Préparation d'un réseau de nanosphères de polystyrène périodique à l'aide de la méthode Dip-Drop avec gravure post-dépôt et son application pour améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière d'InGaN/GaN LED

Contexte

Récemment, les cristaux photoniques (PC) ont été largement étudiés pour améliorer l'efficacité des dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes (DEL) [1], les cellules solaires [2] et les photodétecteurs [3]. Les CP sont des structures dans lesquelles une variation périodique de l'indice de réfraction se produit à l'échelle de la longueur d'onde de la lumière dans une ou plusieurs directions [4, 5]. La structure des PC avec un contraste d'indice de réfraction suffisamment grand peut produire une bande interdite photonique dans laquelle la gamme de fréquences de propagation de la lumière est interdite. L'efficacité d'extraction de la lumière (LEE) des LED peut être améliorée en utilisant les PC par deux méthodes. Une approche consiste à concevoir la structure du PC avec une bande interdite pour correspondre aux modes de guide d'ondes piégés dans la LED. La lumière du guide d'ondes à l'intérieur de la bande interdite du PC est bloquée dans la direction latérale de la structure et guidée vers le seul canal d'émission externe pour que la lumière sorte du dispositif. Cependant, cette approche est difficile à réaliser en raison du problème important de traitement du matériau consistant à créer une structure plane avec un contraste d'indice de réfraction suffisamment grand pour ouvrir une bande interdite optique complète. Une autre approche consiste à utiliser l'indice de réfraction périodique du PC pour diffracter le mode de guide d'ondes au-dessus d'une certaine fréquence de coupure dans des modes à propagation externe :k _‖m = k _‖ + nk _pc , où k _‖m et k _‖ sont respectivement les vecteurs d'onde dans le plan modifiés et originaux ; n est un nombre entier ; et k _pc est le vecteur d'onde réciproque dépendant de la constante de réseau PC. Lorsque la périodicité est choisie correctement, le vecteur d'onde dans le plan modifié tombe dans le maïs d'échappement, ce qui entraîne une extraction dans l'air à un angle dépendant de la constante de réseau spécifique dans cette plage. Plusieurs méthodes existent pour définir les structures PC périodiques sur l'oxyde d'indium-étain (ITO) ou le p-GaN, notamment la lithographie par faisceau d'électrons [6,7,8,9], la lithographie holographique laser [10], la technologie de faisceau d'ions focalisés [11 ], la lithographie par nanoimpression [12] et le revêtement de nanosphères de polystyrène colloïdal auto-assemblé (PS NS) [13, 14]. La méthode de revêtement PS NS auto-assemblée présente des avantages tels qu'une disposition sur une grande surface avec un facteur de remplissage changeant progressivement, un processus simple, un équipement sophistiqué et des dommages de gravure.

Les LED à base de nitrure de gallium avec des longueurs d'onde allant de l'ultraviolet au bleu/vert ont attiré une attention considérable de la recherche [15, 16]. Les LED à haute luminosité à base de GaN peuvent être utilisées dans des applications telles que les écrans couleur de grande taille, les communications optiques à courte distance, les feux de signalisation et les rétroéclairages pour les écrans à cristaux liquides couleur [17,18,19]. La luminosité des LED à base de GaN dépend de l'efficacité quantique externe (EQE), qui est le produit de l'efficacité quantique interne et du LEE. En raison du contraste d'indice de réfraction intrinsèquement élevé entre l'espace libre et le matériau semi-conducteur, l'angle critique calculé pour que la lumière générée s'échappe de la couche de p-GaN dans l'air est d'environ 23°. Le petit angle critique a indiqué que peu de photons peuvent être extraits de l'appareil en raison de la réflexion interne totale (TIR). Ainsi, le LEE des LED à base de GaN est très faible, ce qui conduit à un faible EQE pour les LED à base de GaN. Plusieurs études [20,21,22,23] ont utilisé du saphir texturé ou à motifs comme réflecteur arrière pour augmenter le nombre de photons d'échappement. Le LEE pour les LED à base de GaN avec du saphir texturé ou à motifs peut être amélioré par la forte probabilité de photons réfléchis par le saphir. Cependant, la nature mécaniquement et chimiquement forte du saphir rend la rugosité et le modelage une tâche difficile. De plus, il est difficile d'atteindre les petites dimensions des objets de diffusion par photolithographie en raison de la courte longueur d'onde des LED à base de nitrure. Des études [24,25,26] ont rapporté qu'une surface de GaN texturée peut être utilisée pour augmenter l'angle critique afin d'améliorer le LEE. Cependant, la texturation de surface des LED à base de GaN est entravée par le p-GaN mince et la sensibilité du p-GaN aux dommages causés par le plasma et à la détérioration électrique. En plus de la surface texturée de GaN, certaines études [27, 28] ont tenté de rendre les parois latérales de la mesa rugueuses par gravure photochimique ou de créer des parois latérales obliques de la mesa à travers une résine photosensible refondue et d'ajuster le CF₄ débit pendant la gravure à sec pour augmenter le LEE. Cependant, la surface des parois latérales rugueuses de la mesa n'était pas uniforme et le LEE amélioré pour les parois latérales obliques de la mesa était limité dans la région de la paroi latérale [29].

Dans cette étude, nous avons étudié les conditions d'un réseau PS NS compact et périodique sur une surface ITO en utilisant la méthode dip-drop avec gravure post-dépôt et effectué une analyse paramétrique pour optimiser le LEE des LED InGaN/GaN avec le réseau PS NS périodique. Les paramètres de dépôt du réseau compact PS NS sont la vitesse de pendage et la concentration de la suspension PS NS. Les résultats calculés indiquent que le LEE de la LED InGaN/GaN est lié au diamètre et à la période des PS NS. Les LED InGaN/GaN avec et sans matrice PS NS périodique optimale sur ITO sont comparées.

Expérimental

Méthode Dip-Drop

L'équipement requis pour obtenir un réseau PS NS périodique sur LED InGaN/GaN par la méthode dip-drop est très simple et facile à préparer. Il comprend un récipient en verre avec un trou au fond (conteneur principal) et une vanne de réglage de réglage connectée au trou, comme illustré à la Fig. 1 (a ). Différents volumes d'eau déionisée (DI) et une suspension colloïdale de PS NS (Echo Chemical Co., USA) ont été mélangés dans le récipient en verre, et ce mélange a été agité pendant plusieurs minutes pour obtenir une suspension de PS NS avec une concentration spécifique. Trois types de suspension colloïdale PS NS, y compris des PS NS de diamètres 100, 200 et 500 nm, ont été dilués pour le procédé dip-drop. Après agitation, la suspension PS NS a été ajoutée au récipient principal. La soupape de commande d'accord illustrée à la figure 1 (a) a été utilisée pour moduler la vitesse de pendage et de chute de la suspension PS NS. La figure 1 (b) montre le processus de dip-drop schématique pour les LED InGaN/GaN avec une couche de fenêtre de matrice PS NS compacte. Tout d'abord, une plaquette épi InGaN/GaN, qui a été traitée avec un plasma d'oxygène pour obtenir une surface hydrophile, a été placée au fond du conteneur principal, qui contenait la suspension PS NS à une concentration spécifique. Deuxièmement, la suspension de PS NS a été filtrée à travers la vanne de régulation à une vitesse de pendage-goutte constante, et les PS NS ont ensuite été distribuées à la surface de l'épi-wafer InGaN/GaN. Enfin, la matrice PS NS auto-assemblante a été formée sur l'épi-wafer InGaN/GaN après un séchage à température ambiante d'environ 1,5 h. La figure 1 (c) montre les courbes courant-tension (I-V) et intensité lumineuse-courant (L-I) des LED InGaN/GaN avec différents temps de traitement au plasma d'oxygène de 0, 1, 5 et 10 s. Les LED InGaN/GaN avec un temps de traitement au plasma d'oxygène de 5 s représentent une tension directe et une intensité de sortie lumineuse similaires à un courant de commande de 20 mA. Lorsque le temps de traitement au plasma d'oxygène s'élève à 10 s, une résistance directe élevée et une faible intensité de sortie lumineuse peuvent être observées sur la figure 1 (c). La résistivité de l'ITO augmentera en raison d'un fort dommage par bombardement ionique sous un temps élevé de traitement au plasma d'oxygène. A l'inverse, une surface hydrophile ne peut pas obtenir pour le temps traité par plasma d'oxygène inférieur à 5 s. Afin de réduire la complexité du processus expérimental et d'obtenir l'arrangement optimal de PS NS pour les LED InGaN/GaN, les intensités optiques pour les LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de matrice PS NS avec divers diamètres et périodes de PS NS dans le x et y les directions ont été calculées à l'aide de la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD).

(un ) Équipement, (b ) processus de la méthode dip-drop, et (c ) I-V et L-I des LED InGaN/GaN avec différents temps de traitement au plasma d'oxygène

Fabrication de LED bleues InGaN/GaN avec un tableau PS NS périodique sur une couche ITO

Les épi-wafers de LED bleues InGaN/GaN ont été cultivées sur un substrat de saphir c-face (0001) en utilisant un système de dépôt chimique en phase vapeur métal-organique. La structure du dispositif se compose d'une couche tampon de GaN développée à basse température, d'une couche de GaN de type n hautement dopée au silicium, d'une région active à puits quantiques multiples (MQW) InGaN/GaN et d'une couche de GaN de type p dopée au Mg. L'ITO a été déposé sur la couche de GaN de type p en tant que couche conductrice transparente pour diffuser le courant d'injection. La plaquette a ensuite été modelée à l'aide du processus photolithographique standard pour définir des mesas carrés comme régions émettrices en gravant partiellement les MQW/n-GaN ITO/p-GaN/InGaN/GaN exposés. Un alliage Ti/Pt/Au a été utilisé comme métal de contact ohmique sur les régions de contact p- et n-GaN, et la plaquette a ensuite été alliée dans un N₂ atmosphère pendant 5 min à 450 °C. La taille de la fenêtre d'émission pour les LED InGaN/GaN avec ITO était de 300 × 300 μm ² . La plaquette finie a été placée dans la suspension PS NSs pour déposer la matrice PS NS compacte sur la couche ITO.

Résultats et discussion

Les figures 2a–i montrent des images de microscopie électronique à balayage (MEB) des PS NS avec des diamètres de 100, 200 et 500 nm, sur le substrat de verre revêtu d'ITO, avec des vitesses moyennes de pendage-goutte de 0,05, 0,01 et 0,005 ml/ s. Les concentrations des suspensions PS NS étaient de 4,1 × 10 ¹¹ sphères/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm, 5.1 × 10 ¹⁰ sphères/cm ⁻³ pour le PS NS 200 nm, et 3,2 × 10 ⁹ sphères/cm ⁻³ pour le PS 500 nm NS. Les PS NS présentaient une distribution largement dispersée sur un substrat de verre recouvert d'ITO sous une vitesse moyenne de pendage-goutte élevée, mais ils formaient un réseau compact lorsque la vitesse moyenne de pendage-goutte était diminuée, comme le montre la figure 2. L'agencement du PS NSs dépend de la forme de la surface du liquide, qui est liée à la force capillaire latérale [30]. La force capillaire latérale peut être classée comme une force flottante ou une force d'immersion. La force de flottement est causée par le poids des particules et la force d'Archimède, tandis que la force d'immersion résulte de l'action capillaire [31]. Pendant le processus de pendage-goutte, la force flottante dominait en raison de l'effet de la gravité. La force flottante peut être attractive ou répulsive entre deux PS NS en fonction de la forme de la surface entre l'air et la solution aqueuse. Une vitesse de chute moyenne élevée provoque une perturbation dramatique dans la suspension PS NS près de la soupape de commande de réglage, et la perturbation entraîne une surface convexe entre l'air et la solution aqueuse, conduisant à une force flottante répulsive entre deux PS NS. Les PS NS ont été séparés par la force flottante répulsive pendant le processus de pendage-goutte, résultant en un arrangement PS NS désordonné sur le substrat de verre recouvert d'ITO, comme observé sur les Fig. 2a, d, g. Lorsque la vitesse de chute moyenne a été réduite à 0,01 ml/s, la perturbation près de la soupape de commande d'accord a été atténuée, comme le montrent les figures 2b, e, h. Cette faible perturbation a provoqué une faible force de flottement répulsive et a produit un espace plus petit entre deux PS NS qu'à la vitesse de pendage-goutte de 0,05 ml/s. Lorsque la vitesse moyenne de pendage-goutte a été réduite à 0,005 ml/s, la forme de la surface entre l'air et la solution aqueuse est devenue concave, générant une force de flottement attractive entre les deux PS NS pendant le processus de pendage-goutte. La force flottante attractive peut donner lieu à une matrice PS NS compacte sur le substrat de verre recouvert d'ITO, comme le montre la figure 2c, f, i. De plus, les PS NS avec des diamètres de 200 et 500 nm présentaient un arrangement plus compact sur le substrat de verre recouvert d'ITO par rapport aux PS NS de 100 nm de diamètre sous une vitesse moyenne similaire de pendage-goutte parce qu'une surface de forme concave entre l'air et solution aqueuse a été facilement formée pour PS NS avec de grands diamètres. Lorsque la vitesse moyenne de dip-drop a été encore réduite à < 0,005 ml/s, la matrice PS NS fabriquée à l'aide de la méthode de dip-drop est devenue peu pratique pour les LED en raison du faible débit. Pour trouver la distribution du réseau compact PS NSs sur le 0.5 × 0.5-mm ² Substrat de verre recouvert d'ITO, Fig. 2j–m montre les images SEM de PS NS de 200 nm de diamètre sous les vitesses moyennes de pendage-goutte de 0,005 ml/s dans les régions du coin supérieur droit, supérieur gauche et inférieur droit , et en bas à gauche du substrat de verre recouvert d'ITO. Ces images représentent une distribution uniforme et compacte du réseau PS NSs sur le substrat de verre recouvert d'ITO, suggérant que la LED InGaN/GaN avec une couche de fenêtre de réseau PS NSs uniforme et compacte peut être proposée en utilisant la méthode dip-drop.

Images SEM de PS NS d'un diamètre de 100, 200 et 500 nm à la vitesse de chute moyenne de a , d , g 0,05 ml/s ; b , e , h 0,01 ml/s ; et c , f , je 0,005 ml/s, et les images SEM de PS NS avec 200 nm et des vitesses moyennes de dip-drop de 0,005 ml/s dans les régions de j en haut à droite, k en haut à gauche, l en bas à droite, et m en bas à gauche de 0,5 × 0,5 mm ² Substrat en verre revêtu d'ITO . Les concentrations de la suspension PS NS diluée dans de l'eau DI étaient de 4,1 × 10 ¹¹ sphères/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm, 5.1 × 10 ¹⁰ sphères/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm, et 3,2 × 10 ⁹ sphères/cm ⁻³ pour les NS PS 500 nm

La concentration de la suspension PS NS affecte également l'agencement PS NS et le nombre de couches du réseau PS NS. Les suspensions PS NS avec des concentrations élevées donnent des matrices PS NS compactes avec monocouche ou multicouches, tandis que les suspensions avec une faible concentration peuvent générer des matrices PS NS lâches ou compactes avec des monocouches. Les matrices PS NS multicouches présentent des défauts tels qu'une faible transmittance, une définition difficile de la période PS NS et une faible fiabilité, ce qui les rend inadaptées aux applications LED. La concentration optimale de la suspension PS NS doit être déterminée pour obtenir une matrice PS NS monocouche compacte. Dans cette étude, la concentration d'une suspension de PS NS a été définie comme le rapport entre le nombre de PS NS et le volume de la suspension. La figure 3 montre les images SEM de PS NS sur le substrat de verre recouvert d'ITO pour diverses concentrations de suspension PS NS :(a) 1,4  ×  10 ¹¹ , (b) 2,7 × 10 ¹¹ , (c) 4.1 × 10 ¹¹ , et (d) 5,4 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm ; (e) 1,7 × 10 ¹⁰ , (f) 3,4 × 10 ¹⁰ , (g) 5,1 × 10 ¹⁰ , et (h) 6,8 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm; et (i) 1,1 × 10 ⁹ , (j) 2.1 × 10 ⁹ , (k) 3,2 × 10 ⁹ , et (l) 4,3 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 500 nm avec une vitesse moyenne de dip-drop de 0,005 mL/s. Lorsque la concentration de la suspension PS NS était < 4.1 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm, < 5.1 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm, et < 3.2 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 500 nm, certaines zones du substrat de verre revêtu d'ITO étaient exemptes de NS PS, comme le montrent les figures 3a, b, e, f, i, j. Lorsque la concentration a été augmentée à 4.1 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour NS PS 100 nm, 5.1 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm et 3,2 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les PS NS de 500 nm, un réseau compact de PS NS de monocouches recouvrait le substrat de verre recouvert d'ITO, comme le montrent les figures 3c, g, k. Les encarts des Fig. 3c, g, k montrent les images SEM en coupe transversale des PS NS sur le substrat de verre recouvert d'ITO sous les concentrations de suspension PS NS de 4,1 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour NS PS 100 nm, 5.1 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm et 3,2 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 500 nm. Une monocouche PS NS compacte peut être formée sur le substrat de verre recouvert d'ITO sous des concentrations de suspensions PS NS et une vitesse de pendage-goutte ci-dessus. Les PS NS de la suspension PS NS à haute concentration étaient plus denses que celles de la suspension PS NS à faible concentration. Au cours du processus de dip-drop, la force flottante attractive a formé un réseau compact de PS NS de monocouches et un réseau de PS NS dispersé sur le substrat de verre recouvert d'ITO sous les suspensions PS NS à haute et basse concentration, respectivement, en raison de l'insuffisance des PS NS étaient disponibles pour recouvrir le substrat de verre recouvert d'ITO sous la suspension PS NS à faible concentration. Lorsque la concentration de la suspension PS NS a encore été augmentée à 5,4   × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm, 6,8 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm et 4,3 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les PS NS de 500 nm, le substrat de verre recouvert d'ITO était recouvert d'un réseau compact de PS NS de multicouches car de manière excessive, de nombreuses PS NS ont participé au dépôt. Les PS NS en excès ont atteint la surface du réseau compact PS NS de la monocouche puis s'y sont collés pour former le réseau compact PS NS de multicouches.

Images SEM de PS NS avec des concentrations de suspension PS NS de a 1,4 × 10 ¹¹ , b 2,7 × 10 ¹¹ , c 4.1 × 10 ¹¹ , et d 5.4 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 100 nm ; e 1,7 × 10 ¹⁰ , f 3,4 × 10 ¹⁰ , g 5.1 × 10 ¹⁰ , et h 6,8 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm; et je 1,1 × 10 ⁹ , j 2.1 × 10 ⁹ , k 3.2 × 10 ⁹ , et l 4.3 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 500 nm à une vitesse moyenne de dip-drop de 0,005 mL/s. Les encarts de c , g, et k représentent les images SEM en coupe de PS NS avec des concentrations de suspension PS NS de 4,1 × 10 ¹¹ sphère/cm ⁻³ pour NS PS 100 nm, 5.1 × 10 ¹⁰ sphère/cm ⁻³ pour les NS PS 200 nm et 3,2 × 10 ⁹ sphère/cm ⁻³ pour NS PS 500 nm

Le cône d'échappement de lumière d'une LED InGaN/GaN est limité en raison du contraste d'indice de réfraction élevé entre le GaN et l'air, ce qui entraîne un faible LEE. Soit k être le vecteur d'onde du cône d'échappement ; puis,

où k _N et k _L sont les vecteurs d'onde normaux à l'appareil et dans le plan, respectivement. Avec la couche de fenêtre du réseau PS NS périodique sur la LED InGaN/GaN, si la périodicité de l'indice de réfraction d'un réseau PS NS périodique diffracte les modes guidés par ondes au-dessus d'une certaine fréquence de coupure en modes de propagation externe, le vecteur d'onde dans le plan devient k _GT + nk _PS , où k _GT est le vecteur d'onde de la lumière guidée par onde parallèle à l'appareil, et k _PS est le vecteur d'onde réciproque du tableau périodique PS NS, donné par

où x _λ et y _λ sont des points dans le x et y directions du réseau PS NS. Pour un réseau PS NS périodique, le vecteur d'onde dans le plan d'origine, k _L , devient k ^{`</sup> <sub>L</sub> et k <sup>`} et peut être exprimé comme

où n est un entier. Le cône d'échappement de lumière peut être amélioré en modifiant les périodes dans le x et y instructions pour moduler k _PS ; ainsi, le LEE de la LED InGaN/GaN peut être amélioré en réduisant k ^´ _L . Cependant, les périodes optimales dans le x et y les directions relatives à la fréquence de coupure pour satisfaire la longueur d'onde d'émission de la LED bleue InGaN/GaN sont difficiles à obtenir par des processus expérimentaux. Pour simplifier l'enquête, le logiciel Rsoft (Cybernet Ltd.), le module complémentaire Sim fullwave avec méthode FDTD tridimensionnelle et l'utilitaire Rsoft LED ont été utilisés pour calculer l'intensité lumineuse extraite de p-GaN pour libérer de l'espace pour InGaN/GaN bleu LED sans et avec les couches de fenêtre de matrice PS NS avec différentes périodes dans le x et y directions. La figure 4a présente l'intensité lumineuse calculée en fonction de la période pour les LED avec des couches de fenêtre de réseau PS NS avec des PS NS de 100, 200 et 500 nm de diamètre et des LED InGaN/GaN conventionnelles. Les intensités lumineuses calculées pour les LED avec les couches de fenêtre PS NS (courbes bleues, jaunes et rouges) étaient plus élevées que celles des LED conventionnelles, comme le montre la figure 4a. De plus, la LED avec des tableaux périodiques PS NS du diamètre et des périodes en x et y les directions de 100, 100 et 100 nm ont l'intensité lumineuse calculée la plus élevée et montrent un facteur amélioré de 1,4 par rapport à la LED sans matrice PS NS. En effet, le cône d'échappement de lumière pour les LED InGaN/GaN avec des matrices PS NS périodiques monocouche peut être amélioré en ajustant k _PS , améliorant ainsi le LEE des LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de réseau PS NS périodiques. Pour obtenir l'intensité lumineuse maximale pour les LED InGaN/GaN, le diamètre optimal et les périodes en x et y les directions pour le réseau PS NS ont été calculées comme 100, 100 et 100 nm. De plus, pour comprendre le LEE amélioré des LED InGaN/GaN avec une matrice PS NS périodique optimale liée au mode de diffraction, l'intensité lumineuse extraite de p-GaN vers l'espace libre pour la LED bleue InGaN/GaN sans et avec la fenêtre de matrice PS NS optimale couches sous différentes longueurs d'onde et angles d'émission ont été calculées. La figure 4b montre l'intensité lumineuse calculée en fonction de l'angle varié sous les différentes longueurs d'onde d'émission, et l'encart de la figure 4b affiche les spectres angulaires de la LED bleue InGaN/GaN avec la couche de fenêtre de matrice PS NS périodique optimale et sans matrice PS NS couche fenêtre sous une longueur d'onde d'émission de 460 nm. La LED InGaN/GaN avec un réseau PS NS périodique optimal émis à une longueur d'onde de 460 nm présente le spectre le plus élevé et le plus large par rapport à ceux avec un réseau PS NS périodique optimal émis à 450, 470, 480 et 490 nm et la LED InGaN/GaN sans Réseau PS NS car il satisfait le mode guide diffracté dans l'air par le réseau PS NS périodique optimal.

Intensité calculée de a LED conventionnelles et LED de périodes différentes pour les PS NS de diamètres 100 et 200 nm et (b ) angle variable sous les différentes longueurs d'onde d'émission. L'encart de b afficher les spectres angulaires de la LED bleue InGaN/GaN avec la couche de fenêtre de réseau PS NS périodique optimale et sans couche de fenêtre de réseau PS NS sous une longueur d'onde d'émission de 460 nm

La figure 5a montre les courbes I-V et L-I des LED InGaN/GaN sans et avec la couche de fenêtre formée par un réseau compact monocouche PS NS de 100, 200 et 500 nm de diamètre PS NS. Sous le courant d'injection de 20 mA, les tensions directes pour les LED InGaN/GaN sans et avec le réseau compact PS NS étaient de 3,54, 3,55, 3,55 et 3,55 V. Les tensions directes similaires pour les LED InGaN/GaN avec et sans réseau PS NS des couches de fenêtre leur ont été attribuées ayant la même structure épitaxiale. De plus, la résistance directe des LED InGaN/GaN sans couches de fenêtre de matrice PS NS était légèrement inférieure à celle de celles avec des couches de fenêtre de matrice PS NS, car la couche de conduction transparente ITO a été dégradée par le plasma d'oxygène pendant le processus hydrophile. Les intensités de sortie lumineuse pour les LED InGaN/GaN sans et avec les couches de fenêtre de matrice PS NS de 100, 200 et 500 nm étaient respectivement de 112,9, 146,8, 148,0 et 131,1 mcd, comme le montre la figure 5a. Les intensités de sortie lumineuse des LED InGaN/GaN sans et avec la couche de fenêtre du réseau PS NS ont montré des tendances similaires aux résultats calculés de la Fig. 4. Les photons émis par la région active InGaN/GaN ont subi un TIR à l'interface ITO/air car ils étaient à l'extérieur du cône d'échappement de lumière. Cependant, les LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de matrice PS NS ont changé le vecteur dans le plan (k _L ^` ), résultant en un LEE amélioré ; par conséquent, l'intensité de sortie lumineuse des LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de réseau PS NS peut être augmentée. De plus, l'angle d'incidence de la lumière d'émission à l'interface entre le réseau PS NS et l'air a été affecté par les PS NS en raison de l'interface non plane ainsi que de la structure texturale. Par conséquent, la couche de fenêtre de réseau PS NS périodique a amélioré le LEE des LED InGaN/GaN. La figure 5b montre les courbes L-I de la LED InGaN/GaN conventionnelle et des LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de réseau PS compactes, désordonnées et multicouches. L'intensité de sortie lumineuse de la LED InGaN/GaN avec couche PS de désordre montre une LED InGaN/GaN légèrement supérieure à celle des LED InGaN/GaN conventionnelles car les photons peuvent être partiellement découplés à l'interface air/ITO par la couche de fenêtre PS de désordre. De plus, l'intensité de sortie lumineuse de la LED InGaN/GaN avec une couche de fenêtre de matrice PS multicouche est inférieure à celle d'une LED InGaN/GaN conventionnelle en raison de la faible transmittance (<80 %) pour la matrice PS multicouche. La figure 5c présente les courbes L-I des LED InGaN/GaN conventionnelles et celles avec des couches de fenêtre de réseau PS NS compactes et périodiques. Le diamètre et les périodes en x et y les directions des réseaux PS NS périodiques étaient respectivement de 100, 100 et 100 nm, satisfaisant la condition d'optimalité calculée à partir de la figure 4. Le réseau PS NS périodique peut être obtenu en gravant le réseau PS NS compact de NS PS 200 nm, et l'encart de la figure 5c montre les structures schématiques des LED InGaN/GaN avec un réseau PS compact et périodique et une image SEM du réseau PS NS gravé de 100 nm avec des périodes de 100 et 100 nm dans le x et y directions. La LED InGaN/GaN avec la couche de fenêtre du réseau PS NS périodique de 100 nm avec des périodes dans le x et y les directions de 100 et 100 nm présentaient l'intensité de sortie lumineuse la plus élevée, comme le montre la figure 5c, ce qui était en accord avec les résultats calculés de la figure 4. Les LED InGaN/GaN avec les couches de fenêtre de réseau PS NS périodiques optimales ont donné un 38 % d'augmentation de l'intensité lumineuse par rapport à ceux sans matrice PS NS en raison de l'amélioration du LEE. De plus, les encarts de la figure 5c et de la figure 2f indiquent que les PS NS présentent une bonne adhérence sur l'ITO et moins de dommages de gravure pendant le processus de gravure post-dépôt.

un Courbes I-V et L-I pour la LED InGaN/GaN conventionnelle et la LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de matrice PS NS compactes de PS NS de 100, 200 et 500 nm de diamètre. b Courbes L-I pour les LED InGaN/GaN conventionnelles et les LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de réseau PS périodiques, désordonnées et multicouches. c Courbes L-I pour les LED InGaN/GaN conventionnelles et les LED InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de réseau PS NS périodiques compactes et optimales. L'encart de (c ) montre les structures schématiques des LED InGaN/GaN avec un réseau PS compact et périodique. L'image SEM du tableau PS périodique la représente également dans l'encart de la figure 5

Le tableau 1 répertorie les tensions directes moyennes et les intensités de sortie lumineuse au courant d'injection de 20 mA pour les puces sélectionnées à partir de différentes positions de plaquettes InGaN/GaN avec des couches de fenêtre de matrice PS NS optimales constituées de trois passages différents dans les mêmes conditions. Un agencement uniforme et fiable des PS NS sur les plaquettes InGaN/GaN était extrêmement remarquable car c'est le principal facteur affectant les performances des LED InGaN/GaN. La période et la taille des PS NS sur les plaquettes InGaN/GaN étaient relativement similaires; l'écart type d'appareil à appareil de l'amélioration mesurée de l'intensité d'émission était d'environ 1,4 %, et les variations étaient d'environ 1,9 % pour la tension directe et de 2,9 % pour l'intensité de sortie lumineuse sous le même courant d'entraînement.

Figure 6 shows the electroluminescence spectra as a function of wavelength for the conventional InGaN/GaN LEDs and the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers under the driving current of 20 mA. The light output intensity at 465.5 nm and full width at half maximum of the emission spectrum for the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers were stronger and narrower than those of the conventional InGaN/GaN LEDs. 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

Conclusion

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 and 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.

Abréviations

EQE:

External quantum efficiency

FDTD:

Finite-difference time-domain

ITO:

Indium-tin-oxide

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 :

Scanning electron microscopy

TIR:

Total internal reflection