Crecimiento directo de un diodo emisor de luz amarillo a base de nanocables de nitruro III en cuarzo amorfo utilizando una capa intermedia fina de Ti
Resumen
La electrónica de consumo se ha basado cada vez más en las pantallas de vidrio ultradelgadas debido a su transparencia, escalabilidad y costo. En particular, la tecnología de visualización se basa en la integración de diodos emisores de luz con el panel de visualización como fuente de retroiluminación. En este estudio, asumimos el desafío de integrar emisores de luz en cuarzo amorfo demostrando el crecimiento directo y la fabricación de un diodo emisor de luz basado en nanocables de nitruro III. El dispositivo de prueba de concepto exhibe un voltaje de encendido bajo de 2.6 V, sobre un sustrato de cuarzo amorfo. Logramos una transparencia de ~ 40% a través de la longitud de onda visible mientras manteníamos la conductividad eléctrica empleando una capa intermedia de TiN / Ti sobre cuarzo como capa conductora translúcida. El LED de nanocables sobre cuarzo emite un amplio espectro de luz de ancho de línea centrado en el color amarillo verdadero (~ 590 nm), una longitud de onda importante que cierra la brecha verde en la tecnología de iluminación de estado sólido, con una tensión y dislocaciones significativamente menores en comparación con el plano convencional. estructuras de nitruro de pozo cuántico. Nuestro esfuerzo destacó la viabilidad de fabricar un dispositivo optoelectrónico de nitruro III en un sustrato amorfo escalable a través de pasos fáciles de crecimiento y fabricación. Para una demostración práctica, demostramos luz blanca de temperatura de color correlacionada sintonizable, aprovechando las características espectrales de nanocables ampliamente ajustables en el régimen de color rojo-ámbar-amarillo.
Antecedentes
El uso de diodos emisores de luz (LED) para la tecnología de visualización se ha generalizado durante la última década. Estas fuentes de luz son más eficientes energéticamente en comparación con las lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL) y más adecuadas para la electrónica de consumo portátil. Los LED convencionales se basan en LED azules basados en GaN que crecen en sustratos de zafiro. A medida que aumenta la demanda de productos LED, la tendencia está cambiando hacia el uso de sustrato de zafiro de mayor diámetro para aumentar el rendimiento de fabricación. Sin embargo, el sustrato de zafiro de gran tamaño es difícil de fabricar debido a las dificultades para perforar con precisión el zafiro en el plano c de las bolas de Kyropoulos mientras se mantiene la orientación precisa del cristal y la planitud con el diámetro creciente [1, 2]. Además de los problemas de fabricación, los LED planos convencionales basados en GaN están limitados por la existencia de la brecha verde, es decir, la región espectral donde la eficiencia cuántica del LED disminuye para longitudes de onda más largas que la longitud de onda verde (520 nm).
Ha habido varios intentos de hacer crecer materiales de nitruro III sobre sustratos a base de vidrio. Anteriormente, el crecimiento epitaxial de GaN en vidrio usando epitaxia de haz molecular de fuente de gas (MBE) [3] y pulverización catódica [4, 5] han producido material policristalino de baja calidad, lo que afecta el rendimiento del dispositivo. Alternativamente, Samsung ha demostrado la capacidad de hacer crecer pirámides de GaN casi monocristalinas en vidrio mediante micromasking y el subsiguiente crecimiento por deposición de vapor químico orgánico metálico selectivo (MOCVD) [6, 7]. Sin embargo, la evaporación excesiva de indio en MOCVD impide la incorporación eficiente de indio para lograr emisores en el green-gap. Shon y col. demostraron la posibilidad de mejorar la calidad de una película fina de InGaN pulverizada sobre vidrio amorfo utilizando grafeno como capa amortiguadora de preorientación, suprimiendo eficazmente la fotoluminiscencia relacionada con el defecto [8]. Sin embargo, estos métodos requieren pasos de procesamiento complejos que obstaculizan el potencial de integración en procesos de fabricación a gran escala.
Un método posible de incorporar directamente un emisor de luz de nitruro III con un sustrato a base de vidrio es utilizando nanocables de nitruro III desarrollados espontáneamente usando MBE. Al optimizar las condiciones de crecimiento, es posible hacer que los nanocables de nitruro III crezcan espontáneamente sin la necesidad de ningún catalizador o máscara de crecimiento con plantilla [9]. Debido a la gran relación superficie / volumen, los nanocables pueden crecer libres de dislocación del hilo [10] mientras tienen una tensión reducida en la región activa. La tensión reducida permite la fabricación de dispositivos basados en nanocables de nitruro III que funcionan dentro del espacio verde y más allá [11-16]. Se ha demostrado que los nanocables de nitruro III crecen en varios sustratos, como silicio [9, 17, 18], metal [19-21] y sílice [22-25], lo que hace posible utilizar una amplia gama de sustratos. . Actualmente, debido a la naturaleza aislante del sustrato a base de vidrio, es un desafío fabricar un dispositivo inyectado eléctricamente sobre sílice mientras se mantiene la conductividad y la transparencia simultáneamente.
En este trabajo, asumimos este desafío y demostramos con éxito el crecimiento y la fabricación de un LED basado en nanocables de InGaN / GaN cultivado en un sustrato de cuarzo amorfo. Logramos transparencia y conductividad simultáneas empleando una capa intermedia de TiN / Ti translúcida como capa conductora y sitio de crecimiento de los nanocables. Debido a que los nanocables crecen espontáneamente sin una relación epitaxial global requerida con el sustrato, no se requieren pasos de procesamiento complejos o costosos antes del crecimiento del material. El LED de nanocables sobre cuarzo emite una luz amarilla de amplio ancho de línea centrada en ~ 590 nm, un color que es difícil de lograr con las tecnologías convencionales de nitruro de pozos cuánticos planos, lo que acentúa aún más la importancia de nuestro trabajo actual.
Para una demostración práctica, también hemos realizado un experimento de ajuste de temperatura de color correlacionada (CCT) basado en fuentes de luz mixtas espontáneas y estimuladas. El uso de cuarzo amorfo transparente permite la transmisión directa de luz desde un diodo láser para la generación de luz blanca. El cultivo de nanocables en cuarzo abre nuevas posibilidades y oportunidades para realizar emisores de luz integrados que operan en la brecha verde mientras se benefician de la escalabilidad de la tecnología de cuarzo amorfo. A pesar de la infancia tecnológica en comparación con los LED de nitruro del grupo III planar, las propiedades únicas del titanio nitrurado para el crecimiento de nanocables son primordiales para permitir la integración perfecta del emisor de luz en un sustrato transparente.
Métodos
Crecimiento material
Las muestras de nanocables sobre cuarzo se cultivaron sin catalizador en condiciones ricas en nitrógeno utilizando un sistema Veeco GEN 930 PA-MBE. Un sustrato comercial de cuarzo amorfo doble pulido (espesor ~ 500 μ m) se limpia primero con un enjuague de acetona y alcohol isopropílico y se seca con un secador de nitrógeno. Antes del crecimiento, se depositó una capa de Ti de 20 nm de espesor utilizando evaporación por haz de electrones para actuar como la capa intermedia conductora translúcida. Después de la deposición de Ti, se realiza otra ronda de limpieza con solvente usando acetona y alcohol isopropílico. Se realizaron dos rondas de desgasificación para eliminar la humedad y los contaminantes de la superficie del sustrato. Después de cargarse en la cámara de crecimiento, la superficie del sustrato se expone a un plasma de nitrógeno para convertir parcialmente el Ti en TiN antes de abrir el obturador de Ga. El nitrógeno se mantuvo a un caudal de 1 sccm y una potencia de RF de 350 W durante la nitruración y durante todo el proceso de crecimiento. Para el crecimiento de la base de nanocables de GaN:Si de tipo n, la presión equivalente del haz de Ga (BEP) fue de 6,5 × 10 −8 Torr mientras que la temperatura de la celda de Si se mantuvo a 1165 ° C. Utilizamos un método de crecimiento de dos pasos para obtener GaN de alta calidad mientras se controla la densidad de los nanocables. La capa de nucleación de nanocables de GaN se depositó a una temperatura del sustrato de 620 ° C durante 10 min, seguido del crecimiento de nanocables de GaN a una temperatura elevada (770 ° C). Después del crecimiento de n-GaN, se depositó la región activa que consta de cinco pares de discos cuánticos de InGaN y barreras cuánticas de GaN. En BEP fue 5 × 10 −8 Torr y Ga era 3 × 10 −8 Torr para el crecimiento del disco cuántico. Se hizo crecer una sección de GaN:Mg de tipo p después de la barrera cuántica de GaN final. La célula de Mg se mantuvo a 310 ° C durante el crecimiento de p-GaN.
Caracterización óptica y estructural
Las características de fotoluminiscencia (PL) de los nanocables cultivados en cuarzo se midieron utilizando μ dependientes de la temperatura. -Medidas PL utilizando un láser HeCd de 325 nm como fuente de excitación y una lente de objetivo UV × 15. La potencia de salida del láser es de ~ 3,74 mW. El tamaño del punto del haz es ~ 1,24 μ m, lo que da una densidad de potencia de excitación correspondiente de ~ 310 kW / cm 2 . La muestra se enfrió a temperatura de nitrógeno líquido usando una celda criostática (Linkam, THMS 6000). A continuación, se ajusta la temperatura de 77 a 300 K. La transparencia de la muestra se midió usando un espectrofotómetro Shimadzu UV-3600 UV-vis-NIR. La calibración se realizó utilizando aire como referencia. Las imágenes SEM se tomaron utilizando FEI quanta 600. Se llevaron a cabo caracterizaciones de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y STEM de campo oscuro anular de alto ángulo de alta resolución (HAADF-STEM) utilizando un microscopio electrónico de transmisión Titan 80-300 ST (FEI Company) operado a un voltaje de aceleración de 300 kV. El mapa de composición elemental se obtuvo mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) de EDAX Company.
Fabricación y caracterización de dispositivos
La fabricación del dispositivo es la siguiente. Primero, la muestra de nanocables recién crecida se limpia a través de una limpieza con solvente estándar usando acetona y alcohol isopropílico y luego se seca con nitrógeno. A continuación, ~ 2 μ m de parileno C se deposita mediante evaporación térmica. Se lleva a cabo un proceso de grabado mediante grabado de iones reactivos con plasma de oxígeno (RIE) para exponer las puntas de los nanocables tipo p. Posteriormente, se depositan 5 nm de Ni usando evaporación por haz de electrones seguido de 230 nm de óxido de indio y estaño (ITO) depositado usando magnetrón de RF como la capa de propagación de corriente transparente. El recocido se realiza a 500 ° C en ambiente de Ar para mejorar las características eléctricas de la capa de propagación de corriente transparente de Ni / ITO. El grabado con RIE de plasma acoplado inductivamente (ICP) se realiza utilizando iones basados en Cl y Ar para definir la mesa del dispositivo. Finalmente, se deposita una almohadilla de contacto de Ni / Au mediante evaporación por haz de electrones seguida de despegue. La caracterización L-I-V se realizó utilizando un medidor de potencia Keithley 2400. La medición térmica y la formación de imágenes se llevaron a cabo utilizando un microscopio de imágenes térmicas micro radiométrico Optotherm comercial. Antes de la medición de temperatura real, se construye una tabla de mapeo de emisividad 2D para cada píxel de la imagen con el fin de tener en cuenta los diferentes valores de emisividad de la superficie causados por los diferentes componentes del material. Esto se hace calentando el dispositivo a 60 ° C usando una etapa de calentamiento y construyendo la mesa usando el software de análisis de imágenes térmicas Thermalyze provisto por el sistema. Una vez construida la mesa, la etapa de calentamiento se apaga y se realiza la medición dependiente de la corriente.
Resultados y discusión
Caracterización estructural y óptica de nanocables cultivados en cuarzo
La estructura del nanoalambre consta de ~ 90 nm de n-GaN, cinco pares de discos cuánticos de InGaN de ~ 7 nm de espesor y una barrera de ~ 14 nm de espesor, y ~ 60 nm de p-GaN. La Figura 1a muestra una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) en planta de nanocables de alta densidad. Los nanocables tienen un tamaño lateral típico de ~ 100 nm y una longitud de ~ 250 nm. La densidad de los nanocables se calcula estadísticamente en ~ 9 × 10 9 cm −2 , con un factor de llenado del 78%. Aunque se puede observar cierto grado de coalescencia entre varios nanocables, la mayoría de los nanocables parecen desarticulados. Las condiciones de crecimiento se optimizaron utilizando un método de crecimiento de dos pasos que separa la nucleación inicial de la semilla de GaN y el crecimiento de nanocables [26]. Mediante el uso de este método, pudimos cultivar nanocables de alta calidad con la máxima densidad de nanocables al tiempo que minimizamos la coalescencia entre nanocables, lo que es perjudicial para el rendimiento del dispositivo debido a defectos no radiativos en los sitios de coalescencia [27].
un Vista en planta SEM de nanocables de InGaN / GaN recién desarrollados cultivados en cuarzo. b Vista de gran aumento del TEM de campo brillante de la región p-GaN, que muestra la cristalinidad del nanoalambre. El recuadro muestra el patrón de difracción de electrones de área selectiva tomado del nanoalambre. c Imagen HAADF de un solo nanoalambre y d mapa EDX correspondiente para Ga, e Ti y f mapeo elemental compuesto. La barra de escala corresponde a 25 nm. g Vista de gran aumento de la interfaz entre la base de nanocables, la capa intermedia y el sustrato. La flecha roja indica la dirección del mapeo elemental. h Resultados correspondientes de EDX y EELS que muestran el cambio en la composición elemental en las interfaces de los materiales. Los resultados de EDX se suavizan para eliminar el ruido
En la figura 1b se muestra una imagen de microscopio electrónico de transmisión de campo brillante (TEM) de alta resolución del nanoalambre, junto con el patrón de difracción de área selectiva correspondiente que se muestra en el recuadro. El patrón de difracción es una indicación de la cristalinidad del nanoalambre, que muestra el crecimiento de material de GaN de alta calidad en un sustrato con mal emparejamiento de la red. En la figura 1c-f se muestra la imagen de campo oscuro anular de ángulo alto (HAADF) de un solo nanoalambre junto con el mapeo elemental correspondiente. La imagen HAADF muestra cinco inserciones de disco cuántico de InGaN (qdisk) como la región activa, indicada por puntos más brillantes en el nanoalambre. En la base del nanoalambre, se puede ver una capa parecida a escombros. Esta capa son los restos de la semilla inicial de nanocables de GaN que no se convierte en nanoalambre debido al efecto de sombra. El mapeo elemental muestra que los nanocables crecen sobre la capa intermedia de Ti y no directamente sobre el sustrato de cuarzo.
El mapeo elemental TEM en la interfaz entre el nanoalambre, la capa intermedia y el sustrato de cuarzo también se muestra en la Fig. 1g – h para dar una mejor comprensión de la composición de la interfaz. El mapeo elemental para Ga, Ti y Si se realizó mediante análisis de rayos X de dispersión de energía (EDX), mientras que el mapeo elemental para O y N se realizó mediante espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS). El mapeo elemental realizado en la interfaz confirma que la parte superior de la capa de Ti se convirtió parcialmente en TiN durante el crecimiento dentro de la cámara MBE, como lo indica la presencia simultánea de Ti y N en la parte superior de la capa intermedia. Se estima que la capa de TiN tiene un espesor de ~ 10 nm. La nucleación de la semilla de GaN y el crecimiento de los nanocables se producen en la parte superior de la capa de TiN. El resultado de EELS muestra la existencia de una señal de oxígeno a través de la capa de TiN / Ti. Esto es causado por la formación espontánea de TiO 2 nativo película ya que la muestra TEM se expone al aire después de la preparación [28]. La nucleación directa en TiN es ventajosa para el diseño de nuestro dispositivo, ya que se ha demostrado que TiN es capaz de tener transparencia y conductividad simultáneas [29] al mismo tiempo que mejora la calidad del GaN que crece sobre él [30] y actúa como reflector en longitudes de onda más largas [31].
Las características ópticas de los nanocables cultivados en cuarzo se midieron utilizando un μ -PL configuración con excitación de 325 nm de un láser HeCd. A temperatura ambiente, μ Los espectros -PL muestran un pico amplio. El ancho de línea amplio es una característica común entre los nanocables de nitruro III debido a la falta de homogeneidad estructural y de composición inherente entre los nanocables individuales [32]. El μ dependiente de la temperatura -PL en la Fig. 2a muestra que de 77 a 300 K, μ -Los espectros PL se desplazan al rojo y se amplían con el aumento de temperatura. La longitud de onda máxima y FWHM para varias temperaturas medidas se muestran en la Fig. 2b. El desplazamiento al rojo se debe a la contracción de la banda prohibida dependiente de la temperatura relacionada con el efecto Varshni, mientras que el ensanchamiento del pico con un aumento de temperatura se debe al acoplamiento de excitones con fonones acústicos [33]. La reducción en la intensidad máxima observada con el aumento de temperatura es causada por el aumento de la recombinación no radiativa debido a la activación de los centros de recombinación no radiativa a temperatura elevada, y los portadores obtienen suficiente energía térmica para escapar del disco cuántico para recombinarse de forma no radiativa. Los resultados del μ dependiente de la potencia El experimento -PL a 300 K (Fig. 2c) muestra que los espectros exhiben un desplazamiento hacia el azul insignificante con el aumento de la potencia de excitación. La ausencia de desplazamiento al azul se puede atribuir a la reducción del campo piezoeléctrico y al efecto Stark confinado cuántico (QCSE) dentro de los discos cuánticos causado por la relajación de la deformación radial en estructuras de nanocables [34].
un Resultado de la medición PL dependiente de la temperatura de 77 a 300 K. b Cambio de la longitud de onda máxima y FWHM para la medición PL dependiente de la temperatura. c μ dependiente de la energía -La medición de PL se realizó a 77 K, lo que indica un efecto Stark confinado cuántico reducido
Para verificar la viabilidad de los nanocables cultivados en una muestra de cuarzo amorfo para aplicaciones de dispositivos transparentes, comparamos la transmitancia de un sustrato de cuarzo recubierto con 20 nm de Ti, un sustrato de cuarzo recubierto con Ti que se ha sometido a nitruración parcial y nanocables recién desarrollados. en muestra de cuarzo. El sustrato de cuarzo desnudo en sí tiene una transmitancia de ~ 93% en todo el espectro de longitud de onda visible. Los resultados de la medición se muestran en la Fig. 3a. Para el sustrato de cuarzo desnudo recubierto con 20 nm de Ti (Fig. 3b), la transmitancia es solo ~ 22%. Después de la nitruración (Fig. 3c), la transmitancia aumenta considerablemente en más del 20%, debido a la formación de la capa de TiN, como lo confirman los resultados de TEM. Después del crecimiento de los nanocables (Fig. 3d), la transmitancia se reduce parcialmente debido a la absorción de luz de la región activa del disco cuántico de InGaN [35]. Para longitudes de onda más cortas que la longitud de onda de emisión de GaN, la transmitancia se acerca a cero ya que los propios nanocables de GaN también absorberán la luz transmitida. Las fotografías ópticas del sustrato de cuarzo recubierto con Ti de 20 nm, el sustrato de cuarzo con una capa de TiN / Ti, los nanocables crecidos en cuarzo y el dispositivo fabricado se muestran en la Fig. 3b-e a modo de comparación.
un Resultados de la medición de transmitancia para cuarzo desnudo, sustrato de cuarzo recubierto con 20 nm de Ti, sustrato de cuarzo recubierto con una capa de TiN / Ti y muestra de nanocables recién crecida sobre cuarzo. b Fotografía óptica de cuarzo recubierto con Ti de 20 nm; c cuarzo recubierto de Ti que ha sufrido una nitruración parcial; d muestra de nanocables recién crecidos; y e dispositivo LED fabricado en cuarzo
Caracterización del dispositivo
Incorporamos los nanocables cultivados en cuarzo en LED. Los pasos de fabricación se muestran en la Fig. 4. Los pasos de fabricación detallados se describen en la sección "Métodos".
Pasos de fabricación de los nanocables en LED de cuarzo
La estructura del LED representada en la Fig.5a consta de las siguientes capas:la almohadilla de contacto de Ni / Au, la capa de propagación de corriente transparente de Ni / ITO, nanocables de GaN con cinco discos cuánticos de InGaN incrustados dentro del material de relleno dieléctrico (parileno C) y un TiN inferior / Capa intermedia de Ti. La capa intermedia de TiN / Ti inferior actúa como una capa de contacto translúcida.
un Esquema del dispositivo LED fabricado. b Fotografía óptica de los nanocables en LED de cuarzo con polarización directa. c L - yo - V característica del LED. d Espectros de electroluminiscencia del LED bajo corriente de inyección variable. e Cambio de FWHM y de la posición de la longitud de onda máxima del LED con polarización directa creciente. f Eficiencia cuántica externa relativa del LED, que muestra una disminución de la eficiencia a una corriente de inyección más alta debido a la acumulación de corriente y al calentamiento de las uniones
La Figura 5 muestra los resultados de la caracterización eléctrica del a 500 μ m × 500 μ m de tamaño nanoalambre sobre cuarzo. El voltaje de encendido, por extrapolación lineal de la región lineal de V - yo curva, se determinó en ~ 2.6 V. La resistencia de encendido (~ 300 Ω ) es más alta que la de los dispositivos LED basados en nanocables fabricados en una plataforma de silicio y metal principalmente debido a la conductividad limitada de la capa delgada de TiN / Ti en combinación con la formación espontánea de TiO 2 aislante capa [36]. Cuando la transparencia del dispositivo no es crítica, la resistencia al encendido se puede mejorar depositando una capa intermedia de Ti más gruesa antes del crecimiento. La potencia de salida de luz que se muestra en el resultado de L - yo La medición es relativamente baja, ya que solo se recoge la luz emitida de forma normal al plano del dispositivo. La emisión de luz del dispositivo en la Fig. 5b muestra que parte de la luz emitida por el dispositivo se acopla en el área del sustrato de cuarzo circundante y es parcialmente retrodispersada normal al plano del sustrato, dando como resultado una baja eficiencia de extracción de luz. Sin embargo, este resultado también destaca la posibilidad de utilizar el LED de nanocables sobre cuarzo como base para un circuito totalmente óptico en una plataforma de vidrio mediante la ingeniería cuidadosa del acoplamiento y la guía de fotones dentro del sustrato de cuarzo.
Los resultados de la medición de electroluminiscencia (EL) en la Fig. 5d, e muestran un ancho de línea de emisión amplio por encima de 120 nm. El pico de electroluminiscencia concuerda bien con la temperatura ambiente μ -Medida PL. A una densidad de corriente de inyección baja aproximadamente al encenderse, el LED exhibe una emisión espectral amplia cerca de la longitud de onda roja. Con el aumento de la corriente de inyección, el espectro azul se desplaza de 650 nm a 590 nm, lo que da lugar a un ajuste en el chip a través del régimen de color rojo-ámbar-amarillo. El cambio al azul en la longitud de onda máxima está relacionado con el efecto de llenado de banda progresivo en el que, a una corriente de inyección alta, el electrón comienza a llenar un estado de mayor energía y se recombina, lo que da como resultado una emisión a una longitud de onda máxima más corta. A una corriente de inyección más alta, el desplazamiento hacia el azul de la longitud de onda máxima se satura debido a la competencia entre el desplazamiento hacia el azul y el desplazamiento hacia el rojo provocado por el aumento de la temperatura de la unión. Usando una estructura de disco cuántico en nanocables, el campo de polarización se reduce a través del alivio de tensión, lo que permite la realización de un dispositivo LED amarillo que es un desafío de lograr con un dispositivo basado en un pozo cuántico plano.
El cálculo de la eficiencia cuántica externa relativa (EQE) que se muestra en la Fig. 5f muestra que la eficiencia cuántica se satura a ~ 20 mA antes de que comience a disminuir. Esta reducción en la eficiencia es causada por la combinación de una dispersión de corriente limitada y un efecto de calentamiento de la unión, debido a la baja difusividad térmica del cuarzo, lo que da como resultado la acumulación de calor y el vuelco de la eficiencia dentro del dispositivo [37]. Para investigar el calentamiento de la unión dentro del dispositivo, se utilizó una cámara infrarroja OptoTherm para observar la temperatura del dispositivo bajo inyección eléctrica directamente. Realizamos la medición de temperatura en dos píxeles diferentes, indicados por los números 2 y 3 en el recuadro de la Fig. 6a. Sin embargo, para la Fig. 6a, solo se presentan los datos de medición del punto número 2. Con una inyección de corriente de 35 mA, la temperatura del dispositivo ya supera los 60 ° C, que es notablemente más alta en comparación con los dispositivos que crecen sobre silicio y metal. La Figura 6b – d muestra la distribución de calor alrededor del dispositivo a 5, 10, 20 y 30 mA. Con una corriente de inyección más alta, se puede ver que el calor no se disipa de manera eficiente, sino que se acumula en el área alrededor del dispositivo. Se requiere un diseño más detallado de un medio de transporte de fonones eficiente, que sea compatible con la plataforma actual más allá de esta demostración de prueba de concepto.
Medición de la temperatura del dispositivo mediante la cámara de infrarrojos OptoTherm. un Cambio de temperatura del dispositivo al aumentar la corriente de inyección. El recuadro muestra una imagen de infrarrojos de la estructura del dispositivo con un sesgo cero y una barra de color ajustada. El punto de medición está indicado por el número 2 y la cruz violeta. Imagen infrarroja correspondiente a la temperatura del dispositivo y el área circundante a una corriente de inyección de b 5, c 10, d 20 y e 30 mA. Los resultados indican que el calor se concentra en el área alrededor del dispositivo
Experimento de mezcla de colores
Una fuente de luz blanca de alta calidad sintonizable con CCT juega un papel importante en la electrónica de consumo, ya que se ha demostrado que el componente de luz azul en la pantalla electrónica conduce a la supresión de la melatonina, interfiriendo efectivamente con el ritmo circadiano humano [38, 39]. Aprovechando las características espectrales ampliamente sintonizables del dispositivo, demostramos una aplicación práctica de una generación de luz blanca ampliamente sintonizable por CCT en una configuración de transmisión. Usamos el LED de nanocables sobre cuarzo como el elemento activo ampliamente sintonizable con los diodos láser (LD) rojo, verde y azul (RGB) como fuentes de luz secundarias. Una ventaja de utilizar una fuente de luz amarilla basada en nanocables para generar luz blanca es la amplia emisión inherente, que conduce a un alto valor de índice de reproducción cromática (CRI). Al utilizar el LED amarillo junto con láseres, pudimos diseñar una luz blanca ampliamente sintonizable por CCT. La disposición de la configuración de mezcla de colores se describe a continuación.
En primer lugar, las salidas de los LD RGB se combinan utilizando un combinador de longitud de onda de tres canales de Thorlabs y se coliman utilizando una lente de colimación. A continuación, el haz colimado se refleja con un espejo de 45 ° en la parte posterior del LED de nanocables sobre cuarzo y luego se pasa a través de la parte superior del LED. Por último, el detector se coloca directamente encima del LED de nanocables sobre cuarzo para recoger la luz de colores mezclados resultante. En la figura 7a se muestra un esquema del aparato. Se utilizó un espectrómetro táctil GL Spectis 5.0 para procesar los valores CRI y CCT según el estándar de la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) 1931.
Experimento de mezcla de colores. un Configuración del experimento de mezcla de colores que indica los LD de rojo, verde y azul y el dispositivo de cuarzo de nanocables amarillo. El recuadro muestra una fotografía óptica de LED bajo iluminación láser. b Cambio en CCT y CRI con corriente de inyección de LED variable. c Cambio en CCT y CRI con corriente de inyección de LD variable. Espectro de longitud de onda y mapa CIE 1931 para una configuración de mezcla de colores usando d un LD azul con LED amarillo de nanocables sobre cuarzo y e LD RGB con LED amarillo de nanocables sobre cuarzo
En el primer experimento, el haz de un LD azul se combinó con la luz amarilla del LED amarillo. Para obtener el valor de CRI más alto posible, las corrientes de polarización del LD y el LED se variaron inicialmente, lo que arrojó un valor de CRI de 74.5 con un valor de CCT de 6769 K. Este valor es mucho más alto que nuestro resultado anterior usando un LD / YAG azul:Ce 3+ fósforo para la generación de luz blanca [40]. Para demostrar la sintonización del color, se varió el sesgo de LED o LD, comenzando por el valor de sesgo que produjo el CRI más alto. La Figura 7b, c muestra el efecto de ajustar la corriente de polarización en los valores de CRI y CCT. Pudimos ajustar la temperatura de color de 2800 K a más de 7000 K mientras manteníamos un valor de CRI por encima de 55. La Figura 7d muestra el espectro del CRI más alto logrado, con el recuadro mostrando el cambio en la coordenada CIE 1931 variando la corriente de polarización. . Se realizó una mejora adicional del valor de CRI utilizando RGB LD junto con el LED amarillo. Cuando solo se utilizan los LD RGB sin el componente de espectro de LED amarillo, obtuvimos un valor de CRI de 55,4. Al incorporar el componente del espectro amarillo, pudimos obtener una luz blanca de alta calidad con un valor CCT de 7300 K y un valor CRI de 85,1 (Fig. 7e), que es significativamente más alto.
Al utilizar el LED de nanocables sobre cuarzo junto con el sistema de diodos láser, podemos diseñar una fuente de luz blanca ampliamente sintonizable por CCT evitando el problema de la degradación del fósforo [41]. Controlando las características espectrales de cada longitud de onda individualmente, es posible un ajuste fino de las características de la luz blanca. Además, la generación de luz blanca basada en diodos láser es más favorable en comparación con la basada en LED debido a una mayor eficiencia y una posible ventaja de costes [42].
Conclusiones
En conclusión, hemos demostrado el crecimiento de nanocables de InGaN / GaN directamente sobre un sustrato de cuarzo amorfo utilizando una capa intermedia de TiN / Ti y hemos fabricado LED basados en la plataforma de nanocables sobre cuarzo. Al utilizar una estructura basada en nanocables, pudimos cultivar material de nitruro III altamente cristalino en cuarzo amorfo. El LED de nanocables sobre cuarzo permite la realización de una fuente de luz LED basada en el sustrato escalable y económico. El LED fabricado emite luz en una longitud de onda máxima que cubre el amarillo-ámbar-rojo (longitudes de onda máximas de 590 a 650 nm) con un FWHM de más de 120 nm. Aprovechando las características espectrales ampliamente sintonizables del dispositivo, demostramos una generación práctica de una luz blanca ampliamente sintonizable de 3000 a> 7000 K en una configuración de transmisión.
Nanomateriales
- Diodo emisor de luz (LED)
- Avanzando hacia 7nm
- Acerca de las nanopartículas semiconductoras
- Crecimiento directo de estructuras de ZnO similares a plumas mediante una técnica de solución fácil para la aplicación de fotodetección
- Fabricación de pozos a nanoescala con alto rendimiento en película delgada de polímero utilizando litografía de arado dinámico basada en puntas AFM
- Diseño de puntos cuánticos GeSn / GeSiSn con ingeniería de deformación para la emisión directa de banda prohibida en el infrarrojo medio en el sustrato de Si
- Películas delgadas de óxido de vanadio amorfo como cátodos de rendimiento estable de baterías de iones de litio y sodio
- Crecimiento directo de nanocables de GaN cristalino simple sobre sílice recubierta con óxido de indio y estaño
- Investigación de ZrO2 impreso con inyección de tinta directa versus ZrO2 recubierto por centrifugación para el transistor de película delgada IGZO de pulverización catódica
- Síntesis de grafeno de una sola capa de gran superficie utilizando aceite de palma de cocción refinado sobre sustrato de cobre mediante CVD asistido por pulverizador
- Nuevos conocimientos sobre los factores que limitan el transporte del portador en películas de In2O3 muy delgadas amorfas dopadas con Sn con alta movilidad de pasillo