Pertumbuhan Langsung LED Nanowar Logam III-Nitride pada Kuarsa Amorf dengan Interlayer TiN/Ti

Abstrak

Elektronik konsumen semakin mengandalkan layar kaca ultra tipis karena transparansi, skalabilitas, dan biaya efektifnya. Khususnya, pencahayaan belakang layar sekarang sering mengintegrasikan dioda pemancar cahaya (LED) yang langsung terintegrasi dengan panel. Dalam karya ini, kami menunjukkan pertumbuhan langsung dan pembuatan LED nanowar logam III-nitride pada kuarsa amorf. Prototipe menunjukkan tegangan nyala rendah 2,6 V dan menghasilkan cahaya kuning berkaitan pada ~590 nm, yang menembus celah hijau yang terkenal dari LED nitride. Dengan menggunakan interlayer TiN/Ti, kami mencapai transparansi cahaya visible ~40% sambil mempertahankan konduktivitas listrik. Arsitektur nanowar meminimalkan tekanan dan dislokasi threading dibandingkan perangkat kuantum brangka konvensional. Terakhir, kami menunjukkan bahwa emisi nanowar yang luas dan dapat disesuaikan dapat digabungkan dengan dioda laser untuk menghasilkan cahaya putih suhu warna korelasi dengan CRI tinggi.

Latar Belakang

Dioda pemancar cahaya telah menjadi tongkang teknologi layar, melebihi lampu fluoresen katoda dingin dalam efisiensi energi dan portabilitas. LED nitride GaN konvensional biasanya ditumbuhi pada safir, dan dorongan terhadap tongkol safir yang lebih besar telah memperkenalkan tantangan manufaktur seperti mempertahankan orientasi c-plane yang tepat dan ketempuran permukaan [1, 2]. Selain itu, LED nitride datar menderita celah hijau, penurunan efisiensi kuantum untuk panjang gelombang di luar 520 nm.

Upaya untuk menumbuhi materi logam III-nitride secara langsung pada kaca telah termasuk epitaksi sinar molekul sumber gas (MBE) dan sputtering, menghasilkan film policristal yang merusak kinerja perangkat [3, 4, 5]. Pemaskian mikrom dan pertumbuhan MOCVD selektif Samsung menghasilkan piramida GaN hampir kristal tunggal pada kaca, namun incorporasi indium tetap terbatas karena avaporasi selama MOCVD [6, 7]. Lapisan penampung grafen meningkatkan kualitas InGaN yang di-sputter pada kaca amorf tetapi menambahkan kompleksitas proses [8]. Pendekatan ini menyoroti kebutuhan akan metode yang lebih sederhana dan dapat diskalakan untuk mengintegrasikan LED nitride dengan substrat transparan.

Nanowar logam III-nitride, ditumbuhi tanpa katalis di bawah kondisi kaya nitrogen, dapat bermukim secara spontan tanpa hubungan epitaksi global, yang memungkinkan pertumbuhan pada berbagai substrat seperti silikon, logam, dan silika [9–25]. Rasio permukaan-volume yang tinggi menekan dislokasi threading dan mengurangi tekanan di wilayah aktif, menjadikannya cocok untuk emisi dalam celah hijau [10–16]. Namun, sifat isolasi kaca menyulitkan pembuatan perangkat yang diinjeksikan secara listrik yang tetap transparan dan konduktif.

Di sini kami menyajikan pertumbuhan langsung pertama dari InGaN/GaN nanowar pada kuarsa amorf menggunakan interlayer TiN/Ti yang menyediakan transparansi dan konduktivitas. LED nanowar yang dihasilkan menghasilkan cahaya kuning (~590 nm) dan menunjukkan keberayaan integrasi optoelektronik nitride dengan substrat kaca yang dapat diskalakan.

Metode

Pertumbuhan Material

Sampel ditumbuhi dalam sistem PA-MBE Veeco GEN 930 di bawah kondisi kaya nitrogen. Kuarsa dipolir komersial (tebal ≈ 500 µm) dibersihkan dengan aseton dan isopropanol, kemudian dikeringkan dengan nitrogen. Lapisan Ti 20 nm diavaporasi dengan sinar elektron untuk melayani sebagai interlayer konduktif translucen. Setelah pembersihan pelarut lagi dan dua langkah pengeluaran gas, substrat memasuki ruang pertumbuhan di mana plasma nitrogen (1 sccm, 350 W RF) sebagian mengnitridasi Ti menjadi TiN sebelum membuka shutter Ga. Basis nanowar GaN:Si tipe-N ditumbuhi dengan BEP Ga 6,5 × 10⁻⁸ Torr dan suhu sel Si 1165 °C. Pendekatan dua tahap—nukleasi 620 °C selama 10 min diikuti oleh pertumbuhan 770 °C—mengontrol densitas nanowar. Lima cakram kuantum InGaN (5 × 10⁻⁸ Torr BEP Ga, 5 × 10⁻⁸ Torr BEP In) dan penghalang GaN ditambatkan, dan lapisan GaN:Mg tipe-p diikuti pada suhu sel Mg 310 °C.

Karakterisasi Optik dan Struktural

Fotoluminesensi (PL) diukur dengan laser HeCd 325-nm (3,74 mW) dan objektif UV ×15, mencapai densitas eksitasi ≈ 310 kW cm⁻². Sampel didinginkan dari 77 K hingga 300 K dalam kriostat Linkam THMS 6000. Spektrum transmitensi direkam dengan spektrofotometer UV-3600 Shimadzu menggunakan udara sebagai referensi. Citra SEM diambil pada FEI Quanta 600, sementara HRTEM dan HAADF-STEM menggunakan Titan 80-300 pada 300 kV. Peta elemen diperoleh melalui EDS (EDAX) dan EELS.

Pembuatan dan Karakterisasi Perangkat

Setelah dibersihkan, lapisan parylene C 2 µm ditambatkan oleh avaporasi termal. Etching RIE plasma oksigen menggali parylene untuk mengekspos ujung tipe-p. Ni (5 nm) dan ITO (230 nm) ditambatkan oleh avaporasi sinar elektron dan sputtering RF, masing-masing, membentuk lapisan penyebar arus transparan; pengeringan pada 500 °C di dalam Ar meningkatkan konduktivitas. Mesas didefinisikan oleh ICP-RIE Cl/Ar, dan kontak Ni/Au ditambatkan melalui avaporasi sinar elektron dan lift-off. Pengukuran L-I-V menggunakan Keithley 2400. Termografi inframerah dengan OptoTherm menggunakan peta emisivitas kustom yang dihasilkan dengan memanaskan perangkat hingga 60 °C; citra tergantung arus selanjutnya mengukur kenaikan suhu lokal.

Hasil dan Pembahasan

Karakterisasi Struktural dan Optik Nanowar yang Ditumbuhi pada Kuarsa

Nanowar terdiri dari ≈ 90 nm n-GaN, lima cakram InGaN 7-nm, penghalang 14-nm, dan ≈ 60 nm p-GaN. Citra SEM pandang atas (Gambar 1a) menunjukkan kawat padat, ≈ 100 nm lebar, ≈ 250 nm panjang dengan densitas 9 × 10⁹ cm⁻² dan faktor isi 78%. Pertumbuhan dua tahap mengoptimalkan nukleasi sambil meminimalkan koalesensi yang akan memperkenalkan pusat non-radiasi.

a SEM pandang atas InGaN/GaN nanowar yang ditumbuhi pada kuarsa. b TEM bidang terang wilayah p-GaN, dengan sisipan pola difraksi. c Citra HAADF dari satu nanowar. d–f Peta elemen untuk Ga, Ti, dan komposit. g–h Pemetaan antarmuka dan EDX/EELS di seluruh Ti/TiN dan kuarsa. Skala batas = 25 nm.

TEM bidang terang (Gambar 1b) mengonfirmasi pertumbuhan GaN kristal pada substrat yang tidak cocok jaring, sementara citra HAADF (Gambar 1c) mengungkapkan lima cakram InGaN sebagai titik terang. Pemetaan elemen menunjukkan bahwa nanowar bermukim pada lapisan TiN daripada langsung pada kuarsa. TiN, yang terbentuk selama nitridasi, tebal ≈ 10 nm dan mempertahankan transparansi serta konduktivitas, juga bertindak sebagai reflektor untuk panjang gelombang lebih panjang [31].

Spektrum µ-PL (Gambar 2a) menampilkan puncak lebar yang bergeser merah dan meluas dari 77 K hingga 300 K, sesuai dengan penurunan band gap Varshni dan kopling eksiton-fonon. µ-PL bergantung pada daya (Gambar 2c) menunjukkan geser biru yang tidak signifikan, yang menunjukkan medan piezoelektrik yang terkurangi dan efek Stark terbatas kuantum karena kelengahan tekanan radial dalam geometri nanowar.

a PL bergantung pada suhu. b Panjang gelombang puncak dan FWHM versus suhu. c PL bergantung pada daya pada 77 K.

Pengukuran transmitensi (Gambar 3) membandingkan kuarsa polos (≈ 93% visible), kuarsa dengan 20 nm Ti (≈ 22%), interlayer TiN/Ti (≈ 43%), dan nanowar yang ditumbuhi (≈ 40%). Lapisan TiN memulihkan transparansi, sementara wilayah aktif sedikit mengurangi transmisi karena serapan oleh cakram InGaN. Foto optik (Gambar 3b–e) mengilustrasikan dampak visual dari setiap lapisan.

a Kurva transmitensi. b–e Foto optik dari setiap sampel.

Karakterisasi Perangkat

Alur pembuatan LED diringkas dalam Gambar 4. Stapel perangkat akhir (Gambar 5a) terdiri dari kontak Ni/Au, penyebar arus Ni/ITO, ensemble nanowar dengan cakram kuantum yang terbenam, dan kontak belakang TiN/Ti.

Langkah pembuatan LED nanowar-pada-kuarsa.

a Skematik perangkat. b Mikrograf optik di bawah bias maju. c Kurva L-I-V. d Spektrum EL versus arus. e FWHM dan geser puncak dengan bias. f EQE relatif yang menunjukkan diroop di atas 20 mA.

Perangkat 500 µm × 500 µm menyala pada ≈ 2,6 V (ekstrapolasi linier dari kurva V-I) dengan resistansi ≈ 300 Ω, lebih tinggi dari LED nanowar berbasis silikon karena konduktivitas terbatas dari lapisan TiN/Ti tipis dan pembentukan TiO₂ tidak sengaja [36]. Ekstraksi cahaya modest karena emisi berpasangan ke kuarsa dan sebagian ter-back-scattered. Pengukuran EL mengungkapkan garis lebar 120 nm; puncak bergeser dari 650 nm pada saat nyala menjadi 590 nm pada arus lebih tinggi, sebuah geser biru yang disebabkan oleh pengisian band sementara efek termal menyeimbangkan pada injeksi tinggi. EQE puncak di sekitar 20 mA dan kemudian menurun, yang dikaitkan dengan kerumunan arus dan dispersi panas yang buruk pada kuarsa.

Termografi inframerah (Gambar 6) menunjukkan suhu perangkat melebihi 60 °C pada 35 mA, dengan panas terkonsentrasi di sekitar wilayah aktif. Lapisan transportasi fonon yang efisien diperlukan untuk mengurangi roll-over termal dalam desain masa depan.

a Suhu perangkat versus arus. b–e Citra inframerah pada 5, 10, 20, dan 30 mA.

Eksperimen Pencampuran Warna

Cahaya putih berkualitas tinggi sangat penting untuk layar dan penerangan. Dengan menggabungkan LED nanowar kuning yang dapat disesuaikan dengan dioda laser (LD) RGB dalam konfigurasi transmisi, kami menghasilkan cahaya putih dengan CCT yang bervariasi dari 2800 K hingga > 7000 sambil mempertahankan CRI di atas 55. Spektrum lebar LED kuning meningkatkan CRI; hanya dengan LD RGB, CRI mencapai 55,4, tetapi dengan menambahkan komponen kuning, ia meningkat menjadi 85,1 pada 7300 K (Gambar 7e). Pengaturan (Gambar 7a) menggunakan combiner tiga saluran Thorlabs, cermin 45°, dan spektrometer GL Spectis 5.0 untuk mengekstrak koordinat CIE 1931.

a Pengaturan pencampuran warna. b CCT dan CRI versus bias LED. c CCT dan CRI versus bias LD. d Spektrum dengan LD biru + LED kuning. e Spektrum dengan LD RGB + LED kuning.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan pertumbuhan InGaN/GaN nanowar secara langsung pada kuarsa amorf melalui interlayer TiN/Ti dan memproduksi LED berdasarkan platform ini. Arsitektur nanowar menghasilkan materi nitride yang sangat kristal pada substrat kaca, memungkinkan emisi kuning-amber-merah (590–650 nm) dengan FWHM 120 nm. Memanfaatkan spektrum yang luas dan dapat disesuaikan, kami mencapai sumber cahaya putih yang luas (3000–>7000 K) dalam konfigurasi transmisi, yang menyoroti potensi LED nanowar-pada-kuarsa untuk aplikasi optoelektronik transparan yang dapat diskalakan.