Подготовка массива периодических полистирольных наносфер методом погружения-капли с травлением после осаждения и его применение для повышения эффективности извлечения света InGaN / GaN Светодиоды

Фон

В последнее время фотонные кристаллы (ПК) широко исследуются для повышения эффективности оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды (LED) [1], солнечные элементы [2] и фотодетекторы [3]. ПК - это структуры, в которых периодическое изменение показателя преломления происходит в масштабе длины волны света в одном или нескольких направлениях [4, 5]. Структура ПК с достаточно большим контрастом показателя преломления может дать фотонную запрещенную зону, в которой частотный диапазон распространяющегося света запрещен. Эффективность вывода света (LEE) светодиодов может быть улучшена с помощью ПК двумя способами. Один из подходов заключается в разработке структуры ПК с запрещенной зоной, соответствующей захваченным волноводным модам внутри светодиода. Волноводный свет в запрещенной зоне ПК блокируется в боковом направлении в конструкции и направляется к единственному внешнему каналу излучения для выхода света из устройства. Однако этот подход трудно реализовать из-за значительной проблемы обработки материала, связанной с созданием планарной структуры с достаточно большим контрастом показателя преломления, чтобы открыть полную оптическую запрещенную зону. Другой подход заключается в использовании периодического показателя преломления ПК для дифракции волноводной моды выше определенной частоты отсечки на распространяющиеся извне моды: k _{‖ м} = k _‖ + П к _ПК , где k _{‖ м} и k _‖ - модифицированный и исходный волновые векторы в плоскости соответственно; n - целое число; и k _ПК - обратный волновой вектор, зависящий от постоянной решетки ПК. Когда периодичность выбрана правильно, измененный волновой вектор в плоскости попадает в зону утечки, что приводит к вытяжке в воздух под углом, зависящим от конкретной постоянной решетки в этом диапазоне. Существует несколько методов определения периодических структур ПК на оксиде индия-олова (ITO) или p-GaN, включая литографию электронным пучком [6,7,8,9], лазерную голографическую литографию [10], технологию сфокусированного ионного пучка [11]. ], наноимпринт-литография [12] и самоорганизующееся коллоидное полистироловое наносферное покрытие (ПС-НС) [13, 14]. Самособирающийся метод покрытия PS NS имеет такие преимущества, как расположение большой площади с постепенно изменяющимся коэффициентом заполнения, простой процесс, сложное оборудование и повреждения от травления.

Светодиоды на основе нитрида галлия с длинами волн от ультрафиолетового до сине-зеленого привлекают значительное внимание исследователей [15, 16]. Светодиоды на основе GaN с высокой яркостью могут использоваться в таких приложениях, как большие полноцветные дисплеи, ближняя оптическая связь, светофоры и подсветка для цветных жидкокристаллических дисплеев [17,18,19]. Яркость светодиодов на основе GaN зависит от внешней квантовой эффективности (EQE), которая является продуктом внутренней квантовой эффективности и LEE. Из-за присущего ему высокого контраста показателей преломления между свободным пространством и полупроводниковым материалом расчетный критический угол выхода генерируемого света из слоя p-GaN в воздух составляет примерно 23 °. Небольшой критический угол указывает на то, что из устройства может быть извлечено несколько фотонов из-за полного внутреннего отражения (TIR). Таким образом, LEE светодиодов на основе GaN очень низок, что приводит к низкому EQE для светодиодов на основе GaN. В нескольких исследованиях [20,21,22,23] использовался текстурированный или узорчатый сапфир в качестве заднего отражателя для увеличения количества уходящих фотонов. LEE для светодиодов на основе GaN с текстурированным или узорчатым сапфиром можно улучшить за счет высокой вероятности отражения фотонов от сапфира. Однако из-за механической и химической прочности сапфира придание шероховатости и формирование рисунка является сложной задачей. Кроме того, получение малых размеров рассеивающих объектов с помощью фотолитографии затруднено из-за короткой длины волны светодиодов на основе нитридов. В исследованиях [24,25,26] сообщается, что текстурированная поверхность GaN может использоваться для увеличения критического угла и усиления LEE. Однако текстурированию поверхности светодиодов на основе GaN препятствует тонкий p-GaN и чувствительность p-GaN к плазменным повреждениям и электрическому износу. Помимо текстурированной поверхности GaN, в некоторых исследованиях [27, 28] предпринимались попытки придать шероховатости боковым стенкам мезы посредством фотохимического травления или создать наклонные боковые стенки мезы с помощью оплавленного фоторезиста и отрегулировать CF ₄ поток во время сухого травления для увеличения LEE. Однако поверхность шероховатых боковых стенок мезы была неоднородной, и улучшенный LEE для наклонных боковых стенок мезы был ограничен областью боковой стенки [29].

В этом исследовании мы исследовали условия для компактного и периодического массива PS NS на поверхности ITO с использованием метода падения-капли с травлением после осаждения и выполнили параметрический анализ для оптимизации LEE светодиодов InGaN / GaN с периодическим массивом PS NS. Параметрами осаждения компактного массива PS NS являются скорость падения капли и концентрация суспензии PS NS. Результаты расчетов показывают, что LEE светодиода InGaN / GaN зависит от диаметра НС ПС и периода НС ПС. Сравниваются светодиоды InGaN / GaN с оптимальным периодическим массивом PS NS на ITO и без него.

Экспериментальный

Метод погружения и падения

Оборудование, необходимое для получения периодической матрицы PS NS на светодиодах InGaN / GaN методом падения-капли, очень просто и легко подготовить. Он состоит из стеклянного контейнера с отверстием внизу (основной контейнер) и регулирующего клапана настройки, соединенного с отверстием, как показано на Фиг. 1 ( a ). Различные объемы деионизированной (DI) воды и коллоидной суспензии PS NS (Echo Chemical Co., США) смешивали в стеклянном контейнере, и эту смесь перемешивали в течение нескольких минут для получения суспензии PS NS определенной концентрации. Коллоидная суспензия PS NS трех типов, включая PS NS диаметром 100, 200 и 500 нм, была разбавлена ​​методом погружения-капли. После перемешивания в основной контейнер добавляли суспензию PS NS. Регулирующий клапан, показанный на рис. 1 (а), использовался для регулирования скорости падения-падения подвески PS NS. Рисунок 1 (b) показывает схематический процесс падения-падения для светодиодов InGaN / GaN с компактным оконным слоем массива PS NS. Сначала на дно основного контейнера, который содержал суспензию PS-NS в определенной концентрации, помещали эпи-пластину InGaN / GaN, обработанную кислородной плазмой для получения гидрофильной поверхности. Во-вторых, суспензию PS-PS фильтровали через регулирующий клапан с постоянной скоростью погружения-капли, а затем PS-NS распределяли по поверхности эпи-пластины InGaN / GaN. Наконец, самосборный массив PS NS был сформирован на эпи-пластине InGaN / GaN после сушки при комнатной температуре в течение примерно 1,5 ч. На рис. 1 (c) показаны кривые вольт-амперные характеристики (I-V) и выходного светового потока (L-I) светодиодов InGaN / GaN с различным временем обработки кислородной плазмой, равным 0, 1, 5 и 10 с. Светодиоды InGaN / GaN с временем обработки кислородной плазмой 5 с представляют собой аналогичное прямое напряжение и интенсивность светового излучения при токе возбуждения 20 мА. Когда время обработки кислородной плазмой увеличивается до 10 с, на рис. 1 (c) можно наблюдать высокое прямое сопротивление и низкую интенсивность светового потока. Сопротивление ITO будет расти из-за сильного повреждения ионной бомбардировкой в ​​течение длительного времени обработки кислородной плазмой. И наоборот, гидрофильная поверхность не может быть получена за время обработки кислородной плазмой менее 5 с. Чтобы упростить экспериментальный процесс и получить оптимальное расположение PS NS для светодиодов InGaN / GaN, оптические интенсивности для светодиодов InGaN / GaN с оконными слоями массива PS NS с различными диаметрами PS NS и периодами в x и y направления были рассчитаны с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD).

( а ) Оборудование, ( b ) метод погружения-капля и ( c ) I-V и L-I светодиодов InGaN / GaN с разным временем обработки кислородной плазмой

Изготовление синих светодиодов InGaN / GaN с периодическим массивом PS NS на слое ITO

Эпизоды голубых светодиодов InGaN / GaN были выращены на сапфировой подложке c-гранью (0001) с использованием системы химического осаждения из газовой фазы. Структура устройства состоит из буферного слоя GaN, выращенного при низкой температуре, высоколегированного кремнием слоя GaN n-типа, активной области InGaN / GaN с множественными квантовыми ямами (МКЯ) и слоя GaN p-типа, легированного магнием. ITO наносился на слой GaN p-типа в качестве прозрачного проводящего слоя для распределения тока инжекции. Затем на пластине был сформирован узор с использованием стандартного процесса фотолитографии, чтобы определить квадратные мезы в качестве излучающих областей путем частичного травления экспонированных МКЯ ITO / p-GaN / InGaN / GaN / n-GaN. Сплав Ti / Pt / Au использовался в качестве металла омического контакта на контактных областях p- и n-GaN, а затем пластина была легирована в N ₂ атмосфера в течение 5 мин при 450 ° C. Размер окна излучения для светодиодов InGaN / GaN с ITO составлял 300 × 300 мкм ² . Готовую пластину помещали в суспензию PS NS для нанесения компактного массива PS NS на слой ITO.

Результаты и обсуждение

На рис. 2a – i показаны изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) PS NS диаметром 100, 200 и 500 нм на стеклянной подложке, покрытой ITO, со средней скоростью падения капли 0,05, 0,01 и 0,005 мл / с. Концентрация суспензий PS NS составляла 4,1 × 10 ¹¹ . сфер / см ⁻³ для 100-нм ПС НС 5,1 × 10 ¹⁰ сфер / см ⁻³ для 200-нм ПС НЗ и 3,2 × 10 ⁹ сфер / см ⁻³ для 500-нм ПС НС. ПС-НС демонстрируют широко диспергированное распределение на стеклянной подложке, покрытой ITO, при высокой средней скорости падения падения, но они образуют компактный массив по мере уменьшения средней скорости падения падения, как показано на рис. НС ПС зависит от формы поверхности жидкости, которая связана с латеральной капиллярной силой [30]. Боковую капиллярную силу можно классифицировать как силу плавучести или силу погружения. Плавающая сила вызывается весом частицы и силой Архимеда, тогда как сила погружения возникает из-за капиллярного действия [31]. Во время процесса погружения-падения преобладала сила плавучести из-за действия силы тяжести. Плавающая сила может быть притягивающей или отталкивающей между двумя НС PS в зависимости от формы поверхности между воздухом и водным раствором. Высокая средняя скорость падения капель вызывает резкое возмущение в суспензии PS NS возле регулирующего клапана настройки, и это возмущение приводит к выпуклой поверхности между воздухом и водным раствором, что приводит к отталкивающей плавающей силе между двумя PS NS. НЗ ПС были разделены отталкивающей плавающей силой во время процесса погружения-капля, что привело к неупорядоченному расположению НС ПС на стеклянной подложке, покрытой ITO, как показано на рис. 2a, d, g. Когда средняя скорость погружения-капли была уменьшена до 0,01 мл / с, возмущение возле регулирующего клапана настройки было уменьшено, как показано на рис. 2b, e, h. Это слабое возмущение вызвало низкую отталкивающую силу плавучести и обеспечило меньшее пространство между двумя НС PS, чем при скорости погружения-капли 0,05 мл / с. Когда средняя скорость погружения-капли была уменьшена до 0,005 мл / с, форма поверхности между воздухом и водным раствором стала вогнутой, создавая притягивающую плавающую силу между двумя НС PS во время процесса погружения-капли. Плавающая сила притяжения может привести к созданию компактного массива PS NS на стеклянной подложке, покрытой ITO, как показано на рис. 2c, f, i. Кроме того, НС ПС диаметром 200 и 500 нм демонстрируют более компактное расположение на стеклянной подложке, покрытой ITO, по сравнению с НС ПС диаметром 100 нм при аналогичной средней скорости падения-падения из-за вогнутой формы поверхности между воздухом и водный раствор легко формировался для НС ПС большого диаметра. Когда средняя скорость погружения-капли была дополнительно снижена до <0,005 мл / с, матрица PS NS, изготовленная с использованием метода погружения-капли, стала непрактичной для светодиодов из-за низкой пропускной способности. Найти распределение компактного массива ПС НС на 0,5 × 0,5 мм ² Стеклянная подложка, покрытая ITO. На рис. 2j – m показаны СЭМ-изображения НС PS диаметром 200 нм при средней скорости падения-капли 0,005 мл / с в областях справа вверху, слева вверху, справа внизу. , и в нижнем левом углу стеклянной подложки, покрытой ITO. Эти изображения представляют собой однородно распределяющийся и компактный массив PS NS на стеклянной подложке, покрытой ITO, что позволяет предположить, что светодиод InGaN / GaN с однородным и компактным оконным слоем массива PS NS может быть предложен с использованием метода погружения-капли.

СЭМ-изображения PS NS диаметром 100, 200 и 500 нм при средней скорости падения-капли a , d , г 0,05 мл / с; б , e , ч 0,01 мл / с; и c , f , я 0,005 мл / с, а также СЭМ-изображения НС PS с длиной волны 200 нм и средней скоростью падения-капли 0,005 мл / с в областях j вверху справа, k верхний левый, l нижний правый и м нижний левый 0,5 × 0,5 мм ² Стеклянная подложка с покрытием ITO. Концентрация разбавленной водой суспензии PS NS составляла 4,1 × 10 ¹¹ . сфер / см ⁻³ для 100-нм ПС НС 5,1 × 10 ¹⁰ сфер / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и 3,2 × 10 ⁹ сфер / см ⁻³ для 500-нм НС ПС

Концентрация суспензии НС ПС также влияет на расположение НС ПС и количество слоев в массиве НС ПС. Суспензии PS NS с высокими концентрациями приводят к компактным массивам PS NS с монослоем или многослойными, тогда как суспензии с низкой концентрацией могут образовывать рыхлые или компактные массивы PS NS с монослоями. Многослойные массивы PS NS имеют такие недостатки, как низкий коэффициент пропускания, сложность определения периода PS NS и низкая надежность, что делает их непригодными для светодиодных приложений. Оптимальная концентрация суспензии PS NS должна быть определена для получения компактного монослойного массива PS NS. В этом исследовании концентрация суспензии PS PS определялась как отношение количества NS PS к объему суспензии. На рис. 3 показаны СЭМ-изображения НС ПС на стеклянной подложке, покрытой ITO, для различных концентраций суспензии НС ПС:(а) 1,4 × 10 ¹¹ , (б) 2,7 × 10 ¹¹ , (в) 4,1 × 10 ¹¹ , и (г) 5,4 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм НС ПС; (д) 1,7 × 10 ¹⁰ , (е) 3,4 × 10 ¹⁰ , (ж) 5,1 × 10 ¹⁰ , и (h) 6,8 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм; и (i) 1,1 × 10 ⁹ , (j) 2,1 × 10 ⁹ , (k) 3,2 × 10 ⁹ , и (l) 4,3 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НС ПС 500 нм со средней скоростью погружения-капли 0,005 мл / с. Когда концентрация суспензии PS NS была <4,1 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм ПС НС <5,1 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и <3,2 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НП PS 500 нм некоторые участки стеклянной подложки, покрытой ITO, не содержали НП PS, как показано на рис. 3a, b, e, f, i, j. Когда концентрация была увеличена до 4,1 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм НС PS 5,1 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и 3,2 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для 500 нм PS NS компактный массив монослоев PS NS покрывает стеклянную подложку, покрытую ITO, как показано на рис. 3c, g, k. На вставках к рис. 3c, g, k показаны изображения поперечного сечения НС ПС на стеклянной подложке, покрытой ITO, при концентрации суспензии НС ПС 4,1 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм НС PS 5,1 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и 3,2 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НС ПС 500 нм. Компактный монослой PS NS может быть сформирован на стеклянной подложке, покрытой ITO, при указанных выше концентрациях суспензий PS NS и скорости погружения-капли. НС ПС в суспензии НС ПС с высокой концентрацией были более плотными, чем в суспензии НС ПС с низкой концентрацией. Во время процесса погружения-капли сила притяжения формировала компактный массив PS NS из монослоев и диспергированный массив PS NS на стеклянной подложке с покрытием ITO под суспензиями PS NS с высокой и низкой концентрацией, соответственно, из-за недостаточного количества NS PS. были доступны для покрытия стеклянной подложки, покрытой ITO, под суспензией PS NS с низкой концентрацией. При дальнейшем увеличении концентрации суспензии PS NS до 5,4 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм ПС НС 6,8 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и 4,3 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НС ПС 500 нм покрытая ITO стеклянная подложка была покрыта компактным массивом многослойных НС ПС, поскольку в осаждении участвовало слишком много НС ПС. Избыточные PS NS достигли поверхности компактного массива PS NS монослоя, а затем прилипли к нему, образуя компактный массив мультислоев PS NS.

СЭМ-изображения PS NS с концентрацией суспензии PS NS a 1,4 × 10 ¹¹ , b 2,7 × 10 ¹¹ , c 4,1 × 10 ¹¹ , и d 5,4 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм НС ПС; е 1,7 × 10 ¹⁰ , f 3,4 × 10 ¹⁰ , г 5,1 × 10 ¹⁰ , и h 6,8 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм; и я 1,1 × 10 ⁹ , j 2,1 × 10 ⁹ , k 3,2 × 10 ⁹ , и l 4,3 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НС ПС 500 нм при средней скорости падения капель 0,005 мл / с. Вставки c , g, и k представляют собой СЭМ-изображения поперечного сечения НС ПС с концентрацией суспензии НС ПС 4,1 × 10 ¹¹ сфера / см ⁻³ для 100-нм НС PS 5,1 × 10 ¹⁰ сфера / см ⁻³ для НС ПС 200 нм и 3,2 × 10 ⁹ сфера / см ⁻³ для НС ПС 500 нм

Конус выхода света из InGaN / GaN-светодиода ограничен из-за высокого контраста показателей преломления между GaN и воздухом, что приводит к низкому LEE. Пусть k - волновой вектор конуса ухода; затем

где k _N и k _L - волновые векторы, перпендикулярные устройству и плоскости, соответственно. С периодическим слоем окна матрицы PS NS на светодиодах InGaN / GaN, если периодичность показателя преломления периодической матрицы PS NS дифрагирует волноводные моды выше определенной частоты отсечки на моды, распространяющиеся извне, волновой вектор в плоскости изменяется на <б> к _РГ + П к _PS , где k _РГ - волновой вектор волноводного света, параллельного устройству, и k _PS - обратный волновой вектор периодического массива PS NS, заданный как

где x _λ и y _λ - периоды в x и y направления массива PS NS. Для периодической решетки PS NS исходный волновой вектор в плоскости k _L , меняется на k ^{`</sup> <sub>L</sub> и k <sup>`} и может быть выражено как

где n - целое число. Световой конус выхода можно улучшить, изменив периоды в x и y направления для модуляции k _PS ; таким образом, LEE светодиода InGaN / GaN может быть улучшен за счет уменьшения k ^´ _L . Однако оптимальные периоды в x и y Направления относительно частоты среза для удовлетворения длины волны излучения синего светодиода InGaN / GaN трудно получить экспериментальными методами. Чтобы упростить исследование, были использованы программное обеспечение Rsoft (Cybernet Ltd.), полноволновый дополнительный модуль Sim с трехмерным методом FDTD и Rsoft LED Utility для расчета интенсивности света, извлеченного из p-GaN в свободное пространство для InGaN / GaN синего цвета. Светодиоды без и с оконными слоями массива PS NS с разными периодами в x и y направления. На рис. 4а представлена ​​рассчитанная зависимость интенсивности света от периода для светодиодов с матричными оконными слоями PS NS с PS NS диаметром 100, 200 и 500 нм и традиционными светодиодами InGaN / GaN. Расчетные интенсивности света для светодиодов со слоями окон PS NS (синяя, желтая и красная кривые) были выше, чем для обычных светодиодов, как показано на рис. 4a. Кроме того, светодиод с периодическими решетками PS NS диаметром и периодами в x и y в направлениях 100, 100 и 100 нм имеет наивысшую расчетную интенсивность света и показывает коэффициент увеличения в 1,4 раза по сравнению со светодиодом без матрицы PS NS. Это было связано с тем, что конус выхода света для светодиодов InGaN / GaN с периодическими однослойными массивами PS NS может быть улучшен путем регулировки k _PS , тем самым улучшая LEE светодиодов InGaN / GaN с помощью периодических оконных слоев массива PS NS. Чтобы получить максимальную интенсивность света для светодиодов InGaN / GaN, оптимальный диаметр и периоды в x и y Направления для массива PS NS рассчитывались как 100, 100 и 100 нм. Кроме того, чтобы понять улучшенный LEE светодиодов InGaN / GaN с оптимальным периодическим массивом PS NS, связанный с режимом дифракции, интенсивность извлеченного света из p-GaN в свободное пространство для синего светодиода InGaN / GaN без и с оптимальным окном массива PS NS слоев при разной длине волны излучения и под разными углами. На рисунке 4b показана рассчитанная интенсивность света в зависимости от угла при разной длине волны излучения, а на вставке к рисунку 4b показаны угловые спектры синего светодиода InGaN / GaN с оптимальным периодическим слоем окна массива PS NS и без массива PS NS. оконный слой при длине волны излучения 460 нм. Светодиод InGaN / GaN с оптимальной периодической матрицей PS NS, излучаемой на длине волны 460 нм, имеет самый высокий и самый широкий спектр по сравнению со светодиодами с оптимальной периодической решеткой PS NS, излучаемой на 450, 470, 480 и 490 нм, и светодиод InGaN / GaN без Массив PS NS, потому что он удовлетворяет требованиям направляющей моды, дифрагированной в воздухе оптимальным периодическим массивом PS NS.

Расчетная интенсивность а обычные светодиоды и светодиоды с разными периодами для PS NS диаметром 100 и 200 нм и ( b ) под разными углами при разной длине волны излучения. Вставка b отображать угловые спектры синего светодиода InGaN / GaN с оптимальным периодическим слоем окна массива PS NS и без слоя окна массива PS NS при длине волны излучения 460 нм

На рис. 5а показаны ВАХ и L-I светодиоды InGaN / GaN без и с оконным слоем, образованным компактным монослойным массивом PS NS из 100, 200 и 500 нм диаметром. При токе инжекции 20 мА прямые напряжения для светодиодов InGaN / GaN без и с компактным массивом PS NS составляли 3,54, 3,55, 3,55 и 3,55 В. Аналогичные прямые напряжения для светодиодов InGaN / GaN с массивом PS NS и без него. К ним приписывались оконные слои, имеющие одинаковую эпитаксиальную структуру. Кроме того, прямое сопротивление для светодиодов InGaN / GaN без слоев окна массива PS NS было немного ниже, чем у светодиодов со слоями окна массива PS NS, потому что прозрачный проводящий слой ITO был разрушен кислородной плазмой во время гидрофильного процесса. Интенсивности светового выхода для светодиодов InGaN / GaN без и с оконными слоями массива PS NS 100, 200 и 500 нм составляли 112,9, 146,8, 148,0 и 131,1 мкд соответственно, как показано на рис. 5a. Интенсивности светового выхода светодиодов InGaN / GaN без и с оконным слоем массива PS NS показали тенденции, аналогичные расчетным результатам на рис. 4. Фотоны, испускаемые из активной области InGaN / GaN, подверглись ПВО на границе раздела ITO / воздух, потому что они находились за пределами светового конуса эвакуации. Однако светодиоды InGaN / GaN со слоями окон массива PS NS изменили вектор в плоскости ( k _L ^` ), что привело к усилению LEE; следовательно, интенсивность светового потока светодиодов InGaN / GaN с оконными слоями массива PS NS может быть увеличена. Кроме того, угол падения излучаемого света на границе раздела между решеткой PS NS и воздухом зависел от PS NS из-за неплоской поверхности раздела, а также текстурной структуры. Следовательно, слой окна периодической матрицы PS NS улучшал LEE светодиодов InGaN / GaN. На рисунке 5b показаны кривые L-I для обычного светодиода InGaN / GaN и тех светодиодов на основе InGaN / GaN с компактными, беспорядочными и многослойными оконными слоями массива PS. Интенсивность светового выхода InGaN / GaN-светодиода со слоем PS с беспорядком немного выше, чем у обычного светодиода InGaN / GaN, поскольку фотоны могут частично выходить за пределы границы раздела воздух / ITO из-за неупорядоченного слоя окна PS. Кроме того, интенсивность светового выхода светодиода InGaN / GaN с многослойным слоем окна массива PS ниже, чем у обычного светодиода InGaN / GaN из-за низкого коэффициента пропускания (<80%) для многослойного массива PS. На рисунке 5c представлены кривые L-I для обычных светодиодов InGaN / GaN и светодиодов с компактными и периодическими оконными слоями массива PS NS. Диаметр и периоды в x и y Направления для периодических массивов PS NS составляли 100, 100 и 100 нм соответственно, удовлетворяя условию оптимальности, вычисленному по рис. 4. Периодический массив PS NS может быть получен путем травления компактного массива PS NS 200 нм PS NS, и на вставке к рис. 5в показаны схематические структуры светодиодов InGaN / GaN с компактной и периодической решеткой ПС и СЭМ-изображение вытравленной матрицы НС ПС 100 нм с периодами 100 и 100 нм в x и y направления. Светодиод InGaN / GaN с оконным слоем из периодической 100-нм решетки PS NS с периодами в x и y направления 100 и 100 нм показали самую высокую интенсивность светового потока, как показано на рис. 5c, что согласуется с результатами расчетов на рис. 4. Светодиоды InGaN / GaN с оптимальными периодическими слоями окна массива PS NS дали 38 % увеличение интенсивности светового потока по сравнению с без матриц PS NS из-за улучшенного LEE. Кроме того, вставки на рис. 5c и 2f показывают, что NS PS PS демонстрируют хорошую адгезию к ITO и меньшее повреждение травлением во время процесса травления после осаждения.

а ВАХ и L-I кривые для обычного светодиода InGaN / GaN и светодиода InGaN / GaN с компактными оконными слоями массива PS NS диаметром 100, 200 и 500 нм. б Кривые L-I для обычных светодиодов InGaN / GaN и светодиодов InGaN / GaN с периодическими, беспорядочными и многослойными оконными слоями массива PS. c Кривые L-I для обычных светодиодов InGaN / GaN и светодиодов InGaN / GaN с компактными и оптимальными периодическими оконными слоями массива PS NS. Вставка ( c ) показаны схематические структуры светодиодов InGaN / GaN с компактной и периодической решеткой PS. СЭМ-изображение периодического массива PS также представлено на вставке к рис. 5

В таблице 1 приведены средние прямые напряжения и интенсивности светового излучения при токе инжекции 20 мА для выбранных микросхем из разных положений пластин InGaN / GaN с оптимальными оконными слоями массива PS NS, сделанными из трех разных прогонов при одинаковых условиях. Равномерное и надежное расположение PS NS на пластинах InGaN / GaN было чрезвычайно примечательно, поскольку это основной фактор, влияющий на характеристики светодиодов InGaN / GaN. Период и размер НП PS на пластинах InGaN / GaN были относительно одинаковыми; стандартное отклонение от устройства к устройству измеренного увеличения интенсивности излучения составляло около 1,4%, а вариации составляли примерно 1,9% для прямого напряжения и 2,9% для интенсивности выходного света при том же управляющем токе.

На рисунке 6 показаны спектры электролюминесценции в зависимости от длины волны для обычных светодиодов InGaN / GaN и светодиодов InGaN / GaN с оптимальными периодическими оконными слоями массива PS NS при токе возбуждения 20 мА. Интенсивность светового выхода на 465,5 нм и полная ширина на половине максимума спектра излучения для светодиодов InGaN / GaN с оптимальными оконными слоями массива периодических PS NS были сильнее и уже, чем у обычных светодиодов InGaN / GaN. The guided light that is emitted from the InGaN/GaN active region underwent TIR and could not phase match to the radiation modes when the amplitude of the in-plane wave vector in the semiconductor was higher than that in the air [9, 32]. The periodic PS NS array window layers could modulate the amplitude of the in-plane wave vector in the semiconductor to less than that in air, and therefore, the light was emitted from the semiconductor with the periodic PS NS array because the phase of the guided modes matched the radiation modes, resulting in a high light output intensity and a narrow emission spectrum. The insets of Fig. 6 show the micrographs of light emission for the conventional InGaN/GaN LEDs and the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers. The light output intensity for the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers was higher than that of the conventional InGaN/GaN LEDs because of the improved LEE.

Electroluminescence spectra as functions of wavelength for the conventional InGaN/GaN LEDs and InGaN/GaN LEDs with optimal periodic PS NS array window layers

Заключение

PS NS array window layers can improve the LEE of InGaN/GaN LEDs. A compact monolayer PS NS array was obtained by adjusting the average dip-drop speed and PS suspension concentration. The optimal average dip-drop speed and PS NS suspension concentration to obtain a compact monolayer PS NS array were 0.005 mL/s and 4.1 × 10 ¹¹ sphere/cm ⁻³ , respectively, for 100-nm PS NSs; 0.005 mL/s and 5.1 × 10 ¹⁰ sphere/cm ⁻³ , respectively, for 200-nm PS NSs; and 0.005 mL/s and 3.2 × 10 ⁹ sphere/cm ⁻³ , respectively, for 500-nm PS NSs. The calculated and experimental results indicated that the periodic PS NS array window layer with PS NS diameter of 100 nm and periods of 100 nm in the x и y directions effectively enhanced the LEE of the InGaN/GaN LEDs. The InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layer yielded a 38% increase in light output intensity compared with that of the conventional InGaN/GaN LED under a 20-mA driving current because of the high LEE.

Сокращения

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

FDTD:

Конечная разность во временной области

ITO:

Оксид индия-олова

I-V:

current-voltage

LED:

Light-emitting diode

LEE:

Light extraction efficiency

L-I:

Light output intensity-current

PCs:

Photonic crystals

PS NS:

Polystyrene nanosphere

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

TIR:

Total internal reflection