Прямой рост III-нитридных нанопроводниковых светодиодов на аморфном кварце с использованием TiN/Ti промежуточного слоя

Аннотация

Потребительская электроника все больше полагается на ультратонкие стеклянные экраны за их прозрачность, масштабируемость и стоимость. В частности, подсветка дисплеев теперь часто включает светодиоды (СД), напрямую интегрированные с панелью. В этой работе демонстрируется прямой рост и фабрикация III-нитридного нанопроводникового СД на аморфном кварце. Прототип демонстрирует низкое напряжение включения 2,6 В и излучает желтый свет с центром ~590 нм, преодолевая известный «зеленый зазор» нитридных СД. Используя TiN/Ti промежуточный слой, достигли ~40% прозрачности в видимом диапазоне при сохранении электрической проводимости. Нанопроводниковая архитектура минимизирует напряжение и сквозные дислокации по сравнению с обычными планарными квантовыми ямами. Наконец, показано, что широкое, настраиваемое излучение нанопроводников может комбинироваться с лазерными диодами для генерации белого света коррелированной цветовой температуры с высоким CRI.

Введение

Светодиоды стали рабочей лошадкой дисплейной технологии, опередив лампы с холодным катодом в энергоэффективности и портативности. Конвенциальные GaN-базированные синие СД обычно растут на сапфире, и стремление к сапфировым boule большего диаметра внесло производственные вызовы: поддержание точной c-плоскостной ориентации и плоскости поверхности [1, 2]. Более того, планарные GaN СД страдают от «зеленого зазора» — снижения квантовой эффективности для длин волн выше 520 нм.

Попытки выращивать III-нитридные материалы непосредственно на стекле включали газ-источниковую МЛЭ и спуттеринг, давая поликристаллические пленки, деградирующие характеристики устройств [3–5]. Микромаскирование и селективный МОХВД рост Samsung давали близко к однонакристаллическим GaN пирамидам на стекле, однако включение индия оставалось ограниченным из-за испарения при МОХВД [6, 7]. Графеновые буферные слои улучшали качество спуттеренного InGaN на аморфном стекле, но добавляли сложность процесса [8]. Эти подходы подчеркивают необходимость более простого, масштабируемого метода интеграции нитридных СД с прозрачными подложками.

III-нитридные нанопроводники, растущие без катализатора при азото-богатых условиях, могут нуклеировать спонтанно без глобального эпитаксиального соотношения, позволяя рост на разнообразных подложках: кремний, металл, силика [9–25]. Их высокое отношение поверхность/объем подавляет сквозные дислокации и снижает напряжение в активной области, делая их подходящими для излучения в «зеленом зазоре» [10–16]. Диэлектрическая природа стекла, однако, усложняет создание электрически инжектируемого устройства, остающегося прозрачным и проводящим.

Здесь представлен первый прямой рост InGaN/GaN нанопроводников на аморфном кварце с использованием TiN/Ti промежуточного слоя, обеспечивающего прозрачность и проводимость. Полученный нанопроводниковый СД излучает желтый свет (~590 нм) и демонстрирует возможность интеграции нитридной оптоэлектроники с масштабируемыми стеклянными подложками.

Методы

Рост материалов

Образцы растили в системе Veeco GEN 930 PA-МЛЭ при азото-богатых условиях. Коммерческий двухсторонне полированный кварц (~500 мкм толщиной) очищали ацетоном и изопропанолом, сушили азото. 20 нм Ti слой осаждали электронно-лучевым испарением как полупрозрачный проводящий промежуточный слой. После повторной очистки растворителями и двух этапов выгазовки подложка помещалась в камеру роста, где азотоная плазма (1 sccm, 350 Вт RF) частично нитридировала Ti в TiN перед открытием Ga затвора. n-типа GaN:Si нанопроводниковые основы растили с Ga BEP 6,5×10⁻⁸ Торр и температурой Si ячейки 1165 °C. Двухступенчатый подход — нуклеация 620 °C 10 мин, затем рост 770 °C — контролировал плотность нанопроводников. Пять InGaN квантовых дисков (5×10⁻⁸ Торр Ga BEP, 5×10⁻⁸ Торр In BEP) и GaN барьеры осаждали, затем p-типа GaN:Mg слой при 310 °C Mg ячейки.

Оптическая и структурная характеристика

Фотолюминесценция (PL) измеряли 325-нм HeCd лазером (3,74 мВт) и ×15 UV объективом, достигая плотности возбуждения ≈ 310 кВт/см². Образцы охлаждали от 77 К до 300 К в криостате Linkam THMS 6000. Спектры пропускания записывали на спектрофотометре Shimadzu UV-3600 с воздухом как референсом. СЭМ-изображения на FEI Quanta 600, HRTEM и HAADF-STEM на Titan 80-300 при 300 кВ. Элементные карты получали через EDS (EDAX) и EELS.

Фабрикация и характеристика устройств

После очистки осаждали 2 мкм парилена C термическим испарением. Кислородно-плазменное RIE этражировало парилён для экспозиции p-типа кончиков. Ni (5 нм) и ITO (230 нм) осаждали электронно-лучевым испарением и RF-спуттерингом соответственно, формируя прозрачный токораспределяющий слой; отжиг 500 °C в Ar улучшал проводимость. Cl/Ar ICP-RIE определял мезы, Ni/Au контакты добавляли электронно-лучевым испарением и лифт-офф. L-I-V измерения на Keithley 2400. Инфракрасная термография с OptoTherm использовала кастомную карту эмиссивности, сгенерированную нагревом устройства до 60 °C; последующие токозависимые измерения давали локальный температурный подъем.

Результаты и обсуждение

Структурная и оптическая характеристика нанопроводников на кварце

Нанопроводники содержат ≈ 90 нм n-GaN, пять 7-нм InGaN дисков, 14-нм барьеров и ≈ 60 нм p-GaN. План-видовой СЭМ (рис. 1a) показывает высокую плотность, ≈ 100 нм ширину, ≈ 250 нм длину проводников с плотностью 9×10⁹ см⁻² и коэффициентом заполнения 78%. Двухступенчатый рост оптимизировал нуклеацию, минимизируя коалесценцию, вводящую нерадиационные центры.

Ярко-польное ТЭМ (рис. 1b) подтверждает кристаллический GaN рост на решеточно-несовпавшей подложке, HAADF изображение (рис. 1c) раскрывает пять InGaN дисков как яркие точки. Элементное картирование показывает, что нанопроводники нуклеируют на TiN слое, а не непосредственно на кварце. TiN, сформированный при нитридации, ≈ 10 нм толщиной, сохраняет прозрачность и проводимость, также действуя как рефлектор для более длинных длин волн [31].

µ-PL спектры (рис. 2a) демонстрируют широкий пик, который краснеет и расширяется от 77 К до 300 К, согласуясь с сужением запрещенной зоны по Вarshni и экситон-фононным связями. Мощность-зависимая µ-PL (рис. 2c) показывает пренебрежимое синее смещение, указывая на сниженные пьезоэлектрические поля и квантово-конфинанный Старк-эффект благодаря радиальному релаксированию напряжения в нанопроводниковой геометрии.

Измерения пропускания (рис. 3) сравнивают голый кварц (~93% видимого), кварц с 20 нм Ti (~22%), TiN/Ti промежуточный слой (~43%) и асинхронизированные нанопроводники (~40%). TiN слой восстанавливает прозрачность, в то время как активная область умеренно снижает пропускание из-за поглощения InGaN дисками. Оптические фотографии (рис. 3b–e) иллюстрируют визуальное влияние каждого слоя.

Характеристика устройства

Поток фабрикации СД суммирован на рис. 4. Финальный стек устройства (рис. 5a) состоит из Ni/Au контактов, Ni/ITO токораспределителей, нанопроводникового ансамбля с встроенными квантовыми дисками и TiN/Ti заднего контакта.

Устройство 500×500 мкм включается при ≈ 2,6 В (линейная экстраполяция V-I кривой) с сопротивлением ≈ 300 Ом, выше, чем кремниевые нанопроводниковые СД из-за ограниченной проводимости тонкого TiN/Ti слоя и случайного образования TiO₂ [36]. Извлечение света умеренное, так как излучение связывается с кварцем и частично обратно рассеивается. EL измерения раскрывают широкий 120 нм линейную ширину; пик смещается от 650 нм при включении до 590 нм при больших токах, синее смещение вызвано заполнением зон, тогда как термические эффекты противодействуют при высокой инъекции. EQE пик около 20 мА, затем падает, приписывается токам скоплению и плохой теплоотводе в кварце.

Инфракрасная термография (рис. 6) показывает температуру устройства >60 °C при 35 мА, с концентрацией тепла вокруг активной области. Эффективные фонон-транспортные слои необходимы для митигации термического отката в будущих дизайнах.

Эксперимент по смешению цветов

Высококачественный белый свет критичен для дисплеев и освещения. Комбинируя настраиваемый желтый нанопроводниковый СД с RGB лазерными диодами (LD) в передающей конфигурации, производили белый свет с CCT от 2800 К до >7000 К, сохраняя CRI выше 55. Широкий спектр желтого СД улучшает CRI; с только RGB LD CRI достиг 55,4, но добавление желтого компонента подняло до 85,1 при 7300 К (рис. 7e). Установка (рис. 7a) использует Thorlabs трехканальный комбинатор, 45° зеркало и GL Spectis 5.0 спектрометр для извлечения CIE 1931 координат.

Заключение

Продемонстрирован рост InGaN/GaN нанопроводников непосредственно на аморфном кварце через TiN/Ti промежуточный слой и фабрикация СД на этой платформе. Нанопроводниковая архитектура дает высококристалличный нитридный материал на стеклянной подложке, позволяя желто-янтарно-красное излучение (590–650 нм) с 120 нм FWHM. Используя широкий, настраиваемый спектр, достигли широкодиапазонного белого источника (3000–>7000 К) в передающей конфигурации, подчеркивая потенциал нанопроводниковых СД на кварце для масштабируемых прозрачных оптоэлектронных приложений.