Mejora de la Eficiencia de Extracción de Luz en LEDs InGaN/GaN mediante Array de Nanoesferas de Poliestireno Fabricado por Método Dip-Drop

Resumen

Demostramos un método dip-drop rentable combinado con grabado post-deposición para fabricar un array periódico de nanoesferas de poliestireno (PS NS) sobre vidrio de óxido de indio-estaño (ITO). El array monocapa sirve como ventana de cristal fotónico que mejora la eficiencia de extracción de luz (LEE) de diodos emisores de luz (LEDs) InGaN/GaN. Ajustando la velocidad dip-drop y la concentración de suspensión PS NS, logramos un array de 100 nm de diámetro con períodos de 100 nm en direcciones x e y. La estructura optimizada aumenta la salida del LED en 38 % a 20 mA, confirmando la eficacia del enfoque para fabricación escalable de LEDs.

Antecedentes

Los cristales fotónicos (PCs) se emplean rutinariamente para mejorar el rendimiento de dispositivos optoelectrónicos como LEDs, celdas solares y fotodetectores. Los PCs crean una modulación periódica del índice de refracción a escala de longitud de onda, que puede difractar modos guiados en canales radiativos. Aunque PCs de alto contraste de índice pueden abrir una banda prohibida completa, la implementación práctica en LEDs está limitada por complejidad de fabricación y restricciones de materiales. Una estrategia alternativa es usar la periodicidad del PC para desplazar el vector de onda en-plano de luz guiada al cono de escape, aumentando así la eficiencia de extracción de luz (LEE).

Los LEDs basados en GaN sufren un severo problema de atrapamiento de luz porque el ángulo crítico para reflexión interna total (TIR) en la interfaz GaN/aire es solo ~23°. En consecuencia, la eficiencia cuántica externa (EQE) está dominada por LEE. Numerosos enfoques —incluyendo sustratos de zafiro texturizados, superficies GaN patrónadas y rugosidad de paredes laterales— se han explorado, pero cada uno enfrenta desafíos prácticos como daño químico o escalabilidad limitada.

Los recubrimientos autoensamblados de PS NS ofrecen una alternativa prometedora y de bajo costo. Pueden depositarse sobre grandes áreas con equipo mínimo y no requieren procesamiento a alta temperatura ni grabado agresivo. En este trabajo, estudiamos sistemáticamente la deposición dip-drop de monocapas PS NS sobre ITO, optimizamos la concentración de suspensión y velocidad dip-drop, y demostramos una mejora del 38 % en LEE en LEDs InGaN/GaN.

Experimental

Método Dip-Drop

El setup dip-drop consiste en un depósito de vidrio con válvula de salida controlable. Una mezcla coloidal agua desionizada–PS NS se agita para lograr concentración objetivo, luego el sustrato recubierto de ITO se sumerge a través del líquido a velocidad prescrita. Tamaños típicos de PS NS usados fueron 100, 200 y 500 nm, diluidos a concentraciones de 4,1×10¹¹, 5,1×10¹⁰ y 3,2×10⁹ esferas cm⁻³, respectivamente.

Tras deposición, los sustratos se secan a temperatura ambiente ~1,5 h. Tratamiento con plasma de oxígeno (0–10 s) se emplea para tornar la superficie hidrofílica, optimizando adherencia PS NS mientras se evita daño excesivo al ITO.

Fabricación de LED

LEDs azules InGaN/GaN se crecieron sobre zafiro plano-c por MOCVD. La estructura incluye buffer GaN baja temperatura, n-GaN fuertemente dopado Si, MQWs InGaN/GaN, y p-GaN dopado Mg. ITO se depositó sobre capa p-GaN como conductor transparente. Aislamiento mesa (300 × 300 µm²) se definió por fotolitografía, y contactos Ti/Pt/Au se alearon a 450 °C por 5 min. Las obleas completadas se sumergieron luego en suspensión PS NS para formar el array monocapa.

Resultados y Discusión

Microscopía electrónica de barrido (SEM) reveló que el arreglo PS NS es altamente sensible a velocidad dip-drop. A altas velocidades (0,05 mL s⁻¹), las partículas se dispersan; reduciendo velocidad a 0,01 mL s⁻¹ se obtiene capa ligeramente compactada, mientras 0,005 mL s⁻¹ produce monocapa fuertemente compactada. Esferas mayores (200–500 nm) se autoensamblan más fácilmente que partículas de 100 nm a la misma velocidad debido a fuerzas capilares más fuertes.

La concentración de suspensión también gobierna la cobertura. Concentraciones por debajo de 4,1×10¹¹ esferas cm⁻³ para PS NS de 100 nm dejan huecos; por encima de 5,4×10¹¹ esferas cm⁻³ la monocapa se vuelve multicapa, reduciendo transmitancia. Así, condiciones óptimas para monocapa compacta fueron 0,005 mL s⁻¹ y 4,1×10¹¹ esferas cm⁻³ (100 nm), 5,1×10¹⁰ esferas cm⁻³ (200 nm), y 3,2×10⁹ esferas cm⁻³ (500 nm).

Simulaciones de diferencias finitas en dominio temporal (FDTD) muestran que monocapa PS NS de 100 nm con períodos de 100 nm en ambas direcciones ofrece la mayor intensidad de luz extraída, mejorando LEE simulada ~40 % respecto a LED sin recubrimiento. La mejora surge del desplazamiento difractivo del vector de onda en-plano al cono de escape.

Experimentalmente, LEDs con ventana PS NS optimizada exhibieron aumento del 38 % en salida de luz a 20 mA (de 112,9 mcd a 148,0 mcd). Características I-V permanecieron inalteradas, confirmando que el proceso de deposición no altera comportamiento eléctrico. LEDs con arrays PS NS desordenados o multicapa rindieron solo ligeramente mejor o peor que dispositivo sin recubrimiento, subrayando la importancia de monocapa regular.

Uniformidad across la oblea fue excelente: la desviación estándar de mejora LEE fue 1,4 %, y variaciones en voltaje directo y salida de luz fueron inferiores al 3 %. Espectros de electroluminiscencia mostraron pico más fuerte y estrecho a 465,5 nm para LEDs con PS NS, reflejando re-absorción reducida y mejor acoplamiento externo.

Conclusión

Hemos establecido un protocolo dip-drop simple y escalable para fabricar monocapa periódica PS NS sobre ITO, sirviendo como ventana efectiva de cristal fotónico para LEDs InGaN/GaN. Optimizando velocidad dip-drop (0,005 mL s⁻¹) y concentración de suspensión (4,1×10¹¹ esferas cm⁻³ para PS NS 100 nm) se obtiene array 100 nm con períodos 100 nm que aumenta LEE 38 % a 20 mA. Este método es compatible con procesos LED estándar, no requiere pasos a alta temperatura, y es adecuado para producción de gran área.

Abreviaturas

EQE

Eficiencia cuántica externa

FDTD

Diferencias finitas en dominio temporal

ITO

Óxido de indio-estaño

I-V

Corriente-voltaje

LED

Diodo emisor de luz

LEE

Eficiencia de extracción de luz

L-I

Intensidad de salida de luz-corriente

PCs

Cristales fotónicos

PS NS

Nanoesfera de poliestireno

SEM

Microscopía electrónica de barrido

TIR

Reflexión interna total