Croissance directe de LEDs nanofils III-nitrures sur quartz amorphe utilisant une intercouche TiN/Ti

Contexte

Les diodes électroluminescentes sont devenues la pierre angulaire de la technologie d'affichage, surpassant les lampes fluorescentes à cathode froide en efficacité énergétique et portabilité. Les DEL bleues conventionnelles à base de GaN sont généralement cultivées sur saphir, et la poussée vers des boules de saphir de plus grand diamètre a introduit des défis de fabrication tels que le maintien d'une orientation précise du plan c et de la planéité de surface [1, 2]. De plus, les DEL GaN planaires souffrent du « green gap », une baisse de l'efficacité quantique pour les longueurs d'onde au-delà de 520 nm.

Les tentatives de cultiver des matériaux III-nitrures directement sur verre ont inclus l'épitaxie par faisceau moléculaire à source gazeuse (MBE) et le pulvérisation, produisant des films polycristallins qui dégradent la performance des dispositifs [3, 4, 5]. La croissance MOCVD sélective et le micromasquage de Samsung ont produit des pyramides de GaN quasi monocristallines sur verre, mais l'incorporation d'indium restait limitée en raison de l'évaporation pendant la MOCVD [6, 7]. Les couches tampons de graphène pré-dépôt ont amélioré la qualité de l'InGaN pulvérisé sur verre amorphe mais ont ajouté de la complexité au processus [8]. Ces approches soulignent le besoin d'une méthode plus simple et évolutive pour intégrer les DEL à nitrures avec des substrats transparents.

Les nanofils III-nitrures, cultivés sans catalyseur sous des conditions riches en azote, peuvent nucléer spontanément sans relation épitaxiale globale, permettant la croissance sur divers substrats tels que le silicium, le métal et la silice [9-25]. Leur rapport surface/volume élevé supprime les dislocations de filetage et réduit la contrainte dans la région active, les rendant adaptés aux émissions dans le « green gap » [10-16]. La nature isolante du verre complique cependant la création d'un dispositif injecté électriquement qui reste transparent et conducteur.

Ici, nous présentons la première croissance directe de nanofils InGaN/GaN sur quartz amorphe en utilisant une intercouche TiN/Ti qui fournit à la fois transparence et conductivité. La DEL nanofils résultante émet une lumière jaune (~590 nm) et démontre la faisabilité d'intégrer l'optoélectronique à nitrures avec des substrats en verre évolutifs.

Méthodes

Croissance des matériaux

Les échantillons ont été cultivés dans un système Veeco GEN 930 PA-MBE sous des conditions riches en azote. Le quartz double face poli du commerce (≈ 500 µm d'épaisseur) a été nettoyé à l'acétone et à l'isopropanol, puis séché à l'azote. Une couche de Ti de 20 nm a été évaporée par faisceau d'électrons pour servir d'intercouche conductrice translucide. Après un autre nettoyage au solvant et deux étapes de dégazage, le substrat est entré dans la chambre de croissance où un plasma d'azote (1 sccm, 350 W RF) a partiellement nitruré le Ti en TiN avant l'ouverture du volet Ga. Les bases de nanofils n-GaN:Si ont été cultivées avec un BEP Ga de 6,5 × 10⁻⁸ Torr et une température de cellule Si de 1165 °C. Une approche en deux étapes — nucléation à 620 °C pendant 10 min suivie d'une croissance à 770 °C — a contrôlé la densité des nanofils. Cinq disques quantiques InGaN (5 × 10⁻⁸ Torr BEP Ga, 5 × 10⁻⁸ Torr BEP In) et des barrières GaN ont été déposés, et une couche p-GaN:Mg a suivi à 310 °C de température de cellule Mg.

Caractérisation optique et structurale

La photoluminescence (PL) a été mesurée avec un laser HeCd 325 nm (3,74 mW) et un objectif UV ×15, atteignant une densité d'excitation de ≈ 310 kW cm⁻². Les échantillons ont été refroidis de 77 K à 300 K dans un cryostat Linkam THMS 6000. Les spectres de transmittance ont été enregistrés avec un spectrophotomètre Shimadzu UV-3600 en utilisant l'air comme référence. Les images MEB ont été prises sur un FEI Quanta 600, tandis que HRTEM et HAADF-STEM ont utilisé un Titan 80-300 à 300 kV. Les cartes élémentaires ont été obtenues via EDS (EDAX) et EELS.

Fabrication et caractérisation du dispositif

Après nettoyage, une couche de parylène C de 2 µm a été déposée par évaporation thermique. Le plasma d'oxygène RIE a gravé le parylène pour exposer les pointes p-type. Ni (5 nm) et ITO (230 nm) ont été déposés par évaporation faisceau d'électrons et pulvérisation RF, respectivement, formant la couche de diffusion de courant transparente ; le recuit à 500 °C dans Ar a amélioré la conductivité. Le Cl/Ar ICP-RIE a défini les mésas, et des contacts Ni/Au ont été ajoutés via évaporation faisceau d'électrons et lift-off. Les mesures L-I-V ont utilisé un Keithley 2400. La thermographie infrarouge avec OptoTherm a employé une carte d'émissivité personnalisée générée en chauffant le dispositif à 60 °C ; l'imagerie dépendante du courant a mesuré l'élévation locale de température.

Résultats et Discussion

Caractérisation structurale et optique des nanofils cultivés sur quartz

Les nanofils comprennent ≈ 90 nm de n-GaN, cinq disques InGaN de 7 nm, des barrières de 14 nm et ≈ 60 nm de p-GaN. Le MEB en vue de plan (Fig. 1a) montre des nanofils de haute densité, ≈ 100 nm de large, ≈ 250 nm de long, avec une densité de 9 × 10⁹ cm⁻² et un facteur de remplissage de 78 %. Une croissance en deux étapes a optimisé la nucléation tout en minimisant la coalescence qui introduirait des centres non radiatifs.

a MEB en vue de plan des nanofils InGaN/GaN tels que cultivés sur quartz. b TEM en champ clair de la région p-GaN, avec motif de diffraction en inset. c Image HAADF d'un nanofil unique. d–f Cartes élémentaires pour Ga, Ti et composite. g–h Cartographie d'interface et EDX/EELS à travers Ti/TiN et quartz. Barre d'échelle = 25 nm.

Le TEM en champ clair (Fig. 1b) confirme la croissance cristalline de GaN sur le substrat à désaccord de réseau, tandis que l'imagerie HAADF (Fig. 1c) révèle les cinq disques InGaN comme des points brillants. La cartographie élémentaire montre que les nanofils nucléent sur la couche TiN plutôt que directement sur le quartz. Le TiN, formé pendant la nitruration, est ≈ 10 nm d'épaisseur et préserve à la fois la transparence et la conductivité, agissant aussi comme réflecteur pour les longueurs d'onde plus longues [31].

Les spectres µ-PL (Fig. 2a) affichent un pic large qui se décale vers le rouge et s'élargit de 77 K à 300 K, cohérent avec le rétrécissement du gap de bande selon Varshni et le couplage exciton-phonon. Le µ-PL dépendant de la puissance (Fig. 2c) montre un décalage bleu négligeable, indiquant des champs piézoélectriques réduits et un effet Stark quantique confiné réduit grâce au soulagement de la contrainte radiale dans la géométrie nanofil.

a PL dépendant de la température. b Longueur d'onde de pic et FWHM versus température. c PL dépendant de la puissance à 77 K.

Les mesures de transmittance (Fig. 3) comparent le quartz nu (≈ 93 % visible), quartz avec 20 nm Ti (≈ 22 %), intercouche TiN/Ti (≈ 43 %), et nanofils tels que cultivés (≈ 40 %). La couche TiN restaure la transparence, tandis que la région active réduit modestement la transmission en raison de l'absorption par les disques InGaN. Les photographies optiques (Fig. 3b-e) illustrent l'impact visuel de chaque couche.

a Courbes de transmittance. b–e Images optiques de chaque échantillon.

Caractérisation du dispositif

Le flux de fabrication de la DEL est résumé en Fig. 4. La pile finale du dispositif (Fig. 5a) consiste en des contacts Ni/Au, des diffuseurs de courant Ni/ITO, l'ensemble de nanofils avec disques quantiques intégrés, et un contact arrière TiN/Ti.

Étapes de fabrication pour la DEL nanofils-sur-quartz.

a Schéma du dispositif. b Micrographie optique sous polarisation directe. c Courbe L-I-V. d Spectres EL versus courant. e FWHM et décalage de pic avec le biais. f EQE relative montrant un droop au-dessus de 20 mA.

Le dispositif de 500 µm × 500 µm s'allume à ≈ 2,6 V (extrapolation linéaire de la courbe V-I) avec une résistance de ≈ 300 Ω, plus élevée que les DEL nanofils sur silicium en raison de la conductivité limitée de la fine couche TiN/Ti et de la formation inadvertante de TiO₂ [36]. L'extraction de lumière est modeste car l'émission se couple dans le quartz et est partiellement rétrodiffusée. Les mesures EL révèlent une large largeur de raie de 120 nm ; le pic se décale de 650 nm au seuil à 590 nm à courant plus élevé, un décalage bleu causé par le remplissage de bande tandis que les effets thermiques contrebalancent à injection élevée. L'EQE culmine près de 20 mA puis décline, attribué à l'amassement de courant et à la dissipation de chaleur pauvre dans le quartz.

La thermographie infrarouge (Fig. 6) montre une température du dispositif dépassant 60 °C à 35 mA, avec la chaleur se concentrant autour de la région active. Des couches de transport de phonons efficaces sont nécessaires pour atténuer le roll-over thermique dans les futurs designs.

a Température du dispositif versus courant. b–e Images infrarouges à 5, 10, 20 et 30 mA.

Expérience de mélange de couleurs

Une lumière blanche de haute qualité est critique pour les affichages et l'éclairage. En combinant la DEL nanofils jaune accordable avec des diodes laser (DL) RVB dans une configuration de transmission, nous avons produit de la lumière blanche avec CCT variant de 2800 K à > 7000 K tout en maintenant un IRC supérieur à 55. Le spectre large de la DEL jaune améliore l'IRC ; avec seulement les DL RVB, l'IRC atteignait 55,4, mais l'ajout du composant jaune l'a porté à 85,1 à 7300 K (Fig. 7e). Le montage (Fig. 7a) utilise un combinateur trois canaux Thorlabs, un miroir à 45° et un spectromètre GL Spectis 5.0 pour extraire les coordonnées CIE 1931.

a Montage de mélange de couleurs. b CCT et IRC versus biais DEL. c CCT et IRC versus biais DL. d Spectre avec DL bleu + DEL jaune. e Spectre avec DL RVB + DEL jaune.

Conclusions

Nous avons démontré la croissance de nanofils InGaN/GaN directement sur quartz amorphe via une intercouche TiN/Ti et fabriqué des DEL basées sur cette plateforme. L'architecture nanofils produit un matériau nitrure hautement cristallin sur un substrat en verre, permettant une émission jaune-ambre-rouge (590-650 nm) avec un FWHM de 120 nm. En tirant parti du spectre large et accordable, nous avons réalisé une source de lumière blanche à large gamme (3000->7000 K) dans une configuration de transmission, soulignant le potentiel des DEL nanofils-sur-quartz pour des applications optoélectroniques transparentes et évolutives.