantum. Panjang gelombang emisi warna biru dan hijau efisiensi tinggi 460 dan 520 nm dari Inx yang tumbuh kembali Ga1−x Beberapa sumur kuantum N/GaN diamati dalam kondisi pemompaan optik. Untuk mengkonfirmasi hubungan kuat antara emisi sumur kuantum dan mode resonansi tepi pita kristal fotonik, metode elemen hingga diterapkan untuk melakukan simulasi kisi kuasikristal fotonik simetri 12 kali lipat.
Latar Belakang
Bahan berbasis GaN dengan celah pita lebar dan sifat unik telah diterapkan di banyak sistem dan perangkat optoelektronik, termasuk dioda pemancar cahaya (LED) [1,2,3] dan dioda laser (LDs) [4, 5]. LED berbasis GaN telah diterapkan dalam sinyal lalu lintas, tampilan lampu latar [6,7,8], pencahayaan solid-state [9, 10], biosensor [11], dan optogenetika [12]. Salah satu tantangan untuk LED GaN tingkat lanjut adalah mewujudkan LED putih bebas fosfor, termasuk LED putih multichip, LED monolitik, dan LED putih konversi warna [13, 14]. LED nanorod berbasis GaN dengan dislokasi rendah, medan internal rendah, dan efisiensi ekstraksi cahaya tinggi [15, 16] bisa menjadi solusi yang memungkinkan. Berbagai pendekatan telah digunakan untuk meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya untuk LED III-nitrida, seperti permukaan kasar [17,18,19,20], lensa mikro safir [21], struktur mesa miring [22], nanopiramid [23], bergradasi bahan indeks bias [24], pola litografi rakitan sendiri [25], susunan lensa mikro berbasis koloid [26, 27], dan kristal fotonik [28,29,30,31]. Kristal fotonik telah dilaporkan dalam konfigurasi kisi dua dimensi (2D) quasicrystal atau cacat dan mengarah pada peningkatan efisiensi ekstraksi cahaya dalam LED [32,33,34,35]. Struktur kristal fotonik adalah periodik dengan simetri translasi. Struktur periodik dapat menunjukkan celah pita fotonik untuk menghambat propagasi mode terpandu dan menggunakan struktur kristal fotonik untuk menggabungkan mode terpandu dengan mode radiasi [36,37,38,39]. Laser kristal fotonik berdasarkan efek tepi pita memiliki beberapa keunggulan, seperti emisi daya tinggi, operasi mode tunggal, dan osilasi koheren [40,41,42]. Litografi E-beam dan litografi interferensi laser telah digunakan untuk menghasilkan struktur kristal fotonik [43, 44]. Selanjutnya, karena unit pemancar terpisah dan permukaan emisi saling berhadapan, cahaya dapat dicampur secara efektif. Dengan demikian, nanorods dianggap memiliki keuntungan besar untuk meningkatkan efisiensi bercahaya di wilayah emisi hijau-ke-merah, dan berbagai upaya telah diadopsi [45, 46].
Namun, nanoimprint lithography (NIL) menawarkan resolusi tingkat tinggi, biaya rendah, dan throughput yang tinggi dibandingkan dengan bentuk litografi lainnya termasuk interferensi laser dan litografi e-beam [47,48,49]. Dalam penelitian ini, kami mendemonstrasikan beberapa emisi warna dari struktur 2D photonic quasicrystal (PQC) berbasis GaN seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1. Struktur PQC dibuat menggunakan NIL [41, 42]. Luas total dari pola PQC adalah sekitar 4 cm × 4 cm(substrat safir 2 inci) dan memiliki simetri 12 kali lipat [50, 51], dengan konstanta kisi sekitar 750 nm, diameter 300 nm, dan kedalaman nanopilar adalah sekitar 1 m. Struktur PQC membentuk celah pita lengkap dengan pertumbuhan kembali piramida GaN setinggi 430 nm dan semipolar 10 pasang {10-11} Dix Ga1−x N/GaN (3 nm/12 nm) beberapa struktur nano sumur kuantum (MQW), seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1.
Struktur skema struktur PQC berbasis GaN dengan pertumbuhan kembali piramida semipolar {10-11} GaN dan 10-pasangan Inx Ga1−x N/GaN (3 nm/12 nm) MQW
Di bawah operasi pemompaan suhu kamar, perangkat mendemonstrasikan aksi laser dengan kepadatan daya ambang rendah dan emisi warna ganda secara bersamaan. Kami telah melaporkan aksi laser satu warna dari struktur GaN PQC [41, 42]. Platform PQC ini menunjukkan keunggulan dalam biaya fabrikasi yang rendah, dan integrasi material berbasis GaN yang lebih baik dengan sistem multi-warna. Di masa depan, laser berbasis GaN multi-warna dapat diharapkan dengan optimalisasi prosedur pertumbuhan kembali dan rongga kristal fotonik berkualitas tinggi.
Metode
Desain dan Pembuatan Sampel
Gambar 2 mengilustrasikan prosedur skema dari fabrikasi perangkat. Prosedur fabrikasi termasuk pertumbuhan epitaxial wafer GaN, NIL pola PQC, dan etsa kering. Material berbasis GaN ditumbuhkan dalam reaktor deposisi uap kimia metalorganik bertekanan rendah pada substrat safir C-plane (0001). Untuk menyiapkan permukaan substrat safir yang bersih, substrat direndam ke dalam larutan asam sulfat yang terbakar:asam fosfat = 3:1, kemudian panaskan gelas kimia hingga suhu konstan selama 1 jam. Substrat dibersihkan dengan air DI di bawah osilasi ultrasonik. GaN (tebal 1-μm) pertama kali ditanam pada substrat safir 2 inci pada 1160 °C. Sebuah 0,4-μm SiO2 masker dan masker polimer 0,2-μm kemudian diendapkan. Setelah film polimer kering, cetakan berpola dari struktur PQC 2 inci ditempatkan di atasnya dengan menerapkan tekanan tinggi (Gbr. 2. langkah 1). Substrat dipanaskan hingga lebih tinggi dari suhu transisi gelas polimer (Tg ). Substrat dan cetakan kemudian didinginkan sampai suhu kamar untuk melepaskan cetakan. Pola PQC didefinisikan pada lapisan polimer (Gbr. 2, langkah 2). Pola tersebut kemudian dipindahkan ke dalam SiO2 lapisan dengan etsa ion reaktif (RIE) dengan menggunakan CHF3 /O2 campuran (Gambar, langkah 3). SiO2 lapisan digunakan sebagai topeng keras. Struktur tersebut kemudian digores menggunakan RIE plasma yang digabungkan secara induktif dengan Cl2 /Ar campuran. Topeng SiO2 lapisan telah dihapus pada akhir proses etsa (Gbr. 2, langkah 4).
Skema proses fabrikasi struktur GaN PQC. Termasuk pertumbuhan epitaxial wafer GaN (langkah 1), NIL pola PQC (langkah 2), etsa kering (langkah 3 dan 4), dan struktur MQW piramida-pada-nanorod setelah pertumbuhan kembali (langkah 5)
Sebelum proses penumbuhan kembali, sampel dipasifkan dengan SiO berpori2 di dinding samping nanopilar. Struktur GaN berbentuk piramida ditumbuhkan kembali di atas nanopilar GaN pada 730 °C. Piramida setinggi 0,43 m berisi 10 pasang Inx Ga1-x Sumur kuantum N/GaN (3 nm/12 nm), yang mendukung panjang gelombang yang berbeda dari emisi warna biru dan hijau, dengan rasio komposisi:Inx Ga1−x Variasi fraksi InN yang bergantung pada N/GaN. Di0.1 Ga0,9 MQW N/GaN dan Dalam0,3 Ga0,7 N/GaN MQWs berhubungan dengan panjang gelombang emisi 460- dan 520-nm, masing-masing (Gbr. 2, langkah 5). Kedalaman etsa nanorods adalah sekitar 1 m, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3a. Gambar 3b, c menunjukkan gambar SEM dari struktur PQC dengan SiO2 berpori2 lapisan dan semipolar {10-11} Dalamx Ga1−x N/GaN MQW. Gambar 3d menampilkan perbesaran semipolar {10-11} Padax Ga1−x N/GaN MQW dengan aspek struktur mikro trapesium. Bidang {10-11} semipolar dapat mengurangi pengaruh efek Stark terbatas kuantum pada efisiensi kuantum LED karena stabilitas permukaan dan penekanan efek polarisasi [52,53,54,55].
a Gambar SEM sudut pandang ubin dari struktur PQC. b Gambar SEM penampang struktur PQC dengan SiO2 berpori2 . c Gambar SEM tampilan atas dari struktur PQC setelah prosedur pertumbuhan kembali. d Memperbesar citra SEM semipolar {10-11} Dalamx Ga1−x N/GaN MQW dengan aspek struktur mikro trapesium
Untuk mempelajari sifat optik PQC berbasis GaN dengan struktur nanopyramid, dua sampel GaN PQC disiapkan:A, In0,1 Ga0,9 MQW N/GaN, dan B, Dalam0,3 Ga0,7 MQW N/GaN dengan fabrikasi pertumbuhan kembali. Selama langkah pertumbuhan kembali, suhu adalah kunci untuk mengontrol rasio komposisi indium. Suhu kontrol biru Dalam0,1 Ga0,9 N adalah 760–780 °C, dan suhu kontrol hijau In0,3 Ga0,7 N adalah 730–740 °C.
Hasil dan Diskusi
Untuk mendemonstrasikan mode optik dari struktur quasicrystal fotonik, sampel A dan B dipompa secara optik oleh laser He-Cd gelombang kontinu (CW) pada 325 nm dengan kekuatan insiden sekitar 50 mW. Emisi cahaya dari perangkat dikumpulkan oleh lensa objektif 15 × melalui serat multimode, dan digabungkan ke dalam spektrometer dengan detektor perangkat yang dipasangkan dengan muatan. Gambar 4a mengilustrasikan spektrum PL yang diukur di bawah pemompaan laser He-Cd 325 nm CW. Spektrum kurva hitam adalah pancaran cahaya dengan panjang gelombang 366 nm dari struktur PQC berbasis GaN yang ditampilkan pada Gambar 3a. Kedua sampel A (kurva biru) dan B (kurva hijau) memiliki puncak emisi yang kuat yang sesuai dengan panjang gelombang masing-masing sekitar 460 dan 520 nm, yang dihasilkan dari Inx Ga1-x Struktur MQW N/GaN. Lebar garis spektrum sampel A dan B berturut-turut adalah 40 dan 60 nm. Gambar 4a juga menampilkan foto-foto struktur PQC sampel A dan B selama pengukuran. Koordinat CIE PL dari sampel A dan B berturut-turut adalah (0,19, 0,38) dan (0,15, 0,07), seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4b. Dengan demikian, platform hybrid ini memiliki beberapa kemungkinan untuk LED multiwarna. Perlu diperhatikan bahwa puncak sampel B lebih lebar daripada puncak sampel A pada Gambar 4a. Spektrum luas yang sedikit dari sampel B dikaitkan dengan adanya cacat dan dislokasi yang dihasilkan oleh komposisi indium yang lebih tinggi [56,57,58].
a Spektrum PL dari nanorod material berbasis GaN (hitam), sampel A (biru) dan B (hijau). b Foto struktur PQC sampel A dan B selama pengukuran yang sesuai dengan koordinat CIE masing-masing (0,19, 0,38) dan (0,15, 0,07)
Untuk mengkonfirmasi mode resonansi optik adalah mode tepi pita PQC, metode elemen hingga (FEM) [59, 60] digunakan untuk melakukan simulasi untuk kisi quasicrystal fotonik simetri 12 kali lipat. Spektrum transmisi yang dihitung dari PQC dengan sudut datang bersama dengan 0, 5°, 10°, 15°, 20°, dan 25° seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a disajikan pada Gambar 5b. Karena simetri kisi PQC ini, spektrum akan berulang untuk setiap sudut datang 30°. Nilai transmisi yang tinggi dalam spektrum (warna biru) menunjukkan bahwa sinyal insiden digabungkan ke mode resonansi kisi PQC yang merupakan area diagram pita. Daerah transmisi rendah (warna kuning) menunjukkan beberapa celah pita fotonik (PBG) dari struktur PQC. Rasio transmisi tinggi ke rendah lebih dari empat urutan yang menunjukkan kisi PQC mengambil efek kuat untuk memilih mode propagasi di perangkat. Tindakan penguat yang diamati terjadi di sekitar tepi pita struktur pita PQC, yang merupakan batas antara rezim transmisi tinggi dan transmisi rendah pada Gambar. 5b. Kurva dispersi datar di dekat tepi pita menyiratkan kecepatan grup yang rendah dari cahaya dan lokalisasi yang kuat dan mengarah pada tindakan penguat perangkat. PBG ini cocok dengan panjang gelombang emisi Inx Ga1−x N/GaN dengan frekuensi normalisasi yang sesuai adalah a/λ 0.88, 1.0, dan 1.25 yang diberi label sebagai mode M1 , M2 , dan M3 . Dengan penggabungan antara resonansi tepi pita PQC dan emisi dari lapisan InGaN/GaN, efisiensi emisi dan ekstraksi cahaya pada panjang gelombang tertentu akan lebih ditingkatkan. Tindakan penguat dari GaN digabungkan ke frekuensi tinggi M3 dapat dicapai di bawah eksitasi yang cukup seperti demonstrasi kami sebelumnya [43, 45]. Untuk Di0.1 . yang tumbuh kembali Ga0,9 N dan Dalam0,3 Ga0,7 N yang digabungkan ke M2 dan M1 , emisi cahaya biru dan hijau akan ditingkatkan. Oleh karena itu, memanfaatkan sambungan antara mode optik dari struktur PQC dan Inx Ga1−x N/GaN, LED multiwarna yang efisien, LD dapat diwujudkan dalam platform hybrid tersebut. Panjang nanorod dalam kisi kristal fotonik juga penting untuk menghasilkan peningkatan warna berkualitas tinggi. Dalam penelitian ini, untuk mencapai peningkatan warna berkualitas tinggi, panjang nanorod kristal fotonik diukir hingga 1000 nm yang lebih dari empat kali panjang gelombang efektif. Untuk mewujudkan emisi multiwarna dari satu perangkat PQC di masa mendatang, beberapa prosedur pertumbuhan kembali harus ditambahkan dalam proses epitaxial.
a Duplikat spektrum untuk setiap sudut datang 30° karena simetri struktur PQC. b Spektrum transmisi 12 kali lipat kisi fotonik quasicrystal simetri, dihitung oleh FEM sesuai dengan mode resonansi tepi pita yang berbeda
Kesimpulan
Singkatnya, nanopilar GaN PQC simetris 12 kali lipat dibuat menggunakan teknologi NIL. Emisi warna biru dan hijau efisiensi tinggi dari Inx Ga1−x MQW N/GaN dicapai dengan prosedur pertumbuhan kembali bagian atas Inx Ga1−x N/GaN MQWs tumbuh pada faset ini, dengan rasio komposisi In:Inx Ga1−x Variasi fraksi InN yang bergantung pada N/GaN. Puncak emisi teramati pada panjang gelombang 366-, 460-, dan 520-nm yang dihasilkan dari In0.1 Ga0,9 MQW N/GaN dan Dalam0,3 Ga0,7 MQW N/GaN, masing-masing. Mode emisi ini sesuai dengan mode resonansi tepi pita dari struktur GaN PQC dengan simulasi FEM. Metode fabrikasi menunjukkan potensi besar untuk menjadi teknik berbiaya rendah untuk fabrikasi semipolar {10-11} Dix Ga1−x N/GaN LED untuk digunakan dalam pembuatan sumber cahaya warna-warni. Kami percaya bahwa laser quasicrystal fotonik berbasis GaN dapat diintegrasikan ke dalam sistem sumber cahaya multiwarna di masa depan.
Ketersediaan data dan materi
Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
