Crecimiento Directo de LEDs de Nanohilos III-Nitruro en Cuarzo Amorfo Usando Intercapa TiN/Ti

Resumen

La electrónica de consumo depende cada vez más de pantallas de vidrio ultra-delgadas por su transparencia, escalabilidad y rentabilidad. En particular, la retroiluminación de pantallas ahora incorpora frecuentemente diodos emisores de luz (LEDs) integrados directamente con el panel. En este trabajo, demostramos el crecimiento y fabricación directos de un LED de nanohilos III-nitruro en cuarzo amorfo. El prototipo exhibe voltaje de encendido bajo de 2.6 V y emite luz amarilla centrada en ~590 nm, cubriendo la notoria brecha verde de LEDs de nitruro. Empleando una intercapa TiN/Ti, logramos ~40% de transparencia en banda visible manteniendo conductividad eléctrica. La arquitectura de nanohilos minimiza tensión y dislocaciones de hilo relativas a dispositivos planares convencionales de pozo cuántico. Finalmente, mostramos que la emisión amplia y sintonizable de los nanohilos puede combinarse con diodos láser para generar luz blanca de temperatura de color correlacionada con alto IRC.

Antecedentes

Los diodos emisores de luz se han convertido en caballos de batalla de tecnología de displays, superando lámparas fluorescentes de cátodo frío en eficiencia energética y portabilidad. LEDs azules basados en GaN convencionales se crecen típicamente en zafiro, y el impulso hacia lingotes de zafiro de mayor diámetro ha introducido desafíos de fabricación como mantener orientación precisa de plano-c y planicidad superficial [1, 2]. Además, LEDs planares de GaN sufren de la brecha verde, una caída en eficiencia cuántica para longitudes de onda más allá de 520 nm.

Intentos de crecer materiales III-nitruro directamente en vidrio han incluido epitaxia de haz molecular de fuente gaseosa (MBE) y sputtering, produciendo películas policristalinas que degradan rendimiento de dispositivos [3-5]. El micromascado y crecimiento MOCVD selectivo de Samsung produjeron pirámides de GaN cuasi-monocristalinas en vidrio, pero la incorporación de indio permaneció limitada por evaporación durante MOCVD [6, 7]. Capas pre-buffer de grafeno mejoraron calidad de InGaN sputterizado en vidrio amorfo pero añadieron complejidad de proceso [8]. Estos enfoques resaltan la necesidad de un método más simple y escalable para integrar LEDs de nitruro con sustratos transparentes.

Nanohilos III-nitruro, crecidos sin catalizador en condiciones ricas en nitrógeno, pueden nuclear espontáneamente sin relación epitaxial global, permitiendo crecimiento en sustratos diversos como silicio, metal y sílice [9-25]. Su alta relación superficie-volumen suprime dislocaciones de hilo y reduce tensión en región activa, haciéndolos adecuados para emisiones dentro de la brecha verde [10-16]. La naturaleza aislante del vidrio, sin embargo, complica la creación de un dispositivo inyectado eléctricamente que permanezca transparente y conductor.

Aquí presentamos el primer crecimiento directo de nanohilos InGaN/GaN en cuarzo amorfo usando una intercapa TiN/Ti que provee tanto transparencia como conductividad. El LED de nanohilos resultante emite luz amarilla (~590 nm) y demuestra la factibilidad de integrar optoelectrónica de nitruro con sustratos de vidrio escalables.

Métodos

Crecimiento de Materiales

Las muestras se crecieron en sistema Veeco GEN 930 PA-MBE en condiciones ricas en nitrógeno. Cuarzo de doble pulido comercial (≈ 500 µm espesor) se limpió con acetona e isopropanol, luego secó con nitrógeno. Capa de 20 nm Ti se evaporó por haz de electrones para servir como intercapa conductora translúcida. Tras otra limpieza con disolvente y dos pasos de desgasificación, el sustrato entró a cámara de crecimiento donde plasma de nitrógeno (1 sccm, 350 W RF) nitró parcialmente el Ti en TiN antes de abrir obturador de Ga. Bases de nanohilos n-GaN:Si se crecieron con BEP de Ga 6.5×10⁻⁸ Torr y temperatura de celda Si 1165 °C. Un enfoque de dos pasos —nucleación a 620 °C por 10 min seguido de crecimiento a 770 °C— controló densidad de nanohilos. Se depositaron cinco discos cuánticos InGaN (5×10⁻⁸ Torr BEP Ga, 5×10⁻⁸ Torr BEP In) y barreras GaN, y siguió capa p-GaN:Mg a 310 °C temperatura de celda Mg.

Caracterización Óptica y Estructural

Fotoluminiscencia (PL) se midió con láser HeCd 325-nm (3.74 mW) y objetivo UV ×15, logrando densidad de excitación ≈ 310 kW cm⁻². Muestras se enfriaron de 77 K a 300 K en criostato Linkam THMS 6000. Espectros de transmitancia se registraron con espectrofotómetro Shimadzu UV-3600 usando aire como referencia. Imágenes SEM se tomaron en FEI Quanta 600, mientras HRTEM y HAADF-STEM usaron Titan 80-300 a 300 kV. Mapas elementales se obtuvieron vía EDS (EDAX) y EELS.

Fabricación y Caracterización de Dispositivo

Tras limpieza, capa de 2 µm parylene C se depositó por evaporación térmica. RIE de plasma de oxígeno grabó parylene para exponer puntas p-tipo. Ni (5 nm) e ITO (230 nm) se depositaron por evaporación e-beam y sputtering RF, respectivamente, formando capa transparente de dispersión de corriente; recocido a 500 °C en Ar mejoró conductividad. ICP-RIE Cl/Ar definió mesas, y contactos Ni/Au se añadieron via evaporación e-beam y lift-off. Medidas L-I-V usaron Keithley 2400. Termografía infrarroja con OptoTherm empleó mapa de emisividad personalizado generado calentando dispositivo a 60 °C; subsiguiente imagen dependiente de corriente midió elevación de temperatura local.

Resultados y Discusión

Caracterización Estructural y Óptica de Nanohilos Crecidos en Cuarzo

Los nanohilos comprenden ≈ 90 nm n-GaN, cinco discos InGaN de 7-nm, barreras de 14-nm y ≈ 60 nm p-GaN. SEM en vista plana (Fig. 1a) muestra nanohilos de alta densidad, ≈ 100 nm ancho, ≈ 250 nm largo con densidad 9×10⁹ cm⁻² y factor de llenado 78%. Un crecimiento de dos pasos optimizó nucleación minimizando coalescencia que introduciría centros no radiativos.

a SEM vista plana de nanohilos InGaN/GaN crecidos en cuarzo. b TEM campo claro de región p-GaN, con patrón de difracción en inserto. c Imagen HAADF de nanohilo individual. d-f Mapas elementales para Ga, Ti y compuesto. g-h Mapeo de interfaz y EDX/EELS a través de Ti/TiN y cuarzo. Barra de escala = 25 nm.

TEM campo claro (Fig. 1b) confirma crecimiento cristalino de GaN en sustrato con desajuste de red, mientras imagen HAADF (Fig. 1c) revela cinco discos InGaN como puntos brillantes. Mapeo elemental muestra que nanohilos nuclean en capa TiN en lugar de directamente en cuarzo. TiN, formado durante nitruración, es ≈ 10 nm espesor y preserva tanto transparencia como conductividad, actuando también como reflector para longitudes de onda mayores [31].

Espectros µ-PL (Fig. 2a) muestran pico ancho que se desplaza al rojo y ensancha de 77 K a 300 K, consistente con contracción de banda prohibida Varshni y acoplamiento excitón-fonón. µ-PL dependiente de potencia (Fig. 2c) muestra desplazamiento azul despreciable, indicando campos piezoeléctricos reducidos y efecto Stark cuántico-confinado debido a alivio de tensión radial en geometría de nanohilo.

a PL dependiente de temperatura. b Longitud de onda de pico y FWHM vs temperatura. c PL dependiente de potencia a 77 K.

Medidas de transmitancia (Fig. 3) comparan cuarzo puro (≈ 93% visible), cuarzo con 20 nm Ti (≈ 22%), intercapa TiN/Ti (≈ 43%), y nanohilos crecidos (≈ 40%). La capa TiN restaura transparencia, mientras la región activa reduce modestamente transmisión por absorción de discos InGaN. Fotografías ópticas (Fig. 3b-e) ilustran impacto visual de cada capa.

a Curvas de transmitancia. b-e Imágenes ópticas de cada muestra.

Caracterización de Dispositivo

El flujo de fabricación del LED se resume en Fig. 4. La pila final del dispositivo (Fig. 5a) consiste en contactos Ni/Au, dispersores de corriente Ni/ITO, ensamble de nanohilos con discos cuánticos embebidos, y contacto posterior TiN/Ti.

Pasos de fabricación para LED de nanohilos en cuarzo.

a Esquema del dispositivo. b Micrografía óptica bajo polarización directa. c Curva L-I-V. d Espectros EL vs corriente. e FWHM y desplazamiento de pico con polarización. f EQE relativa mostrando droop sobre 20 mA.

El dispositivo 500 µm × 500 µm enciende a ≈ 2.6 V (extrapolación lineal de curva V-I) con resistencia ≈ 300 Ω, mayor que LEDs de nanohilos basados en silicio por conductividad limitada de capa delgada TiN/Ti e inadvertida formación de TiO₂ [36]. Extracción de luz es modesta porque emisión se acopla al cuarzo y se retrodispersa parcialmente. Medidas EL revelan ancho de banda amplio 120 nm; pico se desplaza de 650 nm al encendido a 590 nm a mayor corriente, desplazamiento azul causado por llenado de banda mientras efectos térmicos contrarrestan a alta inyección. EQE pica cerca de 20 mA y luego declina, atribuido a amontonamiento de corriente y mala disipación de calor en cuarzo.

Termografía infrarroja (Fig. 6) muestra temperatura de dispositivo excediendo 60 °C a 35 mA, con calor concentrado alrededor de región activa. Capas de transporte de fonones eficientes son necesarias para mitigar roll-over térmico en diseños futuros.

a Temperatura de dispositivo vs corriente. b-e Imágenes infrarrojas a 5, 10, 20 y 30 mA.

Experimento de Mezcla de Color

Luz blanca de alta calidad es crítica para displays e iluminación. Combinando el LED de nanohilos amarillo sintonizable con diodos láser RGB en configuración de transmisión, produjimos luz blanca con CCT variando de 2800 K a >7000 K manteniendo IRC sobre 55. El amplio espectro del LED amarillo mejora IRC; con solo LDs RGB, IRC alcanzó 55.4, pero añadiendo componente amarillo lo elevó a 85.1 a 7300 K (Fig. 7e). El montaje (Fig. 7a) usa combinador de tres canales Thorlabs, espejo 45° y espectrómetro GL Spectis 5.0 para extraer coordenadas CIE 1931.

a Montaje de mezcla de color. b CCT e IRC vs polarización LED. c CCT e IRC vs polarización LD. d Espectro con LD azul + LED amarillo. e Espectro con LDs RGB + LED amarillo.

Conclusiones

Hemos demostrado crecimiento de nanohilos InGaN/GaN directamente en cuarzo amorfo vía intercapa TiN/Ti y fabricado LEDs basados en esta plataforma. La arquitectura de nanohilos produce material de nitruro altamente cristalino en sustrato de vidrio, permitiendo emisión amarillo-ámbar-rojo (590-650 nm) con FWHM 120 nm. Aprovechando el amplio espectro sintonizable, logramos fuente de luz blanca de amplio rango (3000->7000 K) en configuración de transmisión, destacando el potencial de LEDs de nanohilos en cuarzo para aplicaciones optoelectrónicas transparentes y escalables.