Pembuatan Cahaya Multicolor dalam Nanopyramida Kuasikristal Fotonik UV-GaN dengan Kuas Bril Semipolar InGaN/GaN
Abstrak
Kami melaporkan emissi multicolor berkualitas tinggi dan luas area dari array nanorod kuasikristal fotonik GaN dengan simetri 12 lipat yang diproduksi melalui litografi nanoimprint dan proses regrowth. Pompa optik dari kuas bril majemik InₓGa₁₋ₓN/GaN (MQW) menghasilkan cahaya biru (460 nm) dan hijau (520 nm) yang efisien. Simulasi elemen hingga mengonfirmasi kopling yang kuat antara emissi MQW dan resonansi tepi band kristal fotonik.
Latar Belakang
Material GaN dengan bandwidth lebar mendasari berbagai perangkat optoelektronik—dari LED dan dioda laser hingga biosensor dan alat optogenetik. Tantangan utama yang tetap adalah realisasi LED putih bebas fosfor, yang dapat dicapai melalui arsitektur multichip, monolitik, atau konversi warna. LED nanorod GaN, karena kepadatan cacat rendah, medan listrik internal yang diminu, dan efisiensi ekstraksi cahaya yang unggul, menawarkan jalur yang menjanjikan menuju tujuan ini.
Banyak strategi telah dieksplorasi untuk meningkatkan efisiensi ekstraksi dalam LED nitrida III–V, termasuk tekstur permukaan, mikrolensa safir, desain meja miring, nanopyramida, lapisan indeks tergradien, litografi yang dirancang sendiri, array mikrolensa koloidal, dan kristal fotonik. Kristal fotonik, terutama konfigurasi kuasikristal atau dua dimensi yang cacat, telah menunjukkan perbaikan yang đáng perhatian dalam ekstraksi cahaya dengan membuka ganggu band fotonik yang mengarahkan mode terpandu menjadi radiatif. Studi terbaru juga memanfaatkan efek tepi band dalam laser kristal fotonik untuk mencapai emissi kohesif tunggal mode dengan daya tinggi.
Meskipun litografi sinar elektron dan interferensi laser dapat menghasilkan pola kristal fotonik yang rumit, litografi nanoimprint (NIL) menawarkan resolusi yang sebanding dengan biaya lebih rendah dan throughput yang lebih tinggi, menjadikannya menarik untuk pembuatan luas area. Dalam karya ini, kami menunjukkan emissi multicolor dari struktur kuasikristal fotonik dua dimensi berbasis GaN yang diproduksi oleh NIL. Pola PQC 4 cm × 4 cm, dengan simetri 12 lipat, memiliki konstanta jaringan sekitar 750 nm, diameter tiang 300 nm, dan kedalangan sekitar 1 µm. Regrowth piramida GaN 430 nm-tinggi dan sepuluh pasang kuas bril semipolar {10-11} InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW (3 nm/12 nm) pada tiang ini menyelesaikan arsitektur perangkat.
Di bawah pompa optik suhu kamar, perangkat menunjukkan aksi laser dengan ambang rendah sambil secara bersamaan memancarkan beberapa warna. Karya sebelumnya dari kelompok kami melaporkan laser tunggal warna dari struktur PQC GaN; di sini kami memperluas platform itu ke operasi multicolor, menyoroti kehematan biaya dan integritas pendekatan pembuatan berbasis NIL.
Metode
Desain dan Pembuatan Sampel
Gambar 2 mencurigai alur pembuatan: (1) pertumbuhan epitaksial wafel GaN pada substrat safir C-plane menggunakan depo kimia organik logam tekanan rendah; (2) NIL pola PQC pada masker bilayer SiO₂/PMMA; (3) transfer pola ke dalam lapis SiO₂ oleh etching ion reaktif (CHF₃/O₂); dan (4) etching plasma terpadu induktif (Cl₂/Ar) dari GaN untuk membentuk array nanorod. Setelah transfer pola, dinding samping tiang nanopasir dipassivasi dengan SiO₂ poros. Regrowth selanjutnya pada 730 °C menciptakan piramida GaN 430 nm-tinggi diuncork dengan sepuluh pasang kuas bril InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW (3 nm/12 nm). Dua komposisi digunakan: In₀.₁Ga₀.₉N/GaN untuk biru (460 nm) dan In₀.₃Ga₀.₇N/GaN untuk hijau (520 nm). Kedalangan etching nanorod adalah sekitar 1 µm.
Pemindai SEM mengonfirmasi geometri PQC dan faceta kuas bril semipolar, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a–3d. Ploi semipolar {10-11} memitigasi efek Stark terbatas kuantum, meningkatkan efisiensi radiatif.
Hasil dan Pembahasan
Sampel A (In₀.₁Ga₀.₉N) dan B (In₀.₃Ga₀.₇N) di-pompa optik dengan laser He-Cd CW 325 nm (~50 mW). Spektra PL (Gambar 4a) menunjukkan puncak yang berbeda pada 460 nm dan 520 nm, dengan lebar garis 40 nm dan 60 nm, masing-masing. Koordinat CIE (0,19, 0,38) untuk sampel biru dan (0,15, 0,07) untuk sampel hijau mengonfirmasi emissi warna tinggi. Spektra hijau yang lebih lebar disebabkan oleh cacat yang diperkenalkan pada kadar indium yang lebih tinggi.
Simulasi elemen hingga (Gambar 5b) mengungkapkan spektrum transmisi untuk sudut insiden 0–25°, yang berulang setiap 30° karena simetri 12 lipat. Wilayah transmisi tinggi sesuai dengan resonansi tepi band (M₁, M₂, M₃) yang selaras dengan panjang gelombang emissi MQW (a/λ ≈ 0,88, 1,0, 1,25). Kopling antara resonansi ini dan emissi MQW meningkatkan efisiensi ekstraksi dan menurunkan ambang laser. Panjang nanorod (~1 µm) melebihi empat kali panjang gelombang efektif, memastikan pengkapan mode yang kuat.
Temuan ini menunjukkan bahwa satu perangkat PQC dapat secara bersamaan mendukung laser biru dan hijau, membuka jalan untuk sumber cahaya multicolor terintegrasi.
Kesimpulan
Kami telah memproduksi array nanorod PQC GaN dengan simetri 12 lipat oleh NIL dan mencapai emissi biru (460 nm) dan hijau (520 nm) yang efisien dari kuas bril semipolar InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW yang ditanam pada piramida GaN 430 nm. Puncak emissi selaras dengan resonansi tepi band PQC yang diprediksi oleh FEM, mengonfirmasi kopling cahaya–materi yang kuat. Proses NIL yang hemat biaya dan dapat diskalakan dan keuntungan bawaan dari kuas bril semipolar menjadikan platform ini menjanjikan untuk LED multicolor dan dioda laser bebas fosfor.
Ketersediaan data dan bahan
Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam naskah.
