Многоцветная генерация света в UV-GaN фотонных квазикристаллических нанопирамидах с семиполярными квантовыми ямами InGaN/GaN

Аннотация

Сообщается о большой площади, высококачественной многоцветной эмиссии из 12-кратно симметричного массива GaN фотонных квазикристаллических наностержней, изготовленного наноимпринт-литографией и процессом рероста. Оптическое накачивание InₓGa₁₋ₓN/GaN множественных квантовых ям (MQW) дает эффективное синее (460 нм) и зеленое (520 нм) излучение. Метод конечных элементов (FEM) подтверждает сильное связывание MQW эмиссии с резонансами краев фотонного кристалла.

Обзор

Широкополосные GaN материалы лежат в основе широкого спектра оптоэлектронных устройств — от светодиодов и лазерных диодов до биосенсоров и оптогенетических инструментов. Ключевая задача — реализация фосфор-свободных белых светодиодов, достижимых через мультичип, мононитовые или цветоконвертные архитектуры. GaN наностержневые светодиоды, благодаря низкой дефектности, сниженным внутренним электрическим полям и превосходной эффективности извлечения света, представляют убедительный путь к этой цели.

Многочисленные стратегии исследовались для повышения эффективности извлечения в III-нитридных светодиодах, включая тектурирование поверхности, сапфировые микролинзы, косые меза-дизайны, нанопирамиды, градиентные слои, самосборную литографию, коллоидные микролинзовые массивы и фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы, особенно квазикристаллические или дефектные двумерные конфигурации, продемонстрировали заметные улучшения извлечения света, открывая фотонные запрещенные зоны, перенаправляющие направленные моды в излучаемые. Недавние работы также использовали краевые эффекты в фотонно-кристаллических лазерах для достижения высокомощной, одномодной, когерентной эмиссии.

Хотя электронно-лучевая и лазерно-интерференционная литографии могут производить сложные фотонно-кристаллические паттерны, наноимпринт-литография (NIL) предлагает сопоставимое разрешение с меньшей стоимостью и более высокой производительностью, делая ее привлекательной для крупномасштабной фабрикации. В этой работе демонстрируется многоцветная эмиссия из GaN-базированной двумерной фотонной квазикристаллической (PQC) структуры, изготовленной NIL. 4 см × 4 см PQC паттерн с 12-кратной симметрией имеет решетчную постоянную ~750 нм, диаметр столбиков 300 нм и глубину ~1 мкм. Рерост 430-нм-высоких GaN пирамид и десяти пар семиполярных {10-11} InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW (3 нм/12 нм) на этих столбиках завершает архитектуру устройства.

При комнатнотемпературном оптическом накачивании устройство демонстрирует лазерное действие с низким порогом при одновременной эмиссии нескольких цветов. Предыдущая работа нашей группы сообщала об одноцветном лазировании в GaN PQC структурах; здесь мы расширяем платформу до многоцветной работы, подчеркивая стоимостную эффективность и интегрируемость NIL-базированного подхода.

Методы

Проектирование и фабрикация образца

Рисунок 2 показывает технологический поток: (1) эпитаксиальный рост GaN вефера на C-плоскостном сапфировом подложке методом МОХП при низком давлении; (2) NIL PQC паттерна на бислойной маске SiO₂/PMMA; (3) перенос паттерна в SiO₂ слой реактивно-ионным травлением (CHF₃/O₂); (4) индуктивно-связанная плазмовая травля (Cl₂/Ar) GaN для формирования наностержневого массива. После переноса паттерна боковые стенки наносолбиков пассивируют пористым SiO₂. Последующий рерост при 730 °C создает 430-нм-высокие GaN пирамиды, увенчанные десятипарными InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW (3 нм/12 нм). Используются два состава: In₀.₁Ga₀.₉N/GaN для синего (460 нм) и In₀.₃Ga₀.₇N/GaN для зеленого (520 нм). Глубина травления наностержней ~1 мкм.

SEM изображения подтверждают PQC геометрию и семиполярные MQW фасеты, как показано на Рисунках 3a–3d. {10-11} семиполярные плоскости смягчают квантово-ограниченный Старк-эффект, повышая радиационную эффективность.

Результаты и обсуждение

Образцы A (In₀.₁Ga₀.₉N) и B (In₀.₃Ga₀.₇N) оптически накачивали 325 нм CW He-Cd лазером (~50 мВт). Фотолюминесценция (PL) спектры (Рис. 4a) показывают отдельные пики при 460 нм и 520 нм с полуширинами 40 нм и 60 нм соответственно. CIE координаты (0.19, 0.38) для синего образца и (0.15, 0.07) для зеленого подтверждают высокую цветовую чистоту эмиссии. Более широкий зеленый спектр обусловлен дефектами, вводимыми при более высоком индийском содержании.

FEM симуляции (Рис. 5b) раскрывают спектры прохождения для углов падения 0–25°, повторяющиеся каждые 30° из-за 12-кратной симметрии. Области высокого прохождения соответствуют резонансам краев полосы (M₁, M₂, M₃), выровненным с MQW эмиссионными длинами волн (a/λ ≈ 0.88, 1.0, 1.25). Связывание этих резонансов с MQW эмиссией повышает эффективность извлечения и снижает лазерные пороги. Длина наностержней (~1 мкм) превышает эффективную длину волны в четыре раза, обеспечивая сильное модовое замыкание.

Эти находки демонстрируют, что одно PQC устройство может одновременно поддерживать синее и зеленое лазирование, проложив путь к интегрированным многоцветным источникам света.

Заключение

Мы изготовили 12-кратно симметричный GaN PQC наностержневой массив NIL и достигли эффективной синей (460 нм) и зеленой (520 нм) эмиссии от семиполярных InₓGa₁₋ₓN/GaN MQW, выросших на 430-нм GaN пирамидах. Эмиссионные пики совпадают с PQC краевыми резонансами, предсказанными FEM, подтверждая сильное свет-вещество связывание. Низкозатратный, масштабируемый NIL процесс и врожденные преимущества семиполярных MQW делают эту платформу перспективной для фосфор-свободных многоцветных светодиодов и лазерных диодов.

Доступность данных и материалов

Все данные, поддерживающие выводы этой статьи, включены в рукопись.