Génération de lumière multicolore dans des nanopyramides de quasicristal photonique GaN UV avec puits quantiques InGaN/GaN semipolaires

Résumé

Nous rapportons une émission multicolore de grande surface et haute qualité à partir d'un réseau de nanorods de quasicristal photonique (QCP) GaN à symétrie 12 fois, fabriqué par nanoimpression lithographique (NIL) et un processus de régénération. Le pompage optique de puits quantiques multiples (PQM) In_xGa_1-xN/GaN produit une lumière bleue (460 nm) et verte (520 nm) efficaces. Les simulations par éléments finis confirment un fort couplage entre l'émission des PQM et les résonances de bord de bande du cristal photonique.

Contexte

Les matériaux GaN à large bande interdite sous-tendent un large spectre de dispositifs optoélectroniques — des LED et diodes laser aux biosenseurs et outils optogéniques. Un défi clé reste la réalisation de LED blanches sans phosphore, réalisables par architectures multi-puces, monolithiques ou à conversion de couleur. Les LED à nanorods GaN, grâce à leur faible densité de défauts, champs électriques internes réduits et efficacités d'extraction de lumière supérieures, présentent une voie convaincante vers cet objectif.

De nombreuses stratégies ont été explorées pour booster l'efficacité d'extraction dans les LED III-nitrures, incluant texturation de surface, microlentilles saphir, designs mesa obliques, nanopyramides, couches à indice gradué, lithographie auto-assemblée, réseaux de microlentilles colloïdales et cristaux photoniques. Les cristaux photoniques, surtout configurations quasicristallines ou bidimensionnelles défectueuses, ont démontré des améliorations notables de l'extraction de lumière en ouvrant des bandes interdites photoniques qui redirigent les modes guidés vers des modes radiatifs. Des études récentes ont aussi exploité les effets de bord de bande dans les lasers à cristal photonique pour atteindre une émission cohérente, monomode et de haute puissance.

Bien que la lithographie par faisceau d'électrons et par interférence laser puissent produire des motifs de cristal photonique complexes, la nanoimpression lithographique (NIL) offre une résolution comparable avec un coût inférieur et un débit plus élevé, la rendant attractive pour la fabrication grande surface. Dans ce travail, nous démontrons l'émission multicolore d'une structure de quasicristal photonique (QCP) GaN bidimensionnelle fabriquée par NIL. Le motif QCP de 4 cm × 4 cm, à symétrie 12 fois, a une constante de réseau de ~750 nm, diamètre de pilier 300 nm et profondeur ~1 µm. La régénération de pyramides GaN de 430 nm de haut et de PQM semipolaires {10-11} In_xGa_1-xN/GaN (3 nm/12 nm) à dix paires sur ces piliers complète l'architecture du dispositif.

Sous pompage optique à température ambiante, le dispositif présente une action laser à seuil bas tout en émettant simultanément plusieurs couleurs. Des travaux antérieurs de notre groupe rapportaient un lasing monochrome depuis des structures QCP GaN ; ici nous étendons cette plateforme à l'opération multicolore, soulignant la rentabilité et l'intégrabilité de l'approche de fabrication basée NIL.

Méthodes

Conception et fabrication de l'échantillon

La figure 2 décrit le flux de fabrication : (1) croissance épitaxiale d'un wafer GaN sur substrat saphir plan C par dépôt chimique en phase vapeur organométallique basse pression ; (2) NIL du motif QCP sur masque bicouche SiO₂/PMMA ; (3) transfert du motif dans la couche SiO₂ par gravure réactive ionique (CHF₃/O₂) ; et (4) gravure par plasma à couplage inductif (Cl₂/Ar) du GaN pour former le réseau de nanorods. Après transfert de motif, les parois latérales des nanopiliers sont passivées avec SiO₂ poreux. La régénération subséquente à 730 °C crée des pyramides GaN de 430 nm de haut coiffées de PQM In_xGa_1-xN/GaN à dix paires (3 nm/12 nm). Deux compositions sont employées : In_0.1Ga_0.9N/GaN pour bleu (460 nm) et In_0.3Ga_0.7N/GaN pour vert (520 nm). La profondeur de gravure des nanorods est ~1 µm.

L'imagerie MEB confirme la géométrie QCP et les facettes PQM semipolaires, comme montré Figures 3a–3d. Les plans semipolaires {10-11} atténuent l'effet Stark à confinement quantique, améliorant l'efficacité radiative.

Résultats et discussion

Les échantillons A (In_0.1Ga_0.9N) et B (In_0.3Ga_0.7N) étaient pompés optiquement par laser He-Cd CW 325 nm (~50 mW). Les spectres de photoluminescence (PL) (Figure 4a) montrent des pics distincts à 460 nm et 520 nm, avec largeurs de raie de 40 nm et 60 nm respectivement. Les coordonnées CIE (0,19, 0,38) pour l'échantillon bleu et (0,15, 0,07) pour l'échantillon vert confirment une émission de haute pureté colorimétrique. Le spectre vert plus large provient de défauts introduits à plus haute teneur en indium.

Les simulations par éléments finis (Figure 5b) révèlent des spectres de transmission pour angles d'incidence 0–25°, se répétant tous les 30° grâce à la symétrie 12 fois. Les régions de haute transmission correspondent aux résonances de bord de bande (M₁, M₂, M₃) qui s'alignent avec les longueurs d'onde d'émission des PQM (a/λ ≈ 0,88, 1,0, 1,25). Le couplage entre ces résonances et l'émission des PQM améliore l'efficacité d'extraction et abaisse les seuils de lasing. La longueur des nanorods (~1 µm) excède quatre fois la longueur d'onde effective, assurant un confinement de mode fort.

Ces résultats démontrent qu'un seul dispositif QCP peut simultanément supporter le lasing bleu et vert, ouvrant la voie à des sources de lumière multicolores intégrées.

Conclusions

Nous avons fabriqué un réseau de nanorods QCP GaN à symétrie 12 fois par NIL et obtenu une émission bleue (460 nm) et verte (520 nm) efficace depuis des PQM semipolaires In_xGa_1-xN/GaN cultivés sur pyramides GaN de 430 nm. Les pics d'émission coïncident avec les résonances de bord de bande QCP prédites par EFM, confirmant un fort couplage lumière-matière. Le procédé NIL à faible coût et évolutif et les avantages inhérents des PQM semipolaires rendent cette plateforme prometteuse pour LED et diodes laser multicolores sans phosphore.