Повышение эффективности извлечения света InGaN/GaN светодиодов с помощью массива полистироловых наносфер, полученного методом dip-drop

Аннотация

Мы демонстрируем экономичный метод dip-drop в сочетании с пост-депозиционным травлением для fabricación периодического массива полистироловых наносфер (PS NS) на индиевой-олово-оксидном (ITO) стекле. Монослойный массив служит фотонно-кристаллическим окном, повышающим эффективность извлечения света (LEE) InGaN/GaN светодиодов. Настраивая скорость dip-drop и концентрацию суспензии PS NS, мы достигаем массива диаметром 100 нм с периодами 100 нм в направлениях x и y. Оптимизированная структура увеличивает выходной свет светодиода на 38% при 20 мА, подтверждая эффективность подхода для масштабируемого производства светодиодов.

Обзор литературы

Фотонные кристаллы (ФК) регулярно применяются для повышения производительности оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды, солнечные батареи и фотодетекторы. ФК создают периодическую модуляцию показателя преломления на масштабе длины волны, которая может дифрактировать направляемые моды в излучаемые каналы. Хотя ФК с высоким контрастом показателя преломления могут открывать полную запрещенную зону, практическая реализация в светодиодах ограничена сложностью fabricación и материальными ограничениями. Альтернативная стратегия — использование периодичности ФК для сдвига впланового волнового вектора направляемого света в конус выхода, тем самым увеличивая эффективность извлечения света (LEE).

GaN-основанные светодиоды страдают от серьезной проблемы захвата света, потому что критический угол для полного внутреннего отражения (ПВО) на границе GaN/воздух составляет только ~23°. Следовательно, внешняя квантовая эффективность (EQE) доминируется LEE. Исследовались многочисленные подходы — включая текстурированные сапфировые подложки, структурированные GaN поверхности и шероховатые боковые стенки — но каждый сталкивается с практическими вызовами, такими как химическое повреждение или ограниченная масштабируемость.

Самосборные покрытия PS NS предлагают перспективную, низкозатратную альтернативу. Их можно осаждать на большие площади с минимальным оборудованием и не требуют высокотемпературной обработки или агрессивного травления. В этой работе мы систематически изучаем dip-drop осаждение монослоев PS NS на ITO, оптимизируем концентрацию суспензии и скорость dip-drop, и демонстрируем 38% улучшение LEE в InGaN/GaN светодиодах.

Экспериментальная часть

Метод dip-drop

Установка dip-drop состоит из стеклянного резервуара с регулируемым выходным клапаном. Смесь деионизированной воды и коллоидного PS NS размешивается для достижения целевой концентрации, затем ITO-покрытый субстрат опускается через жидкость с заданной скоростью. Типичные размеры PS NS составляли 100, 200 и 500 нм, разбавленные до концентраций 4.1×10¹¹, 5.1×10¹⁰ и 3.2×10⁹ сфер/см³ соответственно.

После осаждения субстраты сушали при комнатной температуре ~1.5 ч. Кислородная плазма (0–10 с) использовалась для придания поверхности гидрофильности, оптимизируя адгезию PS NS при избежании чрезмерного повреждения ITO.

Фабрикация светодиодов

InGaN/GaN синие светодиоды выращивали на c-плоскости сапфира методом MOCVD. Структура включает низкотемпературный GaN буфер, сильно Si-легированный n-GaN, InGaN/GaN MQW и Mg-легированный p-GaN. ITO осаждали на слое p-GaN как прозрачный проводник. Меза-изоляция (300 × 300 мкм²) определялась фотолитографией, и Ti/Pt/Au контакты сплавили при 450 °C в течение 5 мин. Готовые вейферы затем погружали в суспензию PS NS для формирования монослойного массива.

Результаты и обсуждение

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показала, что расположение PS NS высоко чувствительно к скорости dip-drop. При высоких скоростях (0.05 мл/с) частицы диспергированы; снижение скорости до 0.01 мл/с дает слабоупакованный слой, а 0.005 мл/с производит плотноупакованный монослой. Крупные сферы (200–500 нм) самособираются легче, чем 100-нм частицы при той же скорости из-за более сильных капиллярных сил.

Концентрация суспензии также управляет покрытием. Концентрации ниже 4.1×10¹¹ сфер/см³ для 100-нм PS NS оставляют зазоры; выше 5.4×10¹¹ сфер/см³ монослой превращается в многослойные структуры, снижающие пропускание. Таким образом, оптимальные условия для компактного монослоя: 0.005 мл/с и 4.1×10¹¹ сфер/см³ (100-нм), 5.1×10¹⁰ сфер/см³ (200-нм) и 3.2×10⁹ сфер/см³ (500-нм).

Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) показывает, что монослой 100-нм PS NS с периодами 100 нм в обоих направлениях обеспечивает максимальную интенсивность извлеченного света, улучшая смоделированный LEE на ~40% относительно голого светодиода. Улучшение возникает из-за дифракционного сдвига впланового волнового вектора в конус выхода.

Экспериментально светодиоды с оптимизированным окном PS NS проявили 38% увеличение светового выхода при 20 мА (с 112.9 мкд до 148.0 мкд). I-V характеристики остались неизменными, подтверждая, что процесс осаждения не меняет электрическое поведение. Светодиоды с дезорганизованными или многослойными массивами PS NS работали лишь незначительно лучше или хуже голого устройства, подчеркивая важность регулярного монослоя.

Равномерность по вейферу была отличной: стандартное отклонение усиления LEE составляло 1.4%, а вариации прямого напряжения и светового выхода были ниже 3%. Электролюминесцентные спектры показали более сильный, более узкий пик при 465.5 нм для светодиодов с улучшением PS NS, отражая уменьшенное повторное поглощение и улучшенное извлечение.

Заключение

Мы установили простой, масштабируемый протокол dip-drop для фабрикации периодического монослоя PS NS на ITO, служащего эффективным фотонно-кристаллическим окном для InGaN/GaN светодиодов. Оптимизация скорости dip-drop (0.005 мл/с) и концентрации суспензии (4.1×10¹¹ сфер/см³ для 100-нм PS NS) дает массив 100 нм с периодами 100 нм, увеличивающий LEE на 38% при 20 мА. Этот метод совместим со стандартными процессами светодиодов, не требует высокотемпературных шагов и подходит для крупносерийного производства.

Аббревиатуры

EQE

Внешняя квантовая эффективность

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

ITO

Индиево-олово-оксид

I-V

Вольт-амперная характеристика

LED

Светодиод

LEE

Эффективность извлечения света

L-I

Световая интенсивность-ток

PCs

Фотонные кристаллы

PS NS

Полистироловые наносферы

SEM

Сканирующая электронная микроскопия

TIR

Полное внутреннее отражение