Meningkatkan Efisiensi Ekstraksi Cahaya LED InGaN/GaN dengan Array Nanobola Polystyrene yang Dibuat melalui Metode Tetes-Celup
Abstrak
Kami menunjukkan metode tetes-celup yang hemat biaya yang digabungkan dengan etching pasca-penyetoran untuk memproduksi array nanobola polystyrene (PS NS) periodik pada kaca indium-tin-oksida (ITO). Array monolaer berfungsi sebagai jendela kristal fotonik yang meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) dioda pemancar cahaya InGaN/GaN (LED). Dengan menyesuaikan kecepatan tetes-celup dan konsentrasi suspensi PS NS, kami mencapai array dengan diameter 100 nm dan periode 100 nm di kedua arah x dan y. Struktur yang dioptimalkan meningkatkan output LED sebesar 38 % pada 20 mA, mengonfirmasi keefektifan pendekatan ini untuk pembuatan LED yang scalable.
Latar Belakang
Kristal fotonik (PC) rutin digunakan untuk meningkatkan performa perangkat optoelektronik seperti LED, sel surya, dan detektor cahaya. PC menciptakan modulasi indeks bias periodik pada skala panjang gelombang, yang dapat difraksi mode terpandu ke saluran radiatif. Meskipun PC dengan kontras indeks tinggi dapat membuka bandgap penuh, implementasi praktis dalam LED terbatas oleh kompleksitas pembuatan dan keterbatasan materi. Strategi alternatif adalah menggunakan periodik PC untuk menggeser vektor gelombang in-plane cahaya terpandu ke dalam kontras keluar, sehingga meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE).
LED berbasis GaN menderita masalah penangkap cahaya yang parah karena sudut kritis untuk refleksi internal total (TIR) pada antarmuka GaN/udara hanya ~23°. Akibatnya, efisiensi kuantum eksternal (EQE) didominasi oleh LEE. Berbagai pendekatan—termasuk substrat safir bertekstur, permukaan GaN yang dipola, dan penggarukan dinding samping—telah dieksplorasi, tetapi masing-masing menghadapi tantangan praktis seperti kerusakan kimiawi atau skalabilitas yang terbatas.
Lapisan nanobola polystyrene yang tersusun sendiri menawarkan alternatif yang menjanjikan dan hemat biaya. Mereka dapat disetel pada area luas dengan peralatan minimal dan tidak memerlukan pemrosesan suhu tinggi atau etching agresif. Dalam karya ini, kami secara sistematis mempelajari penyetelan monolaer PS NS pada ITO, mengoptimalkan konsentrasi suspensi dan kecepatan tetes-celup, dan menunjukkan peningkatan LEE sebesar 38 % dalam LED InGaN/GaN.
Eksperimen
Metode Tetes-Celup
Setup tetes-celup terdiri dari reservoir kaca dengan klep keluar yang dapat dikontrol. Campuran koloid air deion–PS NS diaduk untuk mencapai konsentrasi target, kemudian substrat yang dilapisi ITO diturunkan melalui cairan dengan kecepatan yang ditetapkan. Ukuran PS NS yang digunakan biasanya adalah 100, 200, dan 500 nm, dicampur hingga konsentrasi masing-masing 4,1×10¹¹, 5,1×10¹⁰, dan 3,2×10⁹ bola cm⁻³, masing-masing.
Setelah penyetoran, substrat dikeringkan pada suhu ruang untuk ~1,5 jam. Perawatan plasma oksigen (0–10 s) digunakan untuk membuat permukaan hidrofilik, mengoptimalkan adhesi PS NS sambil menghindari kerusakan berlebihan pada ITO.
(a) Peralatan, (b) proses tetes-celup, (c) I–V dan L–I dari LED dengan berbagai waktu plasma.
Pembuatan LED
LED biru InGaN/GaN tumbuh pada safir c-plane oleh MOCVD. Struktur meliputi buffer GaN suhu rendah, n-GaN yang fortemente Si-doped, InGaN/GaN MQW, dan p-GaN yang Mg-doped. ITO ditetapkan pada lapisan p-GaN sebagai konduktor transparan. Isolasi Mesa (300 × 300 µm²) didefinisikan oleh fotolitografi, dan kontak Ti/Pt/Au dialloys pada 450 °C selama 5 menit. Wafer yang selesai kemudian dicelup dalam suspensi PS NS untuk membentuk array monolaer.
Hasil dan Pembahasan
Mikroskopi elektron pencawan (SEM) mengungkapkan bahwa susunan PS NS sangat sensitif terhadap kecepatan tetes-celup. Pada kecepatan tinggi (0,05 mL s⁻¹), partikel terdiseminasi; mengurangi kecepatan menjadi 0,01 mL s⁻¹ menghasilkan lapisan yang longgar, sedangkan 0,005 mL s⁻¹ menghasilkan monolaer yang padat. Bola yang lebih besar (200–500 nm) menyusun diri sendiri dengan lebih mudah daripada partikel 100 nm pada kecepatan yang sama karena gaya kapiler yang lebih kuat.
Konsentrasi suspensi juga mengatur cakupan. Konsentrasi di bawah 4.1×10¹¹ bola cm⁻³ untuk PS NS 100 nm menyisakan celah; di atas 5.4×10¹¹ bola cm⁻³ monolaer berubah menjadi multilapisan, yang mengurangi transmitansi. Jadi, kondisi optimal untuk monolaer padat adalah 0.005 mL s⁻¹ dan 4.1×10¹¹ bola cm⁻³ (100-nm), 5.1×10¹⁰ bola cm⁻³ (200-nm), dan 3.2×10⁹ bola cm⁻³ (500-nm).
Gambar SEM array PS NS pada berbagai kecepatan dan konsentrasi.
Simulasi finite-difference time-domain (FDTD) menunjukkan bahwa monolaer PS NS 100 nm dengan periode 100 nm di kedua arah menawarkan intensitas cahaya yang diekstrak paling tinggi, meningkatkan LEE simulasi sekitar 40 % relatif terhadap LED polos. Peningkatan timbul dari geser difraktif vektor gelombang in-plane ke dalam kontras keluar.
Spektrum intensitas cahaya simulasi versus periode dan spektrum sudut.
Secara eksperimental, LED dengan jendela PS NS yang dioptimalkan menunjukkan peningkatan output cahaya sebesar 38 % pada 20 mA (dari 112.9 mcd menjadi 148.0 mcd). Karakteristik I–V tetap tidak berubah, mengonfirmasi bahwa proses penyetoran tidak mengubah perilaku listrik. LED dengan array PS NS yang tidak teratur atau multilayer hanya sedikit lebih baik atau lebih buruk dari perangkat polos, menekankan pentingnya monolaer teratur.
Performa listrik dan optik LED dengan berbagai konfigurasi PS NS.
Keseragaman di seluruh wafer sangat baik: deviasi standar peningkatan LEE adalah 1,4 %, dan variasi tegangan maju serta output cahaya di bawah 3 %. Spektroskopi elektroluminesensi menunjukkan puncak yang lebih kuat dan sempit pada 465.5 nm untuk LED yang ditingkatkan PS NS, mencerminkan penyerapan ulang yang berkurang dan out-coupling yang ditingkatkan.
Perbandingan spektrum elektroluminesensi LED polos dan LED jendela PS NS.
Kesimpulan
Kami telah menetapkan protokol tetes-celup yang sederhana dan scalable untuk memproduksi monolaer PS NS periodik pada ITO, berfungsi sebagai jendela kristal fotonik yang efektif untuk LED InGaN/GaN. Pengoptimalan kecepatan tetes-celup (0.005 mL s⁻¹) dan konsentrasi suspensi (4.1×10¹¹ bola cm⁻³ untuk PS NS 100 nm) menghasilkan array 100 nm dengan periode 100 nm yang meningkatkan LEE sebesar 38 % pada 20 mA. Metode ini kompatibel dengan proses LED standar, tidak memerlukan langkah suhu tinggi, dan cocok untuk produksi luas area.
