Croissance directe de la diode électroluminescente jaune à base de nanofils III-nitrure sur du quartz amorphe à l'aide d'une couche intermédiaire de Ti mince

Contexte

L'utilisation de diodes électroluminescentes (DEL) pour la technologie d'affichage s'est généralisée au cours de la dernière décennie. Ces sources lumineuses sont plus économes en énergie que les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) et conviennent mieux aux appareils électroniques portables grand public. Les LED conventionnelles reposent sur des LED bleues à base de GaN cultivées sur des substrats en saphir. À mesure que la demande de produits LED augmente, la tendance évolue vers l'utilisation de substrats en saphir de plus grand diamètre pour augmenter le rendement de fabrication. Cependant, le substrat de saphir de grande taille est difficile à fabriquer en raison des difficultés de perçage précis du saphir plan c des boules de Kyropoulos tout en maintenant une orientation et une planéité précises du cristal avec un diamètre croissant [1, 2]. En plus des problèmes de fabrication, les LED planaires conventionnelles à base de GaN sont limitées par l'existence de l'espace vert, c'est-à-dire la région spectrale où l'efficacité quantique de la LED diminue pour les longueurs d'onde supérieures à la longueur d'onde verte (520 nm).

Il y a eu plusieurs tentatives pour faire croître des matériaux de nitrure III sur des substrats à base de verre. Auparavant, la croissance épitaxiale de GaN sur du verre en utilisant l'épitaxie par faisceau moléculaire à source de gaz (MBE) [3] et la pulvérisation [4, 5] ont produit un matériau polycristallin de faible qualité, affectant les performances du dispositif. Alternativement, Samsung a démontré la capacité de faire croître des pyramides de GaN presque monocristallines sur du verre par micro-masquage et par la suite par dépôt sélectif de métal organique en phase vapeur (MOCVD) [6, 7]. Cependant, l'évaporation excessive de l'indium dans le MOCVD empêche une incorporation efficace de l'indium pour obtenir des émetteurs dans l'espace vert. Shon et al. a démontré la possibilité d'améliorer la qualité d'un film mince d'InGaN pulvérisé sur du verre amorphe en utilisant du graphène comme couche tampon de pré-orientation, supprimant efficacement la photoluminescence liée aux défauts [8]. Néanmoins, ces méthodes nécessitent des étapes de traitement complexes qui entravent le potentiel d'intégration dans des processus de fabrication à grande échelle.

Une méthode possible pour incorporer directement un émetteur de lumière à base de nitrure III avec un substrat à base de verre consiste à utiliser des nanofils de nitrure III à croissance spontanée à l'aide de MBE. En optimisant les conditions de croissance, il est possible de faire croître spontanément des nanofils de nitrure III sans avoir besoin d'un masque de croissance ou d'un catalyseur [9]. En raison du rapport surface/volume élevé, les nanofils peuvent croître sans dislocation de filetage [10] tout en ayant une contrainte réduite dans la région active. La contrainte réduite permet la fabrication de dispositifs à base de nanofils de nitrure III fonctionnant dans l'espace vert et au-delà [11–16]. Il a été démontré que les nanofils de nitrure III se développent sur divers substrats, tels que le silicium [9, 17, 18], le métal [19-21] et la silice [22-25], ce qui permet d'utiliser une large gamme de substrats. . Actuellement, en raison de la nature isolante du substrat à base de verre, il est difficile de fabriquer un dispositif injecté électriquement sur de la silice tout en maintenant simultanément la conductivité et la transparence.

Dans ce travail, nous avons relevé ce défi et démontré avec succès la croissance et la fabrication d'une LED à base de nanofils InGaN/GaN cultivée sur un substrat de quartz amorphe. Nous avons obtenu simultanément transparence et conductivité en utilisant une couche intermédiaire TiN/Ti translucide comme couche conductrice et site de croissance pour les nanofils. Étant donné que les nanofils croissent spontanément sans relation épitaxiale globale requise avec le substrat, aucune étape de traitement complexe ou coûteuse n'est requise avant la croissance du matériau. La LED nanofils sur quartz émet une lumière jaune à large largeur de ligne centrée à ~ 590 nm, une couleur difficile à obtenir avec les technologies conventionnelles de nitrure de puits quantique planaire, accentuant ainsi davantage l'importance de notre travail actuel.

Pour une démonstration pratique, nous avons également effectué une expérience de réglage de la température de couleur corrélée (CCT) basée sur des sources lumineuses mixtes spontanées et stimulées. L'utilisation de quartz amorphe transparent permet la transmission directe de la lumière d'une diode laser pour la génération de lumière blanche. La croissance de nanofils sur quartz ouvre de nouvelles possibilités et opportunités pour réaliser des émetteurs de lumière intégrés fonctionnant dans l'espace vert tout en bénéficiant de l'évolutivité de la technologie du quartz amorphe. Malgré les débuts technologiques par rapport aux LED planaires au nitrure du groupe III, les propriétés uniques du titane nitruré pour la croissance des nanofils sont primordiales pour permettre une intégration transparente de l'émetteur de lumière sur un substrat transparent.

Méthodes

Croissance matérielle

Les échantillons de nanofils sur quartz ont été cultivés sans catalyseur dans des conditions riches en azote à l'aide d'un système Veeco GEN 930 PA-MBE. Un substrat commercial de quartz amorphe poli double (épaisseur ~  500 μ m) est d'abord nettoyé à l'aide d'acétone et d'alcool isopropylique, puis séché à l'aide d'un brushing à l'azote. Avant la croissance, une couche de Ti de 20 nm d'épaisseur a été déposée en utilisant l'évaporation par faisceau d'électrons pour agir comme la couche intermédiaire conductrice translucide. Après le dépôt de Ti, un autre cycle de nettoyage au solvant à l'aide d'acétone et d'alcool isopropylique est effectué. Deux cycles de dégazage ont été effectués pour éliminer toute humidité et contaminants de la surface du substrat. Après chargement dans la chambre de croissance, la surface du substrat est exposée à un plasma d'azote pour convertir partiellement le Ti en TiN avant d'ouvrir l'obturateur Ga. L'azote a été maintenu à un débit de 1 sccm et à une puissance RF de 350 W pendant la nitruration et tout au long du processus de croissance. Pour la croissance de base de nanofils GaN:Si de type n, la pression équivalente du faisceau de Ga (BEP) était de 6,5 × 10 ⁻⁸ Torr tandis que la température de la cellule Si a été maintenue à 1165 °C. Nous avons utilisé une méthode de croissance en deux étapes pour obtenir du GaN de haute qualité tout en contrôlant la densité des nanofils. La couche de nucléation de nanofils de GaN a été déposée à une température de substrat de 620 °C pendant 10 min, suivie d'une croissance de nanofils de GaN à une température élevée (770 °C). Après la croissance du n-GaN, la région active constituée de cinq paires de disques quantiques InGaN et de barrières quantiques GaN a été déposée. Le BEP était de 5 × 10 ⁻⁸ Torr, et Ga était de 3 × 10 ⁻⁸ Torr pour la croissance du disque quantique. Une section GaN:Mg de type p a été cultivée après la barrière quantique finale de GaN. La cellule Mg a été maintenue à 310 °C pendant la croissance de p-GaN.

Caractérisation optique et structurelle

Les caractéristiques de photoluminescence (PL) des nanofils cultivés sur du quartz ont été mesurées à l'aide de μ dépendant de la température -Mesures PL utilisant un laser HeCd 325 nm comme source d'excitation et un objectif UV × 15. La puissance de sortie du laser est d'environ 3,74 mW. La taille du spot du faisceau est de ~ 1.24 μ m, ce qui donne une densité de puissance d'excitation correspondante de ~ 310 kW/cm ² . L'échantillon a été refroidi à la température de l'azote liquide en utilisant une cellule cryostat (Linkam, THMS 6000). La température est ensuite ajustée de 77 à 300 K. La transparence de l'échantillon a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre Shimadzu UV-3600 UV-vis-NIR. L'étalonnage a été effectué en utilisant l'air comme référence. Les images SEM ont été prises à l'aide de FEI quanta 600. Les caractérisations par microscopie électronique à transmission haute résolution (HRTEM) et STEM annulaire à champ sombre annulaire haute résolution (HAADF-STEM) ont été réalisées à l'aide d'un microscope électronique à transmission Titan 80-300 ST (FEI Company) fonctionnait à une tension d'accélération de 300 kV. La carte de composition élémentaire a été obtenue par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) de la société EDAX.

Fabrication et caractérisation de l'appareil

La fabrication du dispositif est la suivante. Tout d'abord, l'échantillon de nanofils tel que cultivé est nettoyé par un nettoyage au solvant standard à l'aide d'acétone et d'alcool isopropylique, suivi d'un séchage à l'azote. Ensuite, ~ 2 μ m de parylène C se dépose par évaporation thermique. Un processus de gravure en arrière utilisant une gravure ionique réactive par plasma d'oxygène (RIE) est effectué pour exposer les pointes de nanofil de type p. Ensuite, 5 nm de Ni sont déposés par évaporation par faisceau d'électrons, suivis de 230 nm d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) déposés par pulvérisation cathodique magnétron RF comme couche transparente d'étalement du courant. Le recuit est effectué à 500 °C sous Ar ambiant pour améliorer les caractéristiques électriques de la couche transparente d'étalement de courant Ni/ITO. La gravure RIE par plasma à couplage inductif (ICP) est effectuée à l'aide d'ions à base de Cl et d'Ar pour définir la mesa du dispositif. Enfin, un plot de contact Ni/Au est déposé par évaporation par faisceau d'électrons suivie d'un lift-off. La caractérisation L-I-V a été réalisée à l'aide d'un wattmètre Keithley 2400. La mesure et l'imagerie thermiques ont été effectuées à l'aide d'un microscope d'imagerie thermique microradiométrique commercial Optotherm. Avant la mesure de température réelle, une table de cartographie d'émissivité 2D est construite pour chaque pixel de l'image afin de prendre en compte les différentes valeurs d'émissivité de surface causées par les différents composants du matériau. Cela se fait en chauffant l'appareil à 60 °C à l'aide d'une étape de chauffage et en construisant la table à l'aide du logiciel d'analyse d'images thermiques Thermalyze fourni par le système. Une fois le tableau construit, l'étage de chauffage est désactivé et une mesure en fonction du courant est effectuée.

Résultats et discussion

Caractérisation structurale et optique de nanofils cultivés sur quartz

La structure du nanofil se compose d'environ 90 nm de n-GaN, de cinq paires de disques quantiques d'InGaN d'environ 7 nm d'épaisseur et d'une barrière d'environ 14 nm d'épaisseur et d'environ 60 nm de p-GaN. La figure 1a montre une image au microscope électronique à balayage (MEB) en plan de nanofils à haute densité. Les nanofils ont une taille latérale typique de ~ 100 nm et une longueur de ~ 250 nm. La densité des nanofils est calculée statistiquement pour être ~ 9 × 10 ⁹ cm ⁻² , avec un facteur de remplissage de 78 %. Bien qu'un certain degré de coalescence entre plusieurs nanofils puisse être observé, la plupart des nanofils apparaissent disjoints. Les conditions de croissance ont été optimisées à l'aide d'une méthode de croissance en deux étapes séparant la nucléation initiale des graines de GaN et la croissance des nanofils [26]. En utilisant cette méthode, nous avons pu développer des nanofils de haute qualité avec une densité de nanofils maximale tout en minimisant la coalescence entre les nanofils, ce qui nuit aux performances de l'appareil en raison de défauts non radiatifs au niveau des sites de coalescence [27].

un Vue en plan SEM de nanofils d'InGaN/GaN tels que développés sur quartz. b Vue à fort grossissement du champ clair MET de la région p-GaN, montrant la cristallinité du nanofil. L'encart montre le modèle de diffraction électronique de zone sélective pris à partir du nanofil. c Image HAADF d'un seul nanofil et d carte EDX correspondante pour Ga, e Ti, et f cartographie élémentaire composite. La barre d'échelle correspond à 25 nm. g Vue à fort grossissement de l'interface entre la base du nanofil, l'intercalaire et le substrat. La flèche rouge indique la direction de la cartographie élémentaire. h Résultats EDX et EELS correspondants montrant le changement de composition élémentaire à travers les interfaces matérielles. Les résultats EDX sont lissés pour supprimer le bruit

L'image au microscope électronique à transmission en champ clair (MET) à haute résolution du nanofil est illustrée à la figure 1b, ainsi que le diagramme de diffraction de zone sélective correspondant illustré dans l'encart. Le diagramme de diffraction est une indication de la cristallinité du nanofil, montrant la croissance du matériau GaN de haute qualité sur un substrat à réseau mésapparié. L'image à champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) d'un seul nanofil avec la cartographie élémentaire correspondante est illustrée à la Fig. 1c–f. L'image HAADF montre cinq insertions de disque quantique InGaN (qdisk) comme région active, indiquées par des points plus brillants dans le nanofil. A la base du nanofil, une couche semblable à des débris peut être vue. Cette couche est constituée des restes de la graine initiale de nanofil de GaN qui ne se transforme pas en nanofil en raison de l'effet d'ombrage. La cartographie élémentaire montre que les nanofils se développent au-dessus de la couche intermédiaire de Ti et non directement au-dessus du substrat de quartz.

La cartographie élémentaire TEM sur l'interface entre le nanofil, l'intercalaire et le substrat de quartz est également illustrée sur la figure 1g–h pour donner une meilleure compréhension de la composition de l'interface. La cartographie élémentaire pour Ga, Ti et Si a été réalisée à l'aide d'une analyse aux rayons X à dispersion d'énergie (EDX), tandis que la cartographie élémentaire pour O et N a été réalisée à l'aide de la spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS). La cartographie élémentaire réalisée à l'interface confirme que la partie supérieure de la couche de Ti a été partiellement convertie en TiN lors de la croissance à l'intérieur de la chambre MBE, comme l'indique la présence simultanée de Ti et N au-dessus de l'intercalaire. La couche de TiN est estimée à ~ 10 nm d'épaisseur. La nucléation des graines de GaN et la croissance des nanofils se produisent alors au-dessus de la couche de TiN. Le résultat EELS montre l'existence d'un signal d'oxygène à travers la couche TiN/Ti. Ceci est causé par la formation spontanée de TiO₂ natif film car l'échantillon MET est exposé à l'air après préparation [28]. La nucléation directe sur TiN est avantageuse pour la conception de notre appareil, car il est démontré que TiN est capable d'une transparence et d'une conductivité simultanées [29] tout en améliorant la qualité du GaN cultivé dessus [30] et en agissant comme un réflecteur sur une longueur d'onde plus longue. [31].

Les caractéristiques optiques des nanofils cultivés sur quartz ont été mesurées à l'aide d'un μ -Configuration PL avec excitation à 325 nm à partir d'un laser HeCd. A température ambiante, μ -Les spectres PL montrent un large pic. La large largeur de raie est une caractéristique commune aux nanofils de nitrure III en raison de l'inhomogénéité inhérente de structure et de composition entre les nanofils individuels [32]. Le μ dépendant de la température -PL sur la Fig. 2a montre que de 77 à 300 K, μ -Les spectres PL sont décalés vers le rouge et s'élargissent avec l'augmentation de la température. La longueur d'onde maximale et la FWHM pour diverses températures mesurées sont illustrées à la Fig. 2b. Le décalage vers le rouge est dû au rétrécissement de la bande interdite dépendant de la température lié à l'effet Varshni, tandis que l'élargissement du pic avec une augmentation de la température est dû au couplage d'excitons avec des phonons acoustiques [33]. La réduction de l'intensité maximale observée avec l'augmentation de la température est causée par l'augmentation de la recombinaison non radiative due à l'activation de centres de recombinaison non radiative à température élevée, et des porteurs obtenant suffisamment d'énergie thermique pour s'échapper du disque quantique pour se recombiner de manière non radiative. Les résultats du μ dépendant de la puissance -L'expérience PL à 300 K (Fig. 2c) montre que les spectres présentent un décalage vers le bleu négligeable avec l'augmentation de la puissance d'excitation. L'absence de décalage vers le bleu peut être attribuée à la réduction du champ piézoélectrique et à l'effet Stark confiné quantique (QCSE) dans les disques quantiques causés par la relaxation de contrainte radiale dans les structures de nanofils [34].

un Résultat de mesure PL dépendant de la température de 77 à 300 K. b Modification de la longueur d'onde de crête et de la FWHM pour la mesure PL en fonction de la température. c En fonction de la puissance μ -Mesure PL effectuée à 77 K, indiquant un effet Stark confiné quantique réduit

Pour vérifier la faisabilité des nanofils cultivés sur un échantillon de quartz amorphe pour des applications de dispositifs transparents, nous avons comparé la transmittance d'un substrat de quartz recouvert de 20 nm de Ti, d'un substrat de quartz recouvert de Ti qui a subi une nitruration partielle et de nanofils tels que cultivés. sur échantillon de quartz. Le substrat de quartz nu lui-même a une transmittance d'environ 93 % dans le spectre de longueur d'onde visible. Les résultats des mesures sont illustrés à la Fig. 3a. Pour un substrat de quartz nu recouvert de 20 nm de Ti (Fig. 3b), la transmittance n'est que de ~ 22%. Après nitruration (Fig. 3c), la transmittance augmente considérablement de plus de 20 %, en raison de la formation de couche de TiN, comme le confirment les résultats MET. Après la croissance des nanofils (Fig. 3d), la transmittance est partiellement réduite en raison de l'absorption de la lumière de la région active du disque quantique InGaN [35]. Pour une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde d'émission de GaN, la transmittance approche de zéro car les nanofils de GaN eux-mêmes absorberont également la lumière transmise. Les photographies optiques d'un substrat de quartz recouvert de Ti 20 nm, d'un substrat de quartz avec une couche de TiN/Ti, de nanofils tels que cultivés sur du quartz et d'un dispositif fabriqué sont illustrées à la Fig. 3b-e à titre de comparaison.

un Résultats de mesure de la transmittance pour le quartz nu, le substrat de quartz recouvert de 20 nm de Ti, le substrat de quartz recouvert d'une couche de TiN/Ti et un échantillon de nanofil tel que cultivé sur du quartz. b Photographie optique de quartz recouvert de 20 nm Ti; c quartz recouvert de Ti ayant subi une nitruration partielle; d échantillon de nanofil tel que cultivé ; et e dispositif LED fabriqué sur quartz

Caractérisation de l'appareil

Nous avons incorporé les nanofils cultivés sur du quartz dans des LED. Les étapes de fabrication sont décrites dans la Fig. 4. Les étapes de fabrication détaillées sont décrites dans la section « Méthodes ».

Etapes de fabrication des nanofils sur LED quartz

La structure de LED représentée sur la figure 5a se compose des couches suivantes :la plage de contact Ni/Au, la couche transparente de diffusion de courant Ni/ITO, des nanofils de GaN avec cinq disques quantiques d'InGaN intégrés dans un matériau de remplissage diélectrique (parylène C) et un fond TiN /Ti intercalaire. L'intercalaire inférieur TiN/Ti agit comme une couche de contact translucide.

un Schéma du dispositif LED fabriqué. b Photographie optique des nanofils sur LED quartz sous polarisation directe. c L -Je -V caractéristique de la LED. d Spectres d'électroluminescence de la LED sous un courant d'injection variable. e Changement de la FWHM et de la position de longueur d'onde de crête de la LED avec une polarisation directe croissante. f Efficacité quantique externe relative de la LED, montrant une chute d'efficacité à un courant d'injection plus élevé en raison de l'encombrement du courant et du chauffage de jonction

La figure 5 montre les résultats de la caractérisation électrique du a 500 μ m ×500 μ m appareil nanofil sur quartz de taille moyenne. La tension de mise sous tension, par extrapolation linéaire de la région linéaire du V -Je courbe, a été déterminé à ~ 2,6 V. La résistance d'activation (~ 300 Ω ) est supérieur à celui des dispositifs LED à base de nanofils fabriqués sur une plate-forme de silicium et de métal principalement en raison de la conductivité limitée de la fine couche de TiN/Ti en combinaison avec la formation spontanée de TiO₂ isolant couche [36]. Lorsque la transparence du dispositif n'est pas critique, la résistance d'activation peut être améliorée en déposant une couche intermédiaire de Ti plus épaisse avant la croissance. La puissance de sortie lumineuse indiquée dans le résultat du L -Je la mesure est relativement faible, car seule la lumière émise perpendiculairement au plan de l'appareil est collectée. L'émission de lumière du dispositif de la figure 5b montre qu'une partie de la lumière émise par le dispositif se couple dans la zone environnante du substrat de quartz et est partiellement rétrodiffusée perpendiculairement au plan du substrat, ce qui entraîne une faible efficacité d'extraction de la lumière. Cependant, ce résultat met également en évidence la possibilité d'utiliser la LED nanofil sur quartz comme base d'un circuit tout optique sur une plate-forme en verre en concevant soigneusement le couplage et le guidage des photons à l'intérieur du substrat de quartz.

Les résultats de mesure d'électroluminescence (EL) de la Fig. 5d, e montrent une large largeur de raie d'émission supérieure à 120 nm. Le pic d'électroluminescence s'accorde bien avec la température ambiante μ -Mesure PL. À une faible densité de courant d'injection approximativement à l'allumage, la LED présente une large émission spectrale proche de la longueur d'onde rouge. Avec l'augmentation du courant d'injection, le spectre se déplace vers le bleu de 650 nm à 590 nm, réalisant ainsi un réglage sur puce sur le régime de couleur rouge-ambre-jaune. Le décalage vers le bleu de la longueur d'onde de crête est lié à l'effet de remplissage progressif de la bande où, à un courant d'injection élevé, l'électron commence à remplir un état d'énergie plus élevé et à se recombiner, ce qui entraîne une émission à une longueur d'onde de crête plus courte. À un courant d'injection plus élevé, le décalage vers le bleu de la longueur d'onde de crête est saturé, en raison de la compétition entre le décalage vers le bleu et le décalage vers le rouge provoquée par l'augmentation de la température de jonction. À l'aide d'une structure de disque quantique dans un nanofil, le champ de polarisation est réduit grâce à la décharge de traction, permettant ainsi la réalisation d'un dispositif à LED jaune qui est difficile à réaliser avec un dispositif planaire à base de puits quantiques.

Le calcul de l'efficacité quantique externe relative (EEQ) illustré à la Fig. 5f montre que l'efficacité quantique sature à ~ 20 mA avant de commencer à diminuer. Cette réduction d'efficacité est causée par la combinaison d'une propagation limitée du courant et d'un effet de chauffage de jonction, en raison de la faible diffusivité thermique du quartz, entraînant une accumulation de chaleur et un renversement d'efficacité dans le dispositif [37]. Pour étudier le chauffage de jonction dans le dispositif, une caméra infrarouge OptoTherm a été utilisée pour observer directement la température du dispositif sous injection électrique. Nous avons effectué des mesures de température sur deux pixels différents, indiqués par les numéros 2 et 3 dans l'encart de la figure 6a. Cependant, pour la figure 6a, seules les données de mesure du point numéro 2 sont présentées. À une injection de courant de 35 mA, la température de l'appareil dépasse déjà 60 °C, ce qui est nettement plus élevé que les appareils développés sur du silicium et du métal. La figure 6b–d montre la répartition de la chaleur autour de l'appareil à 5, 10, 20 et 30 mA. Sous un courant d'injection plus élevé, on peut voir que la chaleur n'est pas dissipée efficacement, mais s'accumule plutôt dans la zone autour de l'appareil. Une conception plus détaillée d'un support de transport de phonons efficace, compatible avec la plate-forme actuelle au-delà de cette démonstration de validation de concept, est requise.

Mesure de la température de l'appareil à l'aide de la caméra infrarouge OptoTherm. un Changement de température de l'appareil avec l'augmentation du courant d'injection. L'encart montre une image infrarouge de la structure de l'appareil sous zéro polarisation et une barre de couleur ajustée. Le point de mesure est indiqué par le chiffre 2 et la croix violette. Image infrarouge correspondant à la température de l'appareil et de la zone environnante au courant d'injection de b 5, c 10, d 20, et e 30 mA. Les résultats indiquent que la chaleur est concentrée dans la zone autour de l'appareil

Expérience de mélange de couleurs

Une source de lumière blanche de haute qualité accordable par CCT joue un rôle important dans l'électronique grand public, car il a été démontré que la composante de lumière bleue sur l'affichage électronique entraîne une suppression de la mélatonine, interférant efficacement avec le rythme circadien humain [38, 39]. En capitalisant sur les caractéristiques spectrales largement ajustables de l'appareil, nous avons démontré une application pratique d'une génération de lumière blanche largement ajustable par CCT dans une configuration de transmission. Nous avons utilisé la LED nanofil sur quartz comme élément actif largement accordable avec les diodes laser (LD) rouges, vertes et bleues (RVB) comme sources lumineuses secondaires. L'un des avantages de l'utilisation d'une source de lumière jaune à base de nanofils pour générer de la lumière blanche est la large émission inhérente, qui conduit à une valeur d'indice de rendu des couleurs (IRC) élevée. En utilisant la LED jaune en conjonction avec des lasers, nous avons pu concevoir une lumière blanche largement réglable par CCT. L'agencement de la configuration de mélange de couleurs est décrit comme suit.

Tout d'abord, les sorties des LD RVB sont combinées à l'aide d'un combineur de longueur d'onde à trois canaux Thorlabs et collimatées à l'aide d'une lentille de collimation. Ensuite, le faisceau collimaté est réfléchi à l'aide d'un miroir à 45° sur la face arrière de la LED nanofil sur quartz, puis passe à travers la face supérieure de la LED. Enfin, le détecteur est positionné directement au-dessus de la LED nanofil sur quartz pour collecter la lumière de couleur mélangée résultante. Un schéma de l'appareil est présenté sur la figure 7a. Un spectromètre tactile GL Spectis 5.0 a été utilisé pour traiter les valeurs CRI et CCT sur la base de la norme 1931 de la Commission internationale de l'éclairage (CIE).

Expérience de mélange de couleurs. un Configuration d'expérience de mélange de couleurs indiquant les LD rouge, vert et bleu et le dispositif jaune nanowireon-quartz. L'encart montre une photographie optique de LED sous éclairage laser. b Modification du CCT et du CRI avec le courant d'injection de LED variable. c Modification du CCT et du CRI avec le courant d'injection LD variable. Spectre de longueur d'onde et carte CIE 1931 pour une configuration de mélange de couleurs à l'aide de d un LD bleu avec LED jaune nanofil sur quartz et e LD RVB avec LED jaune nanofil sur quartz

Dans la première expérience, le faisceau d'un LD bleu a été combiné avec la lumière jaune de la LED jaune. Pour obtenir la valeur CRI la plus élevée possible, les courants de polarisation du LD et de la LED ont été initialement modifiés, donnant une valeur CRI de 74,5 avec une valeur CCT de 6769 K. Cette valeur est beaucoup plus élevée que notre résultat précédent utilisant un LD/YAG bleu :Ce ³⁺ phosphore pour la génération de lumière blanche [40]. Pour démontrer l'accordabilité des couleurs, la polarisation de la LED ou de la LD a été modifiée, en commençant par la valeur de polarisation qui a produit l'IRC le plus élevé. La figure 7b, c montre l'effet de l'ajustement du courant de polarisation sur les valeurs CRI et CCT. Nous avons pu régler la température de couleur de 2 800 K à plus de 7 000 K tout en maintenant une valeur d'IRC supérieure à 55. La figure 7d montre le spectre de l'IRC le plus élevé atteint, avec l'encart montrant le changement de la coordonnée CIE 1931 en faisant varier le courant de polarisation . Une amélioration supplémentaire de la valeur CRI a été apportée en utilisant des LD RVB en conjonction avec la LED jaune. Lorsque seuls les LD RVB sont utilisés sans le composant de spectre LED jaune, nous avons obtenu une valeur CRI de 55,4. En incorporant la composante du spectre jaune, nous avons pu obtenir une lumière blanche de haute qualité avec une valeur CCT de 7 300 K et une valeur CRI de 85,1 (Fig. 7e), ce qui est nettement plus élevé.

En utilisant la LED nanofil sur quartz en conjonction avec un système de diode laser, nous sommes en mesure de concevoir une source de lumière blanche largement accordable par CCT tout en évitant le problème de la dégradation du phosphore [41]. En contrôlant les caractéristiques spectrales de chaque longueur d'onde individuellement, un réglage fin des caractéristiques de la lumière blanche est possible. De plus, la génération de lumière blanche à base de diode laser est plus avantageuse que celle à base de LED en raison d'une efficacité plus élevée et d'un avantage de coût potentiel [42].

Conclusions

En conclusion, nous avons démontré la croissance de nanofils InGaN/GaN directement sur un substrat de quartz amorphe en utilisant une couche intermédiaire TiN/Ti et avons fabriqué des LED basées sur la plate-forme nanofil sur quartz. En utilisant une structure à base de nanofils, nous avons pu faire croître un matériau de nitrure III hautement cristallin sur du quartz amorphe. La LED nanofil sur quartz permet la réalisation d'une source lumineuse LED basée sur le substrat évolutif et économique. La LED fabriquée émet de la lumière à une longueur d'onde maximale couvrant le jaune-ambre-rouge (longueurs d'onde maximales de 590 à 650 nm) avec une FWHM de plus de 120 nm. En capitalisant sur les caractéristiques spectrales largement accordables de l'appareil, nous avons démontré une génération pratique d'une lumière blanche largement accordable de 3000 à> 7000 K dans une configuration de transmission.