Émission multicolore de la structure nanopyramide quasi-cristalline photonique à base de GaN ultraviolet avec plusieurs puits quantiques semipolaires InxGa1−xN/GaN

Contexte

Les matériaux à base de GaN avec une large bande interdite et des propriétés uniques ont été appliqués dans de nombreux systèmes et dispositifs optoélectroniques, y compris les diodes électroluminescentes (LED) [1,2,3] et les diodes laser (LD) [4, 5]. Les LED à base de GaN ont été appliquées dans les feux de circulation, les rétroéclairages d'affichage [6,7,8], l'éclairage à semi-conducteurs [9,10], les biocapteurs [11] et l'optogénétique [12]. L'un des défis pour les LED GaN avancées est de réaliser les LED blanches sans phosphore, y compris les LED blanches multipuces, les LED monolithiques et les LED blanches à conversion de couleur [13, 14]. Une LED nanotige à base de GaN avec une faible dislocation, un faible champ interne et une efficacité d'extraction de lumière élevée [15, 16] pourrait être une solution possible. Diverses approches ont été utilisées pour augmenter l'efficacité d'extraction de la lumière pour les LED à nitrure III, telles que les surfaces rugueuses [17,18,19,20], les microlentilles en saphir [21], la structure oblique mesa [22], les nanopyramides [23], graduées matériaux à indice de réfraction [24], motifs de lithographie auto-assemblés [25], matrices de microlentilles colloïdales [26, 27] et cristaux photoniques [28,29,30,31]. Des cristaux photoniques ont été rapportés dans des configurations de réseau quasi-cristallines ou défectueuses à deux dimensions (2D) et conduisent à une efficacité d'extraction de lumière améliorée dans les LED [32,33,34,35]. La structure cristalline photonique est périodique avec une symétrie de translation. La structure périodique peut présenter une bande interdite photonique pour inhiber la propagation des modes guidés et utilise une structure cristalline photonique pour coupler les modes guidés avec les modes radiatifs [36,37,38,39]. Les lasers à cristal photonique basés sur l'effet de bord de bande présentent plusieurs avantages, tels que des émissions à haute puissance, un fonctionnement monomode et une oscillation cohérente [40,41,42]. La lithographie par faisceau électronique et la lithographie par interférence laser ont été utilisées pour produire la structure cristalline photonique [43, 44]. De plus, du fait que les unités émettrices sont séparées et que les surfaces d'émission se font face, la lumière peut être mélangée efficacement. Ainsi, les nanotiges sont considérées comme ayant un grand avantage pour améliorer l'efficacité lumineuse dans la région d'émission du vert au rouge, et de nombreux efforts ont été adoptés [45, 46].

Cependant, la lithographie par nanoimpression (NIL) offre une résolution de haut niveau, un faible coût et un débit élevé par rapport à d'autres formes de lithographie, notamment l'interférence laser et la lithographie par faisceau électronique [47,48,49]. Dans cette étude, nous avons démontré l'émission de couleurs multiples à partir d'une structure de quasicristaux photoniques (PQC) 2D à base de GaN, comme illustré sur la figure 1. La structure PQC a été fabriquée en utilisant NIL [41, 42]. La surface totale du motif PQC est d'environ 4 cm  ×  4 cm (substrat de saphir de 2 pouces) et possédait une symétrie d'ordre 12 [50, 51], avec une constante de réseau d'environ 750 nm, un diamètre de 300 nm, et la profondeur des nanopiliers est d'environ 1 µm. La structure PQC a formé une bande interdite complète avec la repousse de pyramides de GaN de 430 nm de haut et 10 paires semi-polaires {10-11} In_x Ga_1−x Nanostructures à puits quantiques multiples (MQW) N/GaN (3 nm/12 nm), comme illustré sur la Fig. 1.

Structure schématique de la structure PQC à base de GaN avec la repousse de pyramides semi-polaires {10-11} GaN et 10 paires d'In_x Ga_1−x N/GaN (3 nm/12 nm) MQW

En fonctionnement de pompage à température ambiante, l'appareil démontre une action laser avec une densité de puissance de seuil faible et l'émission de plusieurs couleurs simultanément. Nous avions rapporté l'action laser monocolore de la structure GaN PQC [41, 42]. Cette plate-forme PQC présente les avantages d'un faible coût de fabrication et d'une meilleure intégration du matériau à base de GaN avec des systèmes multicolores. À l'avenir, les lasers à base de GaN à plusieurs couleurs peuvent être attendus avec l'optimisation de la procédure de repousse et la cavité à cristal photonique de haute qualité.

Méthodes

Conception et fabrication de l'échantillon

La figure 2 illustre les procédures schématiques de la fabrication du dispositif. Les procédures de fabrication comprenaient la croissance épitaxiale d'une plaquette de GaN, des motifs NIL de PQC et une gravure sèche. Le matériau à base de GaN a été cultivé dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur métalorganique à basse pression sur un substrat de saphir plan C (0001). Pour préparer une surface propre du substrat en saphir, le substrat a été immergé dans une solution brûlante d'acide sulfurique :acide phosphorique = 3:1, puis chauffe le bécher à température constante pendant 1 h. Le substrat a été nettoyé avec de l'eau DI sous oscillation ultrasonique. Un GaN (1-μm d'épaisseur) a d'abord été cultivé sur un substrat de saphir de 2 pouces à 1160 °C. Un SiO₂ de 0,4 µm un masque et un masque en polymère de 0,2 µm ont ensuite été déposés. Une fois le film polymère sec, un moule à motifs d'une structure PQC de 2 pouces a été placé dessus en appliquant une pression élevée (Fig. 2. étape 1). Le substrat a été chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse du polymère (T _g ). Le substrat et le moule ont ensuite été refroidis à température ambiante pour libérer le moule. Les motifs PQC ont été définis sur la couche de polymère (Fig. 2, étape 2). Les motifs ont ensuite été transférés dans un SiO₂ couche avec gravure ionique réactive (RIE) en utilisant un CHF₃ /O₂ mélange (Figure, étape 3). Le SiO₂ couche a été utilisée comme masque dur. La structure a ensuite été gravée à l'aide d'un plasma à couplage inductif RIE avec un Cl₂ /Ar mélange. Le masque de SiO₂ couche a été retirée à la fin du processus de gravure (Fig. 2, étape 4).

Le schéma du processus de fabrication de la structure GaN PQC. Y compris croissance épitaxiale d'une plaquette de GaN (étape 1), motifs NIL de PQC (étape 2), gravure sèche (étapes 3 et 4) et structure MQW pyramide sur nanotiges après repousse (étape 5)

Avant le processus de repousse, l'échantillon a été passivé avec du SiO₂ poreux sur la paroi latérale des nanopiliers. Les structures de GaN en forme de pyramide ont été repoussées au sommet des nanopiliers de GaN à 730 °C. Les pyramides de 0,43 m de haut contenaient 10 paires d'In_x Ga_1-x Puits quantiques N/GaN (3 nm/12 nm), prenant en charge différentes longueurs d'onde d'émission de couleur bleue et verte, avec le rapport de composition :In_x Ga_1−x Variations de la fraction InN dépendantes du N/GaN. Dans_0.1 Ga_0.9 N/GaN MQW et In_0.3 Ga_0.7 Les MQW N/GaN correspondaient à des longueurs d'onde d'émission de 460 et 520 nm, respectivement (Fig. 2, étape 5). La profondeur de gravure des nanotiges était d'environ 1 um, comme illustré sur la figure 3a. La figure 3b, c montre les images SEM de la structure PQC avec le SiO₂ poreux couche semi-polaire {10-11} In_x Ga_1−x N/GaN MQW. La figure 3d affiche le grossissement de {10-11} semi-polaire In_x Ga_1−x N/GaN MQW avec les facettes des microstructures trapézoïdales. Les plans semi-polaires {10-11} peuvent réduire l'influence de l'effet Stark confiné quantique sur l'efficacité quantique des LED en raison de la stabilité de surface et de la suppression des effets de polarisation [52,53,54,55].

un L'image SEM à angle de vue en mosaïque de la structure PQC. b L'image SEM en coupe transversale de la structure PQC avec SiO₂ poreux . c Image SEM vue de dessus de la structure PQC après la procédure de repousse. d Grossissement de l'image SEM du semi-polaire {10-11} In_x Ga_1−x N/GaN MQW avec les facettes des microstructures trapézoïdales

Pour étudier les propriétés optiques du PQC à base de GaN avec une structure nanopyramide, deux échantillons de GaN PQC ont été préparés :A, In_0.1 Ga_0.9 N/GaN MQW et B, In_0.3 Ga_0.7 MQW N/GaN avec fabrication de repousse. Au cours de l'étape de repousse, la température est la clé pour contrôler le rapport de composition en indium. La température de contrôle du bleu In_0.1 Ga_0.9 N est de 760 à 780 °C et la température de contrôle du vert In_0.3 Ga_0.7 N est de 730 à 740 °C.

Résultats et discussion

Pour démontrer le mode optique de la structure quasi cristalline photonique, les échantillons A et B ont été pompés optiquement par un laser He-Cd à onde continue (CW) à 325 nm avec une puissance incidente d'environ 50 mW. L'émission lumineuse de l'appareil a été collectée par une lentille objective de 15 ×   à travers une fibre multimode, et couplée dans un spectromètre avec des détecteurs de dispositif à couplage de charge. La figure 4a illustre les spectres PL mesurés sous un pompage laser He-Cd à 325 nm CW. Le spectre de la courbe noire est l'émission de lumière avec une longueur d'onde de 366 nm à partir de la structure PQC à base de GaN représentée sur la figure 3a. Les deux échantillons A (courbe bleue) et B (courbe verte) présentaient un fort pic d'émission qui correspondait à des longueurs d'onde d'environ 460 et 520 nm, respectivement, résultant de l'In_x Ga_1-x Structure N/GaN MQW. Les largeurs de raies spectrales des échantillons A et B étaient respectivement de 40 et 60 nm. La figure 4a affiche également des photographies de la structure PQC des échantillons A et B pendant la mesure. Les coordonnées CIE de PL des échantillons A et B étaient (0,19, 0,38) et (0,15, 0,07), respectivement, comme illustré sur la figure 4b. Ainsi, cette plateforme hybride a plusieurs possibilités pour les LED multicolores. Il convient de noter que le pic de l'échantillon B est plus large que celui de l'échantillon A sur la figure 4a. Le spectre légèrement large de l'échantillon B a été attribué à l'existence de défauts et de dislocations générés par la composition plus élevée en indium [56,57,58].

un Spectres PL des nanotiges de matériau à base de GaN (noir), échantillons A (bleu) et B (vert). b Photographies de la structure PQC des échantillons A et B pendant la mesure correspondant aux coordonnées CIE de (0,19, 0,38) et (0,15, 0,07), respectivement

Afin de confirmer que les modes de résonance optique étaient les modes de bord de bande PQC, la méthode des éléments finis (FEM) [59, 60] a été utilisée pour effectuer une simulation pour les réseaux de quasicristaux photoniques à symétrie d'ordre 12. Les spectres de transmission calculés du PQC avec des angles d'incidence avec 0, 5°, 10°, 15°, 20° et 25° comme indiqué sur la figure 5a sont présentés sur la figure 5b. En raison de la symétrie de ces réseaux PQC, les spectres se répéteraient pour chaque angle d'incidence de 30°. La valeur de transmission élevée dans les spectres (couleur bleue) indique que le signal incident est couplé dans les modes de résonance du réseau PQC qui sont les zones du diagramme de bande. Les régions de faible transmission (couleur jaune) indiquent plusieurs bandes interdites photoniques (PBG) de la structure PQC. Le rapport de transmission haut à bas est supérieur à quatre ordres, ce qui montre que les réseaux PQC ont pour effet de sélectionner les modes de propagation dans le dispositif. Les actions laser observées se produisent autour des bords de bande de la structure de bande PQC, qui sont les limites entre les régimes à haute et basse transmission de la figure 5b. La courbe de dispersion plate près du bord de la bande implique une faible vitesse de groupe de la lumière et une forte localisation et conduit aux actions laser des dispositifs. Ces PBG correspondaient à la longueur d'onde d'émission de In_x Ga_1−x N/GaN avec la fréquence normalisée correspondante sont a/λ 0,88, 1,0 et 1,25 qui ont été étiquetés comme mode M₁ , M₂ , et M₃ . Avec le couplage entre les résonances de bord de bande PQC et l'émission des couches InGaN/GaN, l'efficacité d'émission et l'extraction de lumière à la longueur d'onde spécifique seraient encore améliorées. L'action laser du GaN couplée à la haute fréquence M₃ pourrait être réalisé sous une excitation suffisante comme notre précédente démonstration [43, 45]. Pour la repousse In_0.1 Ga_0.9 N et In_0.3 Ga_0.7 N qui couplé à M₂ et M₁ , l'émission de lumière bleue et verte serait amplifiée. Par conséquent, en tirant parti du couplage entre les modes optiques de la structure PQC et In_x Ga_1−x N/GaN, LED multicolores efficaces, LD pourraient être réalisés dans une telle plate-forme hybride. La longueur des nanotiges dans les réseaux cristallins photoniques est également importante pour générer l'amélioration des couleurs de haute qualité. Dans cette étude, afin d'obtenir une amélioration des couleurs de haute qualité, la longueur de nanotige de cristal photonique a été gravée à 1000 nm, ce qui représente plus de quatre fois la longueur d'onde effective. Pour réaliser l'émission multicolore à partir d'un seul appareil PQC à l'avenir, les multiples procédures de repousse doivent être ajoutées au processus d'épitaxie.

un Spectres en double pour chaque angle d'incidence de 30° en raison de la symétrie de la structure PQC. b Spectre de transmission des réseaux de quasicristaux photoniques à symétrie d'ordre 12, calculé par FEM correspondant à différents modes de résonance de bord de bande

Conclusions

En résumé, des nanopiliers GaN PQC symétriques 12 fois ont été fabriqués à l'aide de la technologie NIL. Émissions de couleur bleue et verte à haute efficacité d'In_x Ga_1−x Les MQW N/GaN ont été obtenus avec la procédure de repousse du haut In_x Ga_1−x N/GaN MQW cultivés sur ces facettes, avec un rapport de composition In :In_x Ga_1−x Variations de la fraction InN dépendantes du N/GaN. Les pics d'émission ont été observés autour des longueurs d'onde de 366, 460 et 520 nm résultant de In_0.1 Ga_0.9 N/GaN MQW et In_0.3 Ga_0.7 N/GaN MQW, respectivement. Ces modes d'émission correspondent aux modes de résonance de bande de la structure GaN PQC avec simulation FEM. Les méthodes de fabrication ont démontré un grand potentiel pour être une technique à faible coût pour la fabrication semi-polaire {10-11} In_x Ga_1−x LED N/GaN à utiliser dans la fabrication de sources lumineuses multicolores. Nous pensons que les lasers à quasicristaux photoniques à base de GaN pourraient être intégrés à l'avenir dans des systèmes de sources lumineuses multicolores.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données étayant les conclusions de cet article sont incluses dans l'article.