Direktes Wachstum einer gelben Leuchtdiode auf Basis von III-Nitrid-Nanodrähten auf amorphem Quarz unter Verwendung einer dünnen Ti-Zwischenschicht

Hintergrund

Die Verwendung von Leuchtdioden (LED) für die Anzeigetechnologie hat sich in den letzten zehn Jahren weit verbreitet. Diese Lichtquellen sind im Vergleich zu Kaltkathoden-Leuchtstofflampen (CCFL) energieeffizienter und eignen sich besser für tragbare Unterhaltungselektronik. Herkömmliche LEDs basieren auf GaN-basierten blauen LEDs, die auf Saphirsubstraten aufgewachsen sind. Da die Nachfrage nach LED-Produkten steigt, geht der Trend zur Verwendung von Saphirsubstraten mit größerem Durchmesser, um die Produktionsausbeute zu steigern. Die Herstellung des großformatigen Saphirsubstrats ist jedoch aufgrund der Schwierigkeiten beim präzisen Bohren von c-Plane-Saphir aus Kyropoulos-Boules schwierig, während die genaue Kristallorientierung und Ebenheit mit zunehmendem Durchmesser beibehalten werden [1, 2]. Zusätzlich zu Herstellungsproblemen werden herkömmliche planare LEDs auf GaN-Basis durch die Existenz der grünen Lücke eingeschränkt, d. h. des Spektralbereichs, in dem die LED-Quanteneffizienz für Wellenlängen länger als die grüne Wellenlänge (520 nm) abnimmt.

Es gab mehrere Versuche, III-Nitrid-Materialien auf Substraten auf Glasbasis zu wachsen. Zuvor hat das epitaktische Wachstum von GaN auf Glas unter Verwendung von Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (MBE) [3] und Sputtern [4, 5] polykristallines Material von geringer Qualität erzeugt, was die Leistung der Vorrichtung beeinträchtigt. Alternativ hat Samsung die Fähigkeit demonstriert, nahezu einkristalline GaN-Pyramiden auf Glas durch Mikromaskierung und anschließendes Wachstum durch selektive metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) wachsen zu lassen [6, 7]. Die übermäßige Indiumverdampfung bei MOCVD verhindert jedoch eine effiziente Einlagerung von Indium, um Emitter in der grünen Lücke zu erzielen. Shon et al. demonstrierten die Möglichkeit, die Qualität eines gesputterten InGaN-Dünnfilms auf amorphem Glas unter Verwendung von Graphen als vororientierende Pufferschicht zu verbessern, wodurch die defektbedingte Photolumineszenz effektiv unterdrückt wird [8]. Dennoch erfordern diese Verfahren komplexe Verarbeitungsschritte, die das Potenzial zur Integration in großtechnische Fertigungsprozesse behindern.

Ein mögliches Verfahren zum direkten Einbauen eines III-Nitrid-Lichtemitters in ein Substrat auf Glasbasis besteht darin, spontan gewachsene III-Nitrid-Nanodrähte unter Verwendung von MBE zu verwenden. Durch Optimierung der Wachstumsbedingungen ist es möglich, III-Nitrid-Nanodrähte spontan wachsen zu lassen, ohne dass eine templatgestützte Wachstumsmaske oder ein Katalysator erforderlich ist [9]. Aufgrund des großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses können die Nanodrähte frei von Durchdringungsversetzungen wachsen [10], während sie im aktiven Bereich eine verringerte Spannung aufweisen. Die reduzierte Dehnung ermöglicht die Herstellung von III-Nitrid-Nanodraht-basierten Bauelementen, die innerhalb der Green-Gap und darüber hinaus arbeiten [11-16]. Es wurde gezeigt, dass die III-Nitrid-Nanodrähte auf verschiedenen Substraten wie Silizium [9, 17, 18], Metall [19–21] und Siliziumdioxid [22–25] wachsen, was die Verwendung einer breiten Palette von Substraten ermöglicht . Aufgrund der isolierenden Natur des glasbasierten Substrats ist es derzeit eine Herausforderung, ein elektrisch injiziertes Bauelement auf Siliziumdioxid herzustellen, während gleichzeitig Leitfähigkeit und Transparenz beibehalten werden.

In dieser Arbeit haben wir uns dieser Herausforderung gestellt und erfolgreich das Wachstum und die Herstellung einer auf einem amorphen Quarzsubstrat gewachsenen LED auf InGaN/GaN-Nanodrahtbasis demonstriert. Wir erreichten gleichzeitige Transparenz und Leitfähigkeit durch die Verwendung einer transluzenten TiN/Ti-Zwischenschicht als leitfähige Schicht und Wachstumsstelle für die Nanodrähte. Da die Nanodrähte ohne eine erforderliche globale epitaktische Beziehung zum Substrat spontan wachsen, sind vor dem Materialwachstum keine komplexen oder teuren Verarbeitungsschritte erforderlich. Die Nanodrähte-auf-Quarz-LED emittiert ein gelbes Licht mit breiter Linienbreite, das bei ~590 nm zentriert ist, eine Farbe, die mit herkömmlichen planaren Quantentopf-Nitrid-Technologien nur schwer zu erreichen ist, wodurch die Bedeutung unserer aktuellen Arbeit weiter betont wird.

Für eine praktische Demonstration haben wir auch ein Experiment zur korrelierten Farbtemperatur (CCT) durchgeführt, das auf gemischten spontanen und stimulierten Lichtquellen basiert. Die Verwendung von transparentem amorphem Quarz ermöglicht die direkte Übertragung von Licht einer Laserdiode zur Weißlichterzeugung. Das Aufwachsen von Nanodrähten auf Quarz eröffnet neue Möglichkeiten und Möglichkeiten, integrierte Lichtemitter zu realisieren, die im Green-Gap arbeiten und gleichzeitig von der Skalierbarkeit der amorphen Quarztechnologie profitieren. Trotz der technologischen Anfänge im Vergleich zu planaren Gruppe-III-Nitrid-LEDs sind die einzigartigen Eigenschaften von nitriertem Titan für das Wachstum von Nanodrähten von größter Bedeutung, um eine nahtlose Integration des Lichtemitters auf einem transparenten Substrat zu ermöglichen.

Methoden

Wesentliches Wachstum

Die Nanodrähte-auf-Quarz-Proben wurden unter stickstoffreichen Bedingungen unter Verwendung eines Veeco GEN 930 PA-MBE-Systems katalysatorfrei gezüchtet. Ein kommerzielles, doppelt poliertes amorphes Quarzsubstrat (Dicke ~  500 μ m) wird zunächst mit Aceton und Isopropylalkohol gespült und mit Stickstoff getrocknet. Vor dem Wachstum wurde eine 20 nm dicke Ti-Schicht unter Verwendung von Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden, um als durchscheinende leitende Zwischenschicht zu wirken. Nach der Ti-Abscheidung wird eine weitere Runde der Lösungsmittelreinigung unter Verwendung von Aceton und Isopropylalkohol durchgeführt. Es wurden zwei Ausgasungsrunden durchgeführt, um jegliche Feuchtigkeit und Verunreinigungen von der Substratoberfläche zu entfernen. Nach dem Einbringen in die Wachstumskammer wird die Substratoberfläche einem Stickstoffplasma ausgesetzt, um das Ti teilweise in TiN umzuwandeln, bevor der Ga-Verschluss geöffnet wird. Der Stickstoff wurde während der Nitrierung und während des gesamten Wachstumsprozesses bei einer Flussrate von 1 sccm und einer HF-Leistung von 350 W gehalten. Für das Wachstum auf der Basis von n-GaN:Si-Nanodrähten betrug der Ga-Beam-Äquivalentdruck (BEP) 6,5 × 10 ^–8 Torr, während die Temperatur der Si-Zelle bei 1165 °C gehalten wurde. Wir verwendeten eine zweistufige Wachstumsmethode, um qualitativ hochwertiges GaN zu erhalten und gleichzeitig die Dichte der Nanodrähte zu kontrollieren. Die Keimbildungsschicht aus GaN-Nanodrähten wurde bei einer Substrattemperatur von 620 °C für 10 min abgeschieden, gefolgt von einem Wachstum von GaN-Nanodrähten bei erhöhter Temperatur (770 °C). Nach dem n-GaN-Wachstum wurde der aktive Bereich, bestehend aus fünf Paaren von InGaN-Quantenscheiben und GaN-Quantenbarrieren, abgeschieden. Der BEP betrug 5 × 10 ^–8 Torr und Ga war 3 × 10 ^–8 Torr für das Wachstum von Quantenscheiben. Nach der letzten GaN-Quantenbarriere wurde ein p-Typ-GaN:Mg-Abschnitt aufgewachsen. Die Mg-Zelle wurde während des p-GaN-Wachstums bei 310 °C gehalten.

Optische und strukturelle Charakterisierung

Die Photolumineszenz (PL)-Eigenschaften der auf Quarz gewachsenen Nanodrähte wurden mit temperaturabhängigen μ . gemessen -PL-Messungen unter Verwendung eines 325-nm-HeCd-Lasers als Anregungsquelle und einer 15-fach-UV-Objektivlinse. Die Ausgangsleistung des Lasers beträgt ~ 3,74 mW. Die Strahlfleckgröße beträgt ~ 1,24 μ m, was eine entsprechende Anregungsleistungsdichte von ~ 310 kW/cm ² . ergibt . Die Probe wurde unter Verwendung einer Kryostatzelle (Linkam, THMS 6000) auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff abgekühlt. Die Temperatur wird dann von 77 bis 300 K eingestellt. Die Probentransparenz wurde unter Verwendung eines Shimadzu UV-3600 UV-vis-NIR-Spektrophotometers gemessen. Die Kalibrierung wurde unter Verwendung von Luft als Referenz durchgeführt. REM-Bilder wurden mit FEI quanta 600 aufgenommen. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) und hochauflösende High-Angle Annular Dark Field STEM (HAADF-STEM) Charakterisierungen wurden mit einem Titan 80-300 ST Transmissionselektronenmikroskop (FEI .) durchgeführt Company) mit einer Beschleunigungsspannung von 300 kV betrieben. Die Karte der elementaren Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) von EDAX Company erhalten.

Geräteherstellung und -charakterisierung

Die Geräteherstellung ist wie folgt. Zuerst wird die gewachsene Nanodrahtprobe durch eine Standardlösungsmittelreinigung unter Verwendung von Aceton und Isopropylalkohol gereinigt, gefolgt von einem Föhnen mit Stickstoff. Als nächstes ~ 2 μ m Parylene C werden durch thermische Verdampfung abgeschieden. Ein Rückätzprozess unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) mit Sauerstoffplasma wird durchgeführt, um die Nanodrahtspitzen vom p-Typ freizulegen. Danach werden 5 nm Ni unter Verwendung von Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden, gefolgt von 230 nm Indium-Zinn-Oxid (ITO), abgeschieden unter Verwendung von RF-Magnetron-Sputtern als transparente Stromaufweitungsschicht. Das Tempern erfolgt bei 500 °C unter Ar-Umgebung, um die elektrischen Eigenschaften der transparenten Ni/ITO-Stromverteilungsschicht zu verbessern. RIE-Ätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) wird unter Verwendung von Ionen auf Cl- und Ar-Basis durchgeführt, um die Mesa der Vorrichtung zu definieren. Schließlich wird ein Ni/Au-Kontaktpad durch Elektronenstrahlverdampfung gefolgt von Abheben abgeschieden. Die L-I-V-Charakterisierung wurde unter Verwendung eines Keithley 2400-Leistungsmessers durchgeführt. Die thermische Messung und Abbildung wurde unter Verwendung eines kommerziellen mikroradiometrischen thermischen Abbildungsmikroskops von Optotherm durchgeführt. Vor der eigentlichen Temperaturmessung wird für jedes Pixel des Bildes eine 2D-Emissionsgrad-Mapping-Tabelle erstellt, um die unterschiedlichen Oberflächenemissionswerte, die durch unterschiedliche Materialkomponenten verursacht werden, zu berücksichtigen. Dazu wird das Gerät mit einem Heiztisch auf 60 °C erhitzt und der Tisch mit der vom System bereitgestellten Thermalyze-Wärmebildanalysesoftware konstruiert. Nach dem Aufbau des Tisches wird die Heizstufe abgeschaltet und eine stromabhängige Messung durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle und optische Charakterisierung von auf Quarz gewachsenen Nanodrähten

Die Nanodrahtstruktur besteht aus ~90 nm n-GaN, fünf Paaren ~~7 nm dicker InGaN-Quantenscheibe und ~~14 nm dicker Barriere und ~~60 nm p-GaN. Abbildung 1a zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (REM)-Bild in Draufsicht von Nanodrähten mit hoher Dichte. Die Nanodrähte haben eine typische laterale Größe von ~ 100 nm und eine Länge von ~ 250 nm. Die Dichte der Nanodrähte wird statistisch zu ~ 9 × 10 ⁹ . berechnet cm ⁻² , mit einem Füllfaktor von 78%. Obwohl ein gewisses Maß an Koaleszenz zwischen mehreren Nanodrähten beobachtet werden kann, erscheinen die meisten Nanodrähte unzusammenhängend. Die Wachstumsbedingungen wurden unter Verwendung einer zweistufigen Wachstumsmethode optimiert, die die anfängliche GaN-Keimkernbildung und das Nanodrahtwachstum trennte [26]. Mit dieser Methode konnten wir hochwertige Nanodrähte mit maximaler Nanodrahtdichte züchten und gleichzeitig die Koaleszenz zwischen den Nanodrähten minimieren, die sich aufgrund nicht strahlender Defekte an den Koaleszenzstellen nachteilig auf die Geräteleistung auswirkt [27].

a Draufsicht SEM von auf Quarz gewachsenen InGaN/GaN-Nanodrähten. b Hochvergrößerte Ansicht des Hellfeld-TEM aus dem p-GaN-Bereich, die die Kristallinität des Nanodrahts zeigt. Der Einschub zeigt das Elektronenbeugungsmuster des selektiven Bereichs, das vom Nanodraht aufgenommen wurde. c HAADF-Bild eines einzelnen Nanodrahts und d entsprechende EDX-Karte für Ga, e Ti und f zusammengesetzte elementare Abbildung. Maßstabsbalken entspricht 25 nm. g Stark vergrößerte Ansicht der Grenzfläche zwischen Nanodrahtbasis, Zwischenschicht und Substrat. Der rote Pfeil zeigt die Richtung für die Elementarabbildung an. h Entsprechende EDX- und EELS-Ergebnisse zeigen die Änderung der Elementzusammensetzung an den Materialgrenzflächen. Die EDX-Ergebnisse werden geglättet, um Rauschen zu entfernen

Ein hochauflösendes Hellfeld-Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Bild des Nanodrahts ist in Abb. 1b zusammen mit dem entsprechenden selektiven Flächenbeugungsmuster im Einschub gezeigt. Das Beugungsmuster ist ein Hinweis auf die Kristallinität des Nanodrahts und zeigt das Wachstum von hochwertigem GaN-Material auf einem gitterfehlangepassten Substrat. In Abb. 1c–f ist ein High Angle Annular Dark Field (HAADF)-Bild eines einzelnen Nanodrahts zusammen mit der entsprechenden Elementarabbildung gezeigt. Das HAADF-Bild zeigt fünf InGaN-Quantenscheiben-(qdisk)-Insertionen als aktive Region, die durch hellere Punkte im Nanodraht angezeigt werden. An der Basis des Nanodrahts ist eine bruchstückartige Schicht zu sehen. Diese Schicht ist der Rest des anfänglichen GaN-Nanodraht-Keims, der aufgrund des Schatteneffekts nicht zu einem Nanodraht wächst. Die Elementarkartierung zeigt, dass die Nanodrähte auf der Ti-Zwischenschicht wachsen und nicht direkt auf dem Quarzsubstrat.

Die TEM-Elementarabbildung an der Grenzfläche zwischen Nanodraht, Zwischenschicht und Quarzsubstrat ist auch in Abb. 1g–h gezeigt, um ein besseres Verständnis der Zusammensetzung der Grenzfläche zu ermöglichen. Die Elementarkartierung für Ga, Ti und Si wurde mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) durchgeführt, während die Elementarkartierung für O und N mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) durchgeführt wurde. Die an der Grenzfläche durchgeführte Elementarkartierung bestätigt, dass der obere Teil der Ti-Schicht während des Wachstums in der MBE-Kammer teilweise in TiN umgewandelt wurde, wie durch das gleichzeitige Vorhandensein von Ti und N auf der Zwischenschicht angezeigt. Die Dicke der TiN-Schicht wird auf ~~10 nm geschätzt. Die GaN-Keimkernbildung und das Nanodrahtwachstum erfolgen dann auf der TiN-Schicht. Das EELS-Ergebnis zeigt die Existenz eines Sauerstoffsignals über der TiN/Ti-Schicht. Dies wird durch die spontane Bildung von nativem TiO₂ . verursacht Film, da die TEM-Probe nach der Präparation der Luft ausgesetzt wird [28]. Die direkte Nukleation auf TiN ist für unser Gerätedesign von Vorteil, da TiN nachweislich zu gleichzeitiger Transparenz und Leitfähigkeit fähig ist [29] und gleichzeitig die Qualität von darauf aufgewachsenem GaN verbessert [30] und bei längeren Wellenlängen als Reflektor wirkt [31].

Die optischen Eigenschaften der auf Quarz gewachsenen Nanodrähte wurden mit einem μ . gemessen -PL-Setup mit 325-nm-Anregung von einem HeCd-Laser. Bei Raumtemperatur μ -PL-Spektren zeigen einen breiten Peak. Die große Linienbreite ist ein gemeinsames Merkmal von III-Nitrid-Nanodrähten aufgrund der inhärenten strukturellen und zusammensetzungsbedingten Inhomogenität zwischen einzelnen Nanodrähten [32]. Das temperaturabhängige μ -PL in Abb. 2a zeigt, dass von 77 bis 300 K μ -PL-Spektren sind rotverschoben und verbreitern sich mit steigender Temperatur. Die Spitzenwellenlänge und das FWHM für verschiedene gemessene Temperaturen sind in Abb. 2b gezeigt. Die Rotverschiebung ist auf die durch den Varshni-Effekt bedingte temperaturabhängige Bandlückenschrumpfung zurückzuführen, während die Peakverbreiterung bei Temperaturerhöhung auf die Kopplung von Exzitonen mit akustischen Phononen zurückzuführen ist [33]. Die mit steigender Temperatur beobachtete Verringerung der Spitzenintensität wird durch die Zunahme der nichtstrahlenden Rekombination aufgrund der Aktivierung der nichtstrahlenden Rekombinationszentren bei erhöhter Temperatur und der Ladungsträger, die genügend Wärmeenergie erhalten, um der Quantenscheibe zu entkommen, um nichtstrahlend zu rekombinieren, verursacht. Die Ergebnisse der leistungsabhängigen μ -PL-Experiment bei 300 K (Abb. 2c) zeigen, dass die Spektren mit zunehmender Anregungsleistung eine vernachlässigbare Blauverschiebung aufweisen. Das Fehlen einer Blauverschiebung kann auf die Verringerung des piezoelektrischen Felds und den quantenbegrenzten Stark-Effekt (QCSE) innerhalb der Quantenscheiben zurückgeführt werden, der durch radiale Spannungsrelaxation in Nanodrahtstrukturen verursacht wird [34].

a Temperaturabhängiges PL-Messergebnis von 77 bis 300 K. b Änderung von Peakwellenlänge und FWHM für temperaturabhängige PL-Messung. c Leistungsabhängig μ -PL-Messung bei 77 K durchgeführt, was auf einen reduzierten quantenbegrenzten Stark-Effekt hinweist

Um die Machbarkeit der auf einer amorphen Quarzprobe aufgewachsenen Nanodrähte für transparente Geräteanwendungen zu überprüfen, haben wir die Transmission eines mit 20 nm Ti beschichteten Quarzsubstrats, eines mit Ti beschichteten Quarzsubstrats, das einer partiellen Nitrierung unterzogen wurde, und gewachsenen Nanodrähten verglichen auf Quarzprobe. Das reine Quarzsubstrat selbst hat eine Durchlässigkeit von ~ 93% über das sichtbare Wellenlängenspektrum. Die Messergebnisse sind in Abb. 3a dargestellt. Für ein mit 20 nm Ti beschichtetes blankes Quarzsubstrat (Abb. 3b) beträgt die Transmission nur ~ 22%. Nach der Nitrierung (Abb. 3c) steigt der Transmissionsgrad aufgrund der Bildung einer TiN-Schicht erheblich um mehr als 20 % an, wie die TEM-Ergebnisse bestätigen. Nach dem Nanodraht-Wachstum (Abb. 3d) wird die Transmission teilweise aufgrund der Lichtabsorption aus dem aktiven Bereich der InGaN-Quantenscheibe reduziert [35]. Bei Wellenlängen, die kürzer als die GaN-Emissionswellenlänge sind, nähert sich die Durchlässigkeit Null, da die GaN-Nanodrähte selbst auch das übertragene Licht absorbieren. Die optischen Fotografien eines mit 20 nm Ti beschichteten Quarzsubstrats, eines Quarzsubstrats mit einer TiN/Ti-Schicht, gewachsener Nanodrähte auf Quarz und der hergestellten Vorrichtung sind zum Vergleich in Abb. 3b–e dargestellt.

a Ergebnisse der Transmissionsmessung für blanken Quarz, ein mit 20 nm Ti beschichtetes Quarzsubstrat, ein mit einer TiN/Ti-Schicht beschichtetes Quarzsubstrat und eine gewachsene Nanodrahtprobe auf Quarz. b Optische Aufnahme von Quarz beschichtet mit 20 nm Ti; c mit Ti beschichteter Quarz, der einer partiellen Nitrierung unterzogen wurde; d Nanodrahtprobe im gewachsenen Zustand; und e fabriziertes LED-Gerät auf Quarz

Gerätecharakterisierung

Wir haben die auf Quarz gewachsenen Nanodrähte in LEDs eingebaut. Die Herstellungsschritte sind in Abb. 4 dargestellt. Die detaillierten Herstellungsschritte sind im Abschnitt "Methoden" beschrieben.

Herstellungsschritte für die Nanodrähte auf Quarz-LED

Die in Abb. 5a dargestellte LED-Struktur besteht aus den folgenden Schichten:dem Ni/Au-Kontaktpad, der transparenten Ni/ITO-Stromverteilungsschicht, GaN-Nanodrähten mit fünf InGaN-Quantenscheiben, eingebettet in ein dielektrisches Füllmaterial (Parylene C) und einem unteren TiN /Ti-Zwischenschicht. Die untere TiN/Ti-Zwischenschicht fungiert als durchscheinende Kontaktschicht.

a Schema des hergestellten LED-Geräts. b Optisches Foto der Nanodrähte auf einer Quarz-LED unter Vorwärtsspannung. c L -ich -V Eigenschaft der LED. d Elektrolumineszenzspektren der LED bei variierendem Injektionsstrom. e Änderung von FWHM und Spitzenwellenlängenposition der LED mit zunehmender Vorwärtsspannung. f Relative externe Quanteneffizienz der LED, die einen Effizienzabfall bei höherem Injektionsstrom aufgrund von Stromüberlastung und Sperrschichterwärmung zeigt

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der elektrischen Charakterisierung des a 500 μ m ×500 μ m -großes Nanodraht-auf-Quarz-Gerät. Die Einschaltspannung, durch lineare Extrapolation des linearen Bereichs der V -ich Kurve, wurde mit ~ 2,6 V bestimmt. Der Einschaltwiderstand (~ 300 Ω ) ist höher als die von auf Silizium- und Metallplattformen hergestellten LED-Bauelementen auf Nanodrahtbasis, hauptsächlich aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit der dünnen TiN/Ti-Schicht in Kombination mit der spontanen Bildung von isolierendem TiO₂ Schicht [36]. Wenn die Transparenz der Vorrichtung unkritisch ist, kann der Einschaltwiderstand durch Abscheiden einer dickeren Ti-Zwischenschicht vor dem Wachstum verbessert werden. Die im Ergebnis des L . angezeigte Lichtleistung -ich Die Messung ist relativ gering, da nur senkrecht zur Geräteebene emittiertes Licht erfasst wird. Die Lichtemission von der Vorrichtung in Fig. 5b zeigt, dass ein Teil des von der Vorrichtung emittierten Lichts in den umgebenden Quarzsubstratbereich einkoppelt und teilweise senkrecht zur Substratebene zurückgestreut wird, was zu einer geringen Lichtextraktionseffizienz führt. Dieses Ergebnis unterstreicht jedoch auch die Möglichkeit, die Nanodraht-auf-Quarz-LED als Grundlage für eine rein optische Schaltung auf einer Glasplattform zu verwenden, indem die Kopplung und Führung von Photonen innerhalb des Quarzsubstrats sorgfältig konstruiert wird.

Die Messergebnisse der Elektrolumineszenz (EL) in Abb. 5d, e zeigen eine breite Emissionslinienbreite von über 120 nm. Der Elektrolumineszenzpeak stimmt gut mit der Raumtemperatur überein μ -PL-Messung. Bei einer geringen Injektionsstromdichte etwa beim Einschalten zeigt die LED eine breite spektrale Emission nahe der roten Wellenlänge. Mit steigendem Injektionsstrom verschiebt sich das Spektrum von 650 nm in Richtung 590 nm blau, wodurch ein On-Chip-Tuning über den rot-bernstein-gelben Farbbereich hinweg realisiert wird. Die Blauverschiebung der Spitzenwellenlänge hängt mit dem progressiven Bandfülleffekt zusammen, bei dem bei einem hohen Injektionsstrom das Elektron beginnt, einen höheren Energiezustand zu füllen und zu rekombinieren, was zu einer Emission bei einer kürzeren Spitzenwellenlänge führt. Bei einem höheren Injektionsstrom ist die Blauverschiebung der Spitzenwellenlänge gesättigt, aufgrund der Konkurrenz zwischen Blauverschiebung und Rotverschiebung, die durch die Erhöhung der Sperrschichttemperatur verursacht wird. Unter Verwendung einer Quantenscheiben-in-Nanodraht-Struktur wird das Polarisationsfeld durch Zugentlastung reduziert, wodurch die Realisierung eines gelben LED-Bauelements ermöglicht wird, das mit einem planaren Quantentopf-basierten Bauelement nur schwer zu erreichen ist.

Die in Abb. 5f gezeigte Berechnung der relativen externen Quanteneffizienz (EQE) zeigt, dass die Quanteneffizienz bei ~ 20 mA gesättigt ist, bevor sie abnimmt. Diese Verringerung des Wirkungsgrades wird durch die Kombination aus begrenzter Stromverteilung und Sperrschichterwärmung aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Quarz verursacht, was zu einem Wärmeaufbau und einem Wirkungsgradüberschlag innerhalb des Geräts führt [37]. Um die Sperrschichterwärmung innerhalb des Geräts zu untersuchen, wurde eine OptoTherm-Infrarotkamera verwendet, um die Gerätetemperatur unter elektrischer Einspeisung direkt zu beobachten. Wir haben die Temperaturmessung an zwei verschiedenen Pixeln durchgeführt, die durch die Nummern 2 und 3 im Einschub von Abb. 6a gekennzeichnet sind. Für Abb. 6a werden jedoch nur Messdaten von Punkt 2 präsentiert. Bei einer Strominjektion von 35 mA übersteigt die Bauteiltemperatur bereits 60 °C, was im Vergleich zu auf Silizium und Metall aufgewachsenen Bauteilen deutlich höher ist. Abbildung 6b–d zeigt die Wärmeverteilung um das Gerät bei 5, 10, 20 und 30 mA. Bei höherem Injektionsstrom ist zu erkennen, dass die Wärme nicht effizient abgeführt wird, sondern sich im Bereich um das Gerät staut. Ein weiteres detailliertes Design eines effizienten Phononen-Transportmediums, das über diese Proof-of-Concept-Demonstration hinaus mit der aktuellen Plattform kompatibel ist, ist erforderlich.

Messung der Gerätetemperatur mit der Infrarotkamera OptoTherm. a Änderung der Gerätetemperatur mit steigendem Injektionsstrom. Der Einschub zeigt ein Infrarotbild der Gerätestruktur unter Null-Bias und angepasstem Farbbalken. Der Messpunkt ist durch die Zahl 2 und das violette Kreuz gekennzeichnet. Infrarotbild entsprechend der Temperatur des Geräts und der Umgebung bei einem Injektionsstrom von b 5, c 10, d 20 und e 30mA. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Wärme im Bereich um das Gerät konzentriert

Farbmischexperiment

Eine CCT-abstimmbare hochwertige Weißlichtquelle spielt in der Unterhaltungselektronik eine wichtige Rolle, da gezeigt wurde, dass der Blaulichtanteil auf dem elektronischen Display zu einer Unterdrückung von Melatonin führt, was den menschlichen circadianen Rhythmus effektiv stört [38, 39]. Wir nutzten die breit abstimmbaren spektralen Eigenschaften des Geräts und demonstrierten eine praktische Anwendung einer weitgehend CCT-abstimmbaren Weißlichterzeugung in einer Transmissionskonfiguration. Wir verwendeten die Nanodraht-auf-Quarz-LED als aktives weit abstimmbares Element mit den roten, grünen und blauen (RGB) Laserdioden (LDs) als sekundäre Lichtquellen. Ein Vorteil der Verwendung einer gelben Lichtquelle auf Nanodrahtbasis zur Erzeugung von weißem Licht ist die inhärente breite Emission, die zu einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI) führt. Durch die Verwendung der gelben LED in Verbindung mit Lasern konnten wir ein weitgehend CCT-abstimmbares weißes Licht entwickeln. Die Anordnung des Farbmischaufbaus wird wie folgt beschrieben.

Zuerst werden die Ausgänge der RGB-LDs unter Verwendung eines Thorlabs-Dreikanal-Wellenlängenkombinierers kombiniert und unter Verwendung einer Kollimationslinse kollimiert. Anschließend wird der kollimierte Strahl mit einem 45°-Spiegel auf die Rückseite der Nanodraht-auf-Quarz-LED reflektiert und dann durch die Oberseite der LED geleitet. Schließlich wird der Detektor direkt über der Nanodraht-auf-Quarz-LED positioniert, um das resultierende Mischfarblicht zu sammeln. Eine schematische Darstellung der Vorrichtung ist in Fig. 7a gezeigt. Ein GL Spectis 5.0 Berührungsspektrometer wurde verwendet, um die CRI- und CCT-Werte basierend auf dem Standard der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) von 1931 zu verarbeiten.

Farbmischexperiment. a Versuchsaufbau zur Farbmischung, der die roten, grünen und blauen LDs und das gelbe Nanodraht-Quarz-Gerät anzeigt. Einschub zeigt ein optisches Foto einer LED unter Laserbeleuchtung. b Änderung von CCT und CRI bei variierendem LED-Injektionsstrom. c Änderung von CCT und CRI bei variierendem LD-Injektionsstrom. Wellenlängenspektrum und CIE 1931-Karte für ein Farbmisch-Setup mit d eine blaue LD mit gelber Nanodraht-auf-Quarz-LED und e RGB-LDs mit gelber Nanodraht-auf-Quarz-LED

Im ersten Experiment wurde der Strahl einer blauen LD mit dem gelben Licht der gelben LED kombiniert. Um den höchstmöglichen CRI-Wert zu erhalten, wurden zunächst die Bias-Ströme von LD und LED variiert, was einen CRI-Wert von 74,5 bei einem CCT-Wert von 6769 K ergab. Dieser Wert ist viel höher als unser vorheriges Ergebnis mit einem blauen LD/YAG:Ce ³⁺ Phosphor zur Weißlichterzeugung [40]. Um die Farbabstimmbarkeit zu demonstrieren, wurde entweder der LED- oder der LD-Bias variiert, beginnend mit dem Bias-Wert, der den höchsten CRI erzeugte. Abbildung 7b, c zeigt die Auswirkung der Anpassung des Vorspannungsstroms auf die CRI- und CCT-Werte. Wir konnten die Farbtemperatur von 2800 K auf über 7000 K einstellen und dabei einen CRI-Wert von über 55 beibehalten. Abbildung 7d zeigt das Spektrum des höchsten erreichten CRI, wobei der Einschub die Änderung der CIE-1931-Koordinate durch Variation des Vorstroms zeigt . Eine weitere Verbesserung des CRI-Wertes wurde durch die Verwendung von RGB-LDs in Verbindung mit der gelben LED erreicht. Wenn nur die RGB-LDs ohne die gelbe LED-Spektrumkomponente verwendet werden, erhalten wir einen CRI-Wert von 55,4. Durch die Einbeziehung der gelben Spektralkomponente konnten wir ein hochwertiges weißes Licht mit einem CCT-Wert von 7300 K und einem CRI-Wert von 85,1 (Abb. 7e) erzielen, der deutlich höher ist.

Durch die Verwendung der Nanodraht-auf-Quarz-LED in Verbindung mit einem Laserdiodensystem sind wir in der Lage, eine weitgehend CCT-abstimmbare Weißlichtquelle zu entwickeln, während das Problem der Phosphordegradation vermieden wird [41]. Durch individuelles Steuern der Spektraleigenschaften jeder Wellenlänge ist eine Feinabstimmung der Weißlichteigenschaften möglich. Darüber hinaus ist die Weißlichterzeugung auf Laserdiodenbasis im Vergleich zur LED-basierten aufgrund der höheren Effizienz und des möglichen Kostenvorteils günstiger [42].

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir das Wachstum von InGaN/GaN-Nanodrähten direkt auf einem amorphen Quarzsubstrat unter Verwendung einer TiN/Ti-Zwischenschicht demonstriert und LEDs basierend auf der Nanodraht-auf-Quarz-Plattform hergestellt. Durch die Verwendung einer Nanodraht-basierten Struktur konnten wir hochkristallines III-Nitrid-Material auf amorphem Quarz züchten. Die Nanowire-on-Quarz-LED ermöglicht die Realisierung einer LED-Lichtquelle auf Basis des skalierbaren und kostengünstigen Substrats. Die hergestellte LED emittiert Licht mit einer Spitzenwellenlänge von Gelb-Amber-Rot (Spitzenwellenlängen von 590 bis 650 nm) mit einer FWHM von über 120 nm. Wir nutzten die breit abstimmbaren Spektraleigenschaften des Geräts und demonstrierten eine praktische Erzeugung eines weit abstimmbaren weißen Lichts von 3000 bis> 7000 K in einer Transmissionskonfiguration.