Direktes Wachstum von III-Nitrid-Nanodraht-LEDs auf amorphem Quarz mittels TiN/Ti-Zwischenschicht

Zusammenfassung

Unterhaltungselektronik verlässt sich zunehmend auf ultradünne Glasscheiben für ihre Transparenz, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz. Insbesondere Display-Hintergrundbeleuchtung integriert nun häufig Leuchtdioden (LEDs), die direkt mit dem Panel verbunden sind. In dieser Arbeit demonstrieren wir das direkte Wachstum und die Fertigung einer III-Nitrid-Nanodraht-LED auf amorphem Quarz. Der Prototyp zeigt eine niedrige Einschaltspannung von 2,6 V und liefert gelbes Licht zentriert bei ~590 nm, wodurch die berüchtigte Grün-Lücke von Nitrid-LEDs überbrückt wird. Durch Einsatz einer TiN/Ti-Zwischenschicht erreichten wir ~40 % Sichtbarkeitsband-Transparenz bei Erhaltung der elektrischen Leitfähigkeit. Die Nanodraht-Architektur minimiert Spannung und Threading-Dislokationen im Vergleich zu konventionellen planaren Quantenwell-Bauelementen. Schließlich zeigen wir, dass die breite, abstimmbare Emission der Nanodrähte mit Laserdioden kombiniert werden kann, um korrelierte Farbtemperatur-Weißlicht mit hohem CRI zu erzeugen.

Hintergrund

Leuchtdioden sind zum Arbeitstier der Display-Technologie geworden und übertreffen Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen in Energieeffizienz und Portabilität. Konventionelle GaN-basierte blaue LEDs werden typischerweise auf Saphir gezüchtet, und der Antrieb zu größeren Saphir-Boules hat Fertigungsherausforderungen wie die Aufrechterhaltung präziser c-Ebenen-Orientierung und Oberflächenflachheit eingeführt [1, 2]. Zudem leiden planare GaN-LEDs unter der Grün-Lücke, einem Rückgang der Quantenausbeute für Wellenlängen über 520 nm.

Versuche, III-Nitrid-Materialien direkt auf Glas zu züchten, umfassten Gasquellen-MBE und Sputtern, was polykristalline Filme ergab, die die Bauelementleistung verschlechtern [3, 4, 5]. Samsungs Mikromaskierung und selektives MOCVD-Wachstum produzierten nahe-einkristalline GaN-Pyramiden auf Glas, doch Indium-Einbau blieb begrenzt aufgrund von Verdampfung während MOCVD [6, 7]. Graphen-Pufferlagen verbesserten die Qualität von gesputtertem InGaN auf amorphem Glas, fügten aber Prozesskomplexität hinzu [8]. Diese Ansätze verdeutlichen die Notwendigkeit einer einfacheren, skalierbaren Methode zur Integration von Nitrid-LEDs mit transparenten Substraten.

III-Nitrid-Nanodrähte, katalysatorfrei unter stickstoffreichen Bedingungen gezüchtet, können spontan ohne globale epitaktische Beziehung keimen, was Wachstum auf diversen Substraten wie Silizium, Metall und Silica ermöglicht [9-25]. Ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis unterdrückt Threading-Dislokationen und reduziert Spannung im aktiven Bereich, was sie für Emissionen innerhalb der Grün-Lücke geeignet macht [10-16]. Die isolierende Natur von Glas kompliziert jedoch die Erstellung eines elektrisch injizierten Bauelements, das transparent und leitfähig bleibt.

Hier präsentieren wir das erste direkte Wachstum von InGaN/GaN-Nanodrähten auf amorphem Quarz mittels einer TiN/Ti-Zwischenschicht, die sowohl Transparenz als auch Leitfähigkeit bereitstellt. Die resultierende Nanodraht-LED emittiert gelbes Licht (~590 nm) und demonstriert die Machbarkeit der Integration von Nitrid-Optoelektronik mit skalierbaren Glassubstraten.

Methoden

Materialwachstum

Die Proben wurden in einem Veeco GEN 930 PA-MBE-System unter stickstoffreichen Bedingungen gezüchtet. Kommerzieller doppelt polierter Quarz (≈ 500 µm dick) wurde mit Aceton und Isopropanol gereinigt, dann mit Stickstoff getrocknet. Eine 20 nm Ti-Schicht wurde durch Elektronenstrahlverdampfung als transluzenz-leitende Zwischenschicht abgeschieden. Nach weiterer Lösungsmittelreinigung und zwei Ausgas-Schritten trat das Substrat in die Wachstumskammer ein, wo ein Stickstoff-Plasma (1 sccm, 350 W RF) das Ti teilweise in TiN nitrierte, bevor der Ga-Shutter geöffnet wurde. N-dotierte GaN:Si-Nanodraht-Basen wurden mit Ga-BEP von 6,5 × 10⁻⁸ Torr und Si-Zellentemperatur von 1165 °C gezüchtet. Ein zweistufiger Ansatz – 620 °C Keimbildung für 10 min gefolgt von 770 °C Wachstum – kontrollierte die Nanodraht-Dichte. Fünf InGaN-Quanten-Scheiben (5 × 10⁻⁸ Torr Ga BEP, 5 × 10⁻⁸ Torr In BEP) und GaN-Barrieren wurden abgeschieden, und eine p-dotierte GaN:Mg-Schicht folgte bei 310 °C Mg-Zellentemperatur.

Optische und strukturelle Charakterisierung

Photolumineszenz (PL) wurde mit einem 325-nm HeCd-Laser (3,74 mW) und ×15 UV-Objektiv gemessen, was eine Anregungsdichte von ≈ 310 kW cm⁻² ergab. Proben wurden in einem Linkam THMS 6000 Kryostat von 77 K auf 300 K gekühlt. Transmissionsspektren wurden mit einem Shimadzu UV-3600 Spektrophotometer unter Verwendung von Luft als Referenz aufgezeichnet. REM-Bilder wurden an einem FEI Quanta 600 aufgenommen, während HRTEM und HAADF-STEM ein Titan 80-300 bei 300 kV nutzten. Elementkarten wurden via EDS (EDAX) und EELS erhalten.

Bauelementfertigung und Charakterisierung

Nach Reinigung wurde eine 2 µm Parylene-C-Schicht durch thermische Verdampfung abgeschieden. Sauerstoff-Plasma-RIE ätzte das Parylene, um p-dotierte Spitzen freizulegen. Ni (5 nm) und ITO (230 nm) wurden durch Elektronenstrahlverdampfung und RF-Sputtern abgeschieden, wodurch die transparente Stromverteilungsschicht gebildet wurde; Glühen bei 500 °C in Ar verbesserte die Leitfähigkeit. Cl/Ar ICP-RIE definierte Mesas, und Ni/Au-Kontakte wurden via Elektronenstrahlverdampfung und Lift-off hinzugefügt. L-I-V-Messungen nutzten einen Keithley 2400. Infrarot-Thermographie mit OptoTherm verwendete eine benutzerdefinierte Emissivitätskarte, erzeugt durch Erhitzen des Bauelements auf 60 °C; nachfolgende stromabhängige Bildgebung maß lokalen Temperaturanstieg.

Ergebnisse und Diskussion

Strukturelle und optische Charakterisierung der auf Quarz gewachsenen Nanodrähte

Die Nanodrähte umfassen ≈ 90 nm n-GaN, fünf 7-nm InGaN-Scheiben, 14-nm Barrieren und ≈ 60 nm p-GaN. Draufsicht-REM (Abb. 1a) zeigt hochdichte, ≈ 100 nm breite, ≈ 250 nm lange Drähte mit einer Dichte von 9 × 10⁹ cm⁻² und einem Füllfaktor von 78 %. Ein zweistufiges Wachstum optimierte die Keimbildung, während Koaleszenz minimiert wurde, die nicht-radiative Zentren einführen würde.

a Draufsicht-REM von as-grown InGaN/GaN-Nanodrähten auf Quarz. b Hellfeld-TEM des p-GaN-Bereichs, mit Einfügung Beugungsmuster. c HAADF-Bild eines einzelnen Nanodrahts. d-f Elementkarten für Ga, Ti und Komposit. g-h Grenzflächen-Mapping und EDX/EELS über Ti/TiN und Quarz. Maßstab = 25 nm.

Hellfeld-TEM (Abb. 1b) bestätigt kristallines GaN-Wachstum auf dem gitterfehlangepassten Substrat, während HAADF-Bildgebung (Abb. 1c) die fünf InGaN-Scheiben als helle Punkte enthüllt. Elementares Mapping zeigt, dass die Nanodrähte auf der TiN-Schicht keimen, nicht direkt auf Quarz. TiN, gebildet während der Nitrierung, ist ≈ 10 nm dick und bewahrt sowohl Transparenz als auch Leitfähigkeit, fungiert auch als Reflektor für längere Wellenlängen [31].

µ-PL-Spektren (Abb. 2a) zeigen einen breiten Peak, der von 77 K bis 300 K rotverschiebt und verbreitert, konsistent mit Varshni-Bandlückenschrumpfung und Exziton-Phonon-Kopplung. Leistungsabhängige µ-PL (Abb. 2c) zeigt vernachlässigbare Blauverschiebung, was reduzierte piezoelektrische Felder und quantenkonfinierte Stark-Effekte aufgrund radialer Spannungsrelaxation in der Nanodraht-Geometrie anzeigt.

a Temperatur-abhängige PL. b Peak-Wellenlänge und FWHM versus Temperatur. c Leistungs-abhängige PL bei 77 K.

Transmissionsmessungen (Abb. 3) vergleichen blanken Quarz (≈ 93 % sichtbar), Quarz mit 20 nm Ti (≈ 22 %), TiN/Ti-Zwischenschicht (≈ 43 %) und as-grown Nanodrähte (≈ 40 %). Die TiN-Schicht stellt Transparenz wieder her, während der aktive Bereich die Transmission aufgrund Absorption durch InGaN-Scheiben moderat reduziert. Optische Fotografien (Abb. 3b-e) illustrieren den visuellen Einfluss jeder Schicht.

a Transmissionskurven. b-e Optische Bilder jeder Probe.

Bauelementcharakterisierung

Der LED-Fertigungsablauf ist in Abb. 4 zusammengefasst. Der finale Bauelement-Stack (Abb. 5a) besteht aus Ni/Au-Kontakten, Ni/ITO-Stromverteilern, dem Nanodraht-Ensemble mit eingebetteten Quantenscheiben und einem TiN/Ti-Rückkontakt.

Fertigungsschritte für die Nanodraht-auf-Quarz LED.

a Bauelement-Schema. b Optisches Mikroskopbild unter Vorwärtsspannung. c L-I-V-Kurve. d EL-Spektren versus Strom. e FWHM und Peak-Verschiebung mit Bias. f Relative EQE zeigend Droop über 20 mA.

Das 500 µm × 500 µm Bauelement schaltet bei ≈ 2,6 V ein (lineare Extrapolation der V-I-Kurve) mit einem Widerstand von ≈ 300 Ω, höher als silizium-basierte Nanodraht-LEDs aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit der dünnen TiN/Ti-Schicht und unbeabsichtigter TiO₂-Bildung [36]. Lichtextraktion ist bescheiden, da Emission in den Quarz koppelt und teilweise rückgestreut wird. EL-Messungen enthüllen eine breite 120 nm Linienbreite; der Peak verschiebt sich von 650 nm bei Einschalten auf 590 nm bei höherem Strom, eine Blauverschiebung verursacht durch Bandfüllung, während thermische Effekte bei hoher Injektion gegenwirken. Die EQE erreicht ein Maximum nahe 20 mA und fällt dann ab, zurückzuführen auf Stromdrängung und schlechte Wärmeableitung in Quarz.

Infrarot-Thermographie (Abb. 6) zeigt eine Bauelementtemperatur über 60 °C bei 35 mA, mit Wärmekonzentration um den aktiven Bereich. Effiziente Phonon-Transport-Schichten sind nötig, um thermisches Roll-over in zukünftigen Designs zu mildern.

a Bauelementtemperatur versus Strom. b-e Infrarotbilder bei 5, 10, 20 und 30 mA.

Farbmisch-Experiment

Hochwertiges Weißlicht ist kritisch für Displays und Beleuchtung. Durch Kombination der abstimmbaren gelben Nanodraht-LED mit RGB-Laserdioden (LDs) in Transmissionskonfiguration erzeugten wir Weißlicht mit CCT von 2800 K bis > 7000 K bei Beibehaltung von CRI über 55. Das breite Spektrum der gelben LED erhöht CRI; mit nur RGB LDs erreichte CRI 55,4, aber Hinzufügen der gelben Komponente hob es auf 85,1 bei 7300 K (Abb. 7e). Der Aufbau (Abb. 7a) nutzt einen Thorlabs Drei-Kanal-Kombinierer, einen 45° Spiegel und ein GL Spectis 5.0 Spektrometer zur Extraktion von CIE 1931 Koordinaten.

a Farbmisch-Aufbau. b CCT und CRI versus LED-Bias. c CCT und CRI versus LD-Bias. d Spektrum mit blauer LD + gelber LED. e Spektrum mit RGB LDs + gelber LED.

Schlussfolgerungen

Wir haben das Wachstum von InGaN/GaN-Nanodrähten direkt auf amorphem Quarz via TiN/Ti-Zwischenschicht demonstriert und LEDs basierend auf dieser Plattform gefertigt. Die Nanodraht-Architektur liefert hochkristallines Nitrid-Material auf einem Glassubstrat, was gelb-bernstein-rote Emission (590-650 nm) mit 120 nm FWHM ermöglicht. Durch Nutzung des breiten, abstimmbaren Spektrums erreichten wir eine breitbandige Weißlichtquelle (3000->7000 K) in Transmissionskonfiguration, was das Potenzial von Nanodraht-auf-Quarz LEDs für skalierbare, transparente optoelektronische Anwendungen hervorhebt.