Безлюминофорные белые светодиоды на основе нанопирамид

Исследователи из Китая использовали нитридные полупроводниковые нанопирамидные структуры для создания светодиодов (СИД) со спектрами, подобными спектрам, полученным с помощью светодиодов «белого света» с желтыми люминофорами [Kui Wu et al, J. Appl. Phys., Vol. 115, p123101, 2014]. Исследователи находятся в институтах полупроводников и механики Китайской академии наук и Университете Цинхуа. Аналогичная команда CAS / Tsinghua ранее сообщала о таких устройствах, используя маску наносферы из полистирола для создания отверстий для селективного роста нанопирамид.

Пояснения к изображению:

Слева: схема изготовления не содержащих люминофор нанопирамидных светодиодов с помощью фотолитографии наносферических линз. Справа: (a) Спектры фотолюминесценции при комнатной температуре нанопирамидных светодиодов с MQW, выращенными при разных температурах, а также эталонная структура, выращенная на планарной матрице. (b) Спектр «белого светодиода» (синий светодиод с желтыми люминофором). (c) спектр электролюминесценции нанопирамидных светодиодов при 20 мА; На вставке показана микрофотография.

Светоизлучающие структуры выращиваются на гранях нанопирамид. При выращивании кристаллической структуры в полярных направлениях, следует избегать поляризации электрического поля и деформационных эффектов, которые затрудняют рост нитрида галлия с высоким содержанием индия (InGaN). Высококачественный InGaN с высоким содержанием индия необходим для достижения более длинноволнового излучения для «белого света».

Шаблон n-GaN состоял из слоя n-типа 2 мкм на 2μm нелегированном GaN-буфере на сапфировой подложке. Маскирующий слой диоксида кремния осаждали и наносили точки с использованием гексагональной решетки наносфер из полистирола (рис. 1). Паттерн фоторезиста создавал отверстия диаметром 400 нм в периодическом массиве 900 нм. Картина была перенесена на диоксид кремния методом травления с индуктивно связанной плазмой (ICP).

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) использовано для выращивания нитридного полупроводникового материала на открытой матрице n-GaN. Начальный рост при 1050°C n-GaN в течение 4 минут с образованием нанопирамид с {10-11} гранями. Затем выращивали пятипериодные InGaN / GaN квантовые ямы (multiple quantum well - MQW) (720-780°C), затем 13-минутный слой p-GaN при 950°C. Полученные нанопирамиды имели высоту около 600 нм.

Спектры фотолюминесценции (рис.2) нанопирамид дали два пика около 445 нм (синий) и 550 нм (желтый). Баланс пиков зависел от температуры роста MQW. В частности, рост при более высокой температуре увеличивает синий цвет относительно желтого пика. Исследователи связывают это с разложением желто-излучающих областей, которые имеют более высокое содержание индия.

Исследователи отмечают: «Интересно, что при выращивании при 780°С нанопирамидные светодиоды имеют спектр, подобный белому светодиоду от синих светодиодов в сочетании с желтыми люминофорами».

Микроскопическое исследование электролюминесценции показало, что синяя радиация исходит от вершины пирамид, в то время как желтое излучение происходит от базовой области. Исследователи относят желтую эмиссию к базовой области, имеющей более высокое содержание индия и более широким, менее квантовым ямам, что приводит к меньшей энергии излучения.

Исследователи признают, что излучение нанопирамиды все еще слабо: «Мы считаем, что яркость можно улучшить, оптимизируя параметры роста, включая размер, пропорции и структуру MQW».

Кроме того, необходимо разработать обычные процессы изготовления светодиодов, чтобы справиться с шероховатой поверхностью нанопирамидных структур. Исследователи работают над структурами устройств и чип-процессами, которые позволят детально описать электролюминесценцию нанопирамидных светодиодных структур.

На основе моделирования методом конечных разностей во временной области (finite-difference time domain - FDTD) исследователи полагают, что массивы нанопирамид имеют эффективность выхода примерно в четыре раза большую, чем у обычных плоских MQW, которые имеют маленькие углы выхода света на границе раздела воздух-GaN и теряют из-за различий в показателях преломления. Моделирование дает угол выхода почти 85°, по сравнению с менее чем 40° для плоских структур.

Источник - Led Professional - Trends & Technologies for Future Lighting Solutions, Apr 14, 2014.

Назад к каталогу статей >>>