Crescimento direto de diodo emissor de luz amarela à base de nitreto III-nanowire em quartzo amorfo usando camada intermediária de Ti fino

Resumo

Os eletrônicos de consumo têm contado cada vez mais com a tela de vidro ultrafina devido à sua transparência, escalabilidade e custo. Em particular, a tecnologia de exibição depende da integração de diodos emissores de luz com o painel de exibição como fonte de iluminação de fundo. Neste estudo, assumimos o desafio de integrar emissores de luz em quartzo amorfo, demonstrando o crescimento direto e a fabricação de um diodo emissor de luz baseado em nanofio de nitreto III. O dispositivo de prova de conceito exibe uma baixa tensão de ativação de 2,6 V, em um substrato de quartzo amorfo. Alcançamos ~ 40% de transparência em todo o comprimento de onda visível, mantendo a condutividade elétrica, empregando uma camada intermediária de TiN / Ti no quartzo como uma camada condutora translúcida. O LED nanofio sobre quartzo emite um amplo espectro de largura de linha de luz centrado na cor amarela verdadeira (~ 590 nm), um importante comprimento de onda que preenche a lacuna verde na tecnologia de iluminação de estado sólido, com significativamente menos tensão e deslocamentos em comparação com o plano convencional estruturas de nitreto de poço quântico. Nosso esforço destacou a viabilidade de fabricar dispositivo optoeletrônico de nitreto III em um substrato amorfo escalonável por meio de etapas fáceis de crescimento e fabricação. Para demonstração prática, demonstramos luz branca de temperatura de cor correlacionada ajustável, aproveitando as características espectrais de nanofio amplamente ajustáveis ​​em regime de cor vermelho-âmbar-amarelo.

Histórico

O uso de diodo emissor de luz (LED) para a tecnologia de display se espalhou na última década. Essas fontes de luz são mais eficientes em termos de energia em comparação com a lâmpada fluorescente de cátodo frio (CCFL) e mais adequadas para eletrônicos de consumo portáteis. LEDs convencionais dependem de LEDs azuis baseados em GaN crescidos em substratos de safira. Conforme a demanda por produtos LED aumenta, a tendência está mudando para o uso de substrato de safira de maior diâmetro para aumentar o rendimento de fabricação. No entanto, o substrato de safira de tamanho grande é desafiador para fabricar devido às dificuldades na perfuração precisa da safira de plano C de boules de Kyropoulos, mantendo a orientação precisa do cristal e planicidade com o aumento do diâmetro [1, 2]. Além dos problemas de fabricação, os LEDs planos convencionais baseados em GaN são limitados pela existência do gap verde, ou seja, a região espectral onde a eficiência quântica do LED diminui para comprimentos de onda maiores do que o comprimento de onda verde (520 nm).

Houve várias tentativas de cultivar materiais de nitreto III sobre substratos à base de vidro. Anteriormente, o crescimento epitaxial de GaN em vidro usando epitaxia de feixe molecular de fonte de gás (MBE) [3] e pulverização catódica [4, 5] produziu material policristalino de baixa qualidade, afetando o desempenho do dispositivo. Alternativamente, a Samsung demonstrou a capacidade de crescer pirâmides de GaN quase monocristalinas em vidro por micromascaramento e subsequente crescimento de deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD) [6, 7]. No entanto, a evaporação excessiva de índio em MOCVD impede a incorporação eficiente de índio para atingir emissores na lacuna verde. Shon et al. demonstraram a possibilidade de melhorar a qualidade de um filme fino de InGaN pulverizado em vidro amorfo usando grafeno como camada tampão de pré-orientação, suprimindo efetivamente a fotoluminescência relacionada ao defeito [8]. No entanto, esses métodos requerem etapas de processamento complexas que impedem o potencial de integração em processos de manufatura em grande escala.

Um método possível de incorporar diretamente o emissor de luz de nitreto III com substrato à base de vidro é utilizando nanofios de nitreto III crescidos espontaneamente usando MBE. Ao otimizar a condição de crescimento, é possível fazer com que os nanofios de nitreto III cresçam espontaneamente sem a necessidade de qualquer máscara de crescimento modelada ou catalisador [9]. Por causa da grande proporção entre superfície e volume, os nanofios podem crescer sem deslocamento de rosca [10], embora tenham deformação reduzida na região ativa. A deformação reduzida permite a fabricação de dispositivos baseados em nanofios de nitreto III, trabalhando dentro da lacuna verde e além [11-16]. Foi demonstrado que os nanofios de nitreto III crescem em vários substratos, como silício [9, 17, 18], metal [19-21] e sílica [22-25], tornando possível a utilização de uma ampla gama de substratos . Atualmente, devido à natureza isolante do substrato à base de vidro, é um desafio fabricar um dispositivo eletricamente injetado sobre sílica enquanto mantém a condutividade e a transparência simultaneamente.

Neste trabalho, assumimos esse desafio e demonstramos com sucesso o crescimento e a fabricação de um LED baseado em nanofio InGaN / GaN crescido em um substrato de quartzo amorfo. Conseguimos transparência e condutividade simultâneas empregando uma camada intermediária translúcida de TiN / Ti como a camada condutora e o local de crescimento para os nanofios. Como os nanofios crescem espontaneamente sem uma relação epitaxial global necessária com o substrato, nenhuma etapa de processamento complexa ou cara é necessária antes do crescimento do material. O LED de nanofios em quartzo emite uma luz amarela de largura de linha ampla centrada em ~ 590 nm, uma cor que é desafiadora de se obter com tecnologias convencionais de nitreto de poço quântico planar, acentuando ainda mais a importância de nosso trabalho atual.

Para uma demonstração prática, também realizamos um experimento de ajuste de temperatura de cor correlacionada (CCT) com base em fontes de luz espontâneas e estimuladas mistas. O uso de quartzo amorfo transparente permite a transmissão direta da luz de um diodo laser para geração de luz branca. O crescimento de nanofios em quartzo abre novas possibilidades e oportunidades para realizar emissores de luz integrados operando na lacuna verde enquanto se beneficiam da escalabilidade da tecnologia de quartzo amorfo. Apesar da infância tecnológica, em comparação com os LEDs de nitreto III planar, as propriedades exclusivas do titânio nitretado para o crescimento de nanofios são fundamentais para permitir a integração perfeita do emissor de luz em um substrato transparente.

Métodos

Crescimento material

As amostras de nanofios em quartzo foram cultivadas sem catalisador em condições ricas em nitrogênio usando um sistema Veeco GEN 930 PA-MBE. Um substrato comercial de quartzo amorfo duplo polido (espessura ~ 500 μ m) é primeiro limpo usando acetona e álcool isopropílico enxágue e seco usando nitrogênio. Antes do crescimento, uma camada de Ti de 20 nm de espessura foi depositada usando evaporação de feixe de elétrons para atuar como a camada intermediária condutora translúcida. Após a deposição do Ti, outra rodada de limpeza com solvente usando acetona e álcool isopropílico é realizada. Duas rodadas de liberação de gás foram realizadas para remover qualquer umidade e contaminantes da superfície do substrato. Depois de carregar na câmara de crescimento, a superfície do substrato é exposta a um plasma de nitrogênio para converter parcialmente o Ti em TiN antes de abrir o obturador de Ga. O nitrogênio foi mantido a uma taxa de fluxo de 1 sccm e potência de RF de 350 W durante a nitretação e durante todo o processo de crescimento. Para GaN tipo n:crescimento de base de nanofio de Si, a pressão equivalente do feixe de Ga (BEP) foi de 6,5 × 10 ⁻⁸ Torr enquanto a temperatura da célula de Si foi mantida a 1165 ° C. Utilizamos um método de crescimento em duas etapas para obter GaN de alta qualidade enquanto controlamos a densidade dos nanofios. A camada de nucleação do nanofio GaN foi depositada a uma temperatura de substrato de 620 ° C por 10 min, seguido pelo crescimento do nanofio GaN a uma temperatura elevada (770 ° C). Após o crescimento do n-GaN, a região ativa consistindo em cinco pares de discos quânticos InGaN e barreiras quânticas GaN foram depositados. No BEP era 5 × 10 ⁻⁸ Torr e Ga eram 3 × 10 ⁻⁸ Torr para crescimento do disco quântico. Uma seção GaN:Mg tipo p foi cultivada após a barreira quântica final de GaN. A célula de Mg foi mantida a 310 ° C durante o crescimento de p-GaN.

Caracterização ótica e estrutural

As características de fotoluminescência (PL) dos nanofios cultivados em quartzo foram medidas usando μ dependente da temperatura Medições -PL usando um laser HeCd de 325 nm como fonte de excitação e lentes objetivas de UV × 15. A potência de saída do laser é de ~ 3,74 mW. O tamanho do ponto do feixe é de ~ 1,24 μ m, que dá uma densidade de potência de excitação correspondente de ~ 310 kW / cm ² . A amostra foi resfriada à temperatura de nitrogênio líquido usando uma célula criostática (Linkam, THMS 6000). A temperatura é então ajustada de 77 a 300 K. A transparência da amostra foi medida usando um espectrofotômetro Shimadzu UV-3600 UV-vis-NIR. A calibração foi realizada usando o ar como referência. As imagens de SEM foram obtidas usando FEI quanta 600. Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRTEM) e caracterizações de STEM de campo escuro anular de alto ângulo de alta resolução (HAADF-STEM) foram realizadas usando um microscópio eletrônico de transmissão Titan 80-300 ST (FEI Companhia) operou com uma tensão de aceleração de 300 kV. O mapa de composição elementar foi obtido por meio de espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) da EDAX Company.

Fabricação e caracterização de dispositivos

A fabricação do dispositivo é a seguinte. Primeiro, a amostra de nanofio conforme crescido é limpa por meio de limpeza com solvente padrão usando acetona e álcool isopropílico, seguido de secagem com nitrogênio. Em seguida, ~ 2 μ m de parileno C é depositado por evaporação térmica. Um processo de decapagem usando ataque de íon reativo com plasma de oxigênio (RIE) é realizado para expor as pontas de nanofio tipo p. Posteriormente, 5 nm de Ni é depositado usando evaporação de feixe de elétrons seguido por 230 nm de óxido de índio e estanho (ITO) depositado usando RF magnetron sputtering como a camada transparente de espalhamento de corrente. O recozimento é feito a 500 ° C sob Ar ambiente para melhorar as características elétricas da camada de espalhamento de corrente transparente de Ni / ITO. A corrosão RIE por plasma indutivamente acoplado (ICP) é feita usando íons baseados em Cl e Ar para definir a mesa do dispositivo. Finalmente, uma almofada de contato Ni / Au é depositada por meio da evaporação do feixe de elétrons seguida por lift-off. A caracterização L-I-V foi realizada usando um medidor de potência Keithley 2400. A medição térmica e a imagem foram conduzidas usando um microscópio comercial de imagem térmica micro radiométrica Optotherm. Antes da medição real da temperatura, uma tabela de mapeamento de emissividade 2D é construída para cada pixel da imagem, a fim de levar em consideração os diferentes valores de emissividade da superfície causados ​​por diferentes componentes do material. Isso é feito aquecendo o dispositivo a 60 ° C usando um estágio de aquecimento e construindo a mesa usando o software de análise de imagem térmica Thermalyze fornecido pelo sistema. Após a construção da mesa, o estágio de aquecimento é desligado e a medição dependente da corrente é realizada.

Resultados e discussão

Caracterização estrutural e óptica de nanofios cultivados em quartzo

A estrutura do nanofio consiste em ~ 90 nm n-GaN, cinco pares de disco quântico InGaN de ~ 7 nm de espessura e barreira de ~ 14 nm de espessura e ~ 60 nm p-GaN. A Figura 1a mostra uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de visão plana de nanofios de alta densidade. Os nanofios têm um tamanho lateral típico de ~ 100 nm e comprimento de ~ 250 nm. A densidade dos nanofios é calculada estatisticamente como sendo ~ 9 × 10 ⁹ cm ⁻² , com um fator de preenchimento de 78%. Embora algum grau de coalescência entre vários nanofios possa ser observado, a maioria dos nanofios parece disjunta. As condições de crescimento foram otimizadas usando um método de crescimento em duas etapas separando a nucleação da semente de GaN inicial e o crescimento do nanofio [26]. Usando este método, fomos capazes de crescer nanofios de alta qualidade com densidade máxima de nanofios, minimizando a coalescência entre os nanofios, o que é prejudicial ao desempenho do dispositivo por causa de defeitos não radiativos nos locais de coalescência [27].

a Vista plana SEM de nanofios InGaN / GaN crescidos em quartzo. b Visão de alta ampliação do campo brilhante TEM da região p-GaN, mostrando a cristalinidade do nanofio. A inserção mostra o padrão de difração de elétrons da área seletiva retirado do nanofio. c Imagem HAADF de um único nanofio e d mapa EDX correspondente para Ga, e Ti e f mapeamento elementar composto. A barra de escala corresponde a 25 nm. g Visão de alta ampliação da interface entre a base do nanofio, a camada intermediária e o substrato. A seta vermelha indica a direção do mapeamento elementar. h Resultados de EDX e EELS correspondentes mostrando a mudança na composição elemental nas interfaces de material. Os resultados do EDX são suavizados para remover o ruído

A imagem do microscópio eletrônico de transmissão de campo brilhante (TEM) de alta resolução do nanofio é mostrada na Fig. 1b, juntamente com o padrão de difração de área seletiva correspondente mostrado na inserção. O padrão de difração é uma indicação da cristalinidade do nanofio, mostrando o crescimento de material de GaN de alta qualidade em um substrato de rede incompatível. A imagem de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF) de um único nanofio juntamente com o mapeamento elementar correspondente é mostrado na Fig. 1c-f. A imagem HAADF mostra cinco inserções de disco quântico InGaN (qdisk) como a região ativa, indicada por pontos mais brilhantes no nanofio. Na base do nanofio, uma camada semelhante a detritos pode ser vista. Esta camada é o que resta da semente de nanofio GaN inicial que não cresce em nanofio devido ao efeito de sombreamento. O mapeamento elementar mostra que os nanofios crescem no topo da camada intermediária de Ti e não diretamente no topo do substrato de quartzo.

O mapeamento elementar TEM na interface entre o nanofio, camada intermediária e substrato de quartzo também é mostrado na Fig. 1g-h para dar uma melhor compreensão da composição da interface. O mapeamento elementar para Ga, Ti e Si foi realizado usando análise de energia dispersiva de raios-X (EDX), enquanto o mapeamento elementar para O e N foi realizado usando espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS). O mapeamento elementar realizado na interface confirma que a parte superior da camada de Ti foi parcialmente convertida em TiN durante o crescimento dentro da câmara de MBE, conforme indicado pela presença simultânea de Ti e N no topo da intercamada. A camada de TiN é estimada em aproximadamente 10 nm de espessura. A nucleação da semente de GaN e o crescimento do nanofio ocorrem então no topo da camada de TiN. O resultado do EELS mostra a existência de sinal de oxigênio através da camada de TiN / Ti. Isso é causado pela formação espontânea de TiO nativo ₂ filme quando a amostra TEM é exposta ao ar após a preparação [28]. A nucleação direta no TiN é vantajosa para o projeto do nosso dispositivo, já que TiN é mostrado ser capaz de transparência e condutividade simultâneas [29] enquanto também melhora a qualidade do GaN crescido em cima dele [30] e agindo como um refletor em comprimentos de onda mais longos [31].

As características ópticas dos nanofios cultivados em quartzo foram medidas usando um μ Configuração -PL com excitação de 325 nm de um laser HeCd. À temperatura ambiente, μ Os espectros -PL mostram um pico amplo. A largura de linha ampla é uma característica comum entre os nanofios de nitreto III devido à inomogeneidade estrutural e composicional inerente entre os nanofios individuais [32]. O dependente da temperatura μ -PL na Fig. 2a mostra que de 77 a 300 K, μ Os espectros -PL são desviados para o vermelho e aumentam com o aumento da temperatura. O comprimento de onda de pico e FWHM para várias temperaturas medidas são mostrados na Fig. 2b. O desvio para o vermelho é devido ao encolhimento do bandgap dependente da temperatura relacionado ao efeito Varshni, enquanto o alargamento do pico com um aumento da temperatura é devido ao acoplamento de excitons com fônons acústicos [33]. A redução na intensidade do pico observada com o aumento da temperatura é causada pelo aumento da recombinação não radiativa devido à ativação de centros de recombinação não radiativa em temperatura elevada, e portadores obtendo energia térmica suficiente para escapar do disco quântico para recombinar de forma não radiativa. Os resultados do dependente de energia μ O experimento -PL a 300 K (Fig. 2c) mostra que os espectros exibem deslocamento para o azul desprezível com o aumento da potência de excitação. A ausência de deslocamento para o azul pode ser atribuída à redução do campo piezoelétrico e ao efeito Stark confinado por quantum (QCSE) dentro dos discos quânticos causado pelo relaxamento de deformação radial em estruturas de nanofios [34].

a Resultado da medição PL dependente da temperatura de 77 a 300 K. b Mudança do comprimento de onda de pico e FWHM para medição de PL dependente da temperatura. c Dependente de energia μ Medição -PL realizada a 77 K, indicando redução do efeito Stark confinado ao quantum

Para verificar a viabilidade dos nanofios cultivados em uma amostra de quartzo amorfo para aplicações de dispositivos transparentes, comparamos a transmitância de um substrato de quartzo revestido com 20 nm de Ti, um substrato de quartzo revestido com Ti que sofreu nitretação parcial e nanofios conforme crescido na amostra de quartzo. O próprio substrato de quartzo puro tem uma transmitância de ~ 93% em todo o espectro de comprimento de onda visível. Os resultados da medição são mostrados na Fig. 3a. Para substrato de quartzo nu revestido com 20 nm de Ti (Fig. 3b), a transmitância é de apenas ~ 22%. Após a nitretação (Fig. 3c), a transmitância aumenta consideravelmente em mais de 20%, devido à formação da camada de TiN, conforme confirmado pelos resultados do TEM. Após o crescimento do nanofio (Fig. 3d), a transmitância é parcialmente reduzida devido à absorção de luz da região ativa do disco quântico InGaN [35]. Para comprimento de onda menor do que o comprimento de onda de emissão de GaN, a transmitância se aproxima de zero, pois os próprios nanofios de GaN também irão absorver a luz transmitida. As fotografias ópticas do substrato de quartzo revestido com Ti de 20 nm, substrato de quartzo com camada de TiN / Ti, nanofios crescidos em quartzo e dispositivo fabricado são mostrados na Fig. 3b-e para comparação.

a Resultados da medição de transmitância para quartzo puro, substrato de quartzo revestido com 20 nm de Ti, substrato de quartzo revestido com camada de TiN / Ti e amostra de nanofio conforme crescido em quartzo. b Fotografia óptica de quartzo revestido com Ti de 20 nm; c quartzo revestido com Ti que foi submetido a nitretação parcial; d amostra de nanofio conforme crescido; e e dispositivo LED fabricado em quartzo

Caracterização do dispositivo

Incorporamos os nanofios cultivados em quartzo em LEDs. As etapas de fabricação são ilustradas na Fig. 4. As etapas detalhadas de fabricação são descritas na seção “Métodos”.

Etapas de fabricação para os nanofios em LED de quartzo

A estrutura do LED representada na Fig. 5a consiste nas seguintes camadas:a almofada de contato Ni / Au, camada de espalhamento de corrente transparente de Ni / ITO, nanofios de GaN com cinco discos quânticos InGaN incorporados dentro do material de enchimento dielétrico (parileno C) e um TiN inferior / Camada intermediária de Ti. A camada intermediária inferior de TiN / Ti atua como uma camada de contato translúcida.

a Esquema do dispositivo LED fabricado. b Fotografia óptica dos nanofios em LED de quartzo sob polarização direta. c L - eu - V característica do LED. d Espectros de eletroluminescência do LED sob variação de corrente de injeção. e Mudança de FWHM e posição do comprimento de onda de pico do LED com o aumento da polarização direta. f Eficiência quântica externa relativa do LED, mostrando queda de eficiência em corrente de injeção mais alta devido ao congestionamento de corrente e aquecimento da junção

A Figura 5 mostra os resultados da caracterização elétrica do a 500 μ m × 500 μ m dispositivo nanofio em quartzo de tamanho reduzido. A tensão de ligação, por extrapolação linear da região linear do V - eu curva, foi determinada como sendo ~ 2,6 V. A resistência à ativação (~ 300 Ω ) é maior do que a de dispositivos LED baseados em nanofios fabricados em plataforma de silício e metal principalmente por causa da condutividade limitada da camada fina de TiN / Ti em combinação com a formação espontânea de TiO isolante ₂ camada [36]. Quando a transparência do dispositivo não é crítica, a resistência à ativação pode ser melhorada depositando uma camada intermediária de Ti mais espessa antes do crescimento. A potência de saída de luz mostrada no resultado do L - eu a medição é relativamente baixa, pois apenas a luz emitida normal ao plano do dispositivo é coletada. A emissão de luz do dispositivo na Fig. 5b mostra que parte da luz emitida pelo dispositivo acopla na área circundante do substrato de quartzo e é parcialmente retroespalhada normal ao plano do substrato, resultando em baixa eficiência de extração de luz. No entanto, este resultado também destaca a possibilidade de usar o LED nanofio sobre quartzo como a base para um circuito totalmente óptico em uma plataforma de vidro por meio da engenharia cuidadosa do acoplamento e orientação dos fótons dentro do substrato de quartzo.

Os resultados da medição de eletroluminescência (EL) na Fig. 5d, e mostram uma ampla largura de linha de emissão acima de 120 nm. O pico de eletroluminescência concorda bem com a temperatura ambiente μ Medição -PL. Em uma densidade de corrente de injeção baixa aproximadamente na ativação, o LED exibe uma ampla emissão espectral próxima ao comprimento de onda vermelho. Com o aumento da corrente de injeção, o espectro muda para o azul de 650 nm para 590 nm, realizando assim o ajuste no chip através do regime de cor vermelho-âmbar-amarelo. O desvio para o azul no comprimento de onda de pico está relacionado ao efeito de preenchimento de banda progressivo onde, em uma alta corrente de injeção, o elétron começa a preencher o estado de energia mais alta e se recombinar, resultando em emissão em comprimento de onda de pico mais curto. Na corrente de injeção mais alta, o deslocamento para o azul do comprimento de onda de pico está saturado, devido à competição entre o deslocamento para o azul e o deslocamento para o vermelho causada pelo aumento na temperatura da junção. Usando uma estrutura de disco quântico em nanofio, o campo de polarização é reduzido por meio de alívio de tensão, permitindo, assim, a realização de um dispositivo de LED amarelo que é um desafio de alcançar com um dispositivo planar quântico baseado em poço.

O cálculo da eficiência quântica externa relativa (EQE) mostrado na Fig. 5f mostra que a eficiência quântica satura em ~ 20 mA antes de começar a diminuir. Esta redução na eficiência é causada pela combinação de espalhamento de corrente limitado e efeito de aquecimento da junção, devido à baixa difusividade térmica do quartzo, resultando em acúmulo de calor e rolagem de eficiência dentro do dispositivo [37]. Para investigar o aquecimento da junção dentro do dispositivo, uma câmera infravermelha OptoTherm foi usada para observar a temperatura do dispositivo sob injeção elétrica diretamente. Realizamos medições de temperatura em dois pixels diferentes, indicados pelos números 2 e 3 no destaque da Fig. 6a. No entanto, para a Fig. 6a, apenas os dados de medição do ponto número 2 são apresentados. Com uma injeção de corrente de 35 mA, a temperatura do dispositivo já ultrapassa 60 ° C, o que é visivelmente maior em comparação com dispositivos crescidos em cima de silício e metal. A Figura 6b-d mostra a distribuição de calor ao redor do dispositivo a 5, 10, 20 e 30 mA. Sob corrente de injeção mais alta, pode ser visto que o calor não é dissipado de forma eficiente, mas se acumula na área ao redor do dispositivo. É necessário um projeto detalhado adicional de um meio de transporte de fônon eficiente, que seja compatível com a plataforma atual, além desta demonstração de prova de conceito.

Medição da temperatura do dispositivo usando a câmera infravermelha OptoTherm. a Mudança de temperatura do dispositivo com o aumento da corrente de injeção. A inserção mostra a imagem infravermelha da estrutura do dispositivo sob polarização zero e barra de cores ajustada. O ponto de medição é indicado pelo número 2 e a cruz roxa. Imagem infravermelha correspondente à temperatura do dispositivo e área circundante na corrente de injeção de b 5, c 10, d 20, e e 30 mA. Os resultados indicam que o calor está concentrado na área ao redor do dispositivo

Experiência de mistura de cores

Uma fonte de luz branca de alta qualidade ajustável por CCT desempenha um papel importante na eletrônica de consumo, pois foi demonstrado que o componente de luz azul no display eletrônico leva à supressão da melatonina, interferindo efetivamente no ritmo circadiano humano [38, 39]. Tirando proveito das características espectrais amplamente ajustáveis ​​do dispositivo, demonstramos uma aplicação prática de uma geração de luz branca amplamente ajustável por CCT em uma configuração de transmissão. Usamos o LED nanofio sobre quartzo como o elemento amplamente ajustável ativo com os diodos laser (LDs) vermelho, verde e azul (RGB) como fontes de luz secundárias. Uma vantagem de usar uma fonte de luz amarela baseada em nanofios para gerar luz branca é a ampla emissão inerente, que leva a um alto valor de índice de reprodução de cor (CRI). Ao utilizar o LED amarelo em conjunto com lasers, fomos capazes de projetar uma luz branca amplamente ajustável por CCT. A disposição da configuração da mistura de cores é descrita a seguir.

Primeiro, as saídas dos LDs RGB são combinadas usando um combinador de comprimento de onda de três canais da Thorlabs e colimadas usando uma lente de colimação. Em seguida, o feixe colimado é refletido usando um espelho de 45 ° na parte traseira do LED nanofio sobre quartzo e, em seguida, passado pela parte superior do LED. Finalmente, o detector é posicionado diretamente acima do LED nanofio sobre quartzo para coletar a luz de cor mista resultante. Um esquema do aparelho é mostrado na Fig. 7a. Um espectrômetro de toque GL Spectis 5.0 foi usado para processar os valores CRI e CCT com base no padrão 1931 da Comissão Internacional de Iluminação (CIE).

Experiência de mistura de cores. a Configuração do experimento de mistura de cores indicando os LDs vermelho, verde e azul e o dispositivo de quartzo nanofio amarelo. A inserção mostra uma fotografia ótica de LED sob iluminação a laser. b Mudança em CCT e CRI com corrente de injeção de LED variável. c Alteração no CCT e CRI com variação da corrente de injeção de LD. Espectro de comprimento de onda e mapa CIE 1931 para uma configuração de mistura de cores usando d um LD azul com LED nanofio sobre quartzo amarelo e e LDs RGB com LED amarelo nanofio sobre quartzo

No primeiro experimento, o feixe de um LD azul foi combinado com a luz amarela do LED amarelo. Para obter o valor CRI mais alto possível, as correntes de polarização do LD e do LED foram inicialmente variadas, produzindo um valor CRI de 74,5 com um valor CCT de 6769 K. Este valor é muito maior do que nosso resultado anterior usando um LD / YAG azul:Ce ³⁺ fósforo para geração de luz branca [40]. Para demonstrar a sintonia de cores, o viés do LED ou do LD foi variado, a partir do valor de viés que produziu o maior CRI. A Figura 7b, c mostra o efeito do ajuste da corrente de polarização nos valores CRI e CCT. Fomos capazes de ajustar a temperatura de cor de 2.800 K para mais de 7.000 K, mantendo um valor CRI acima de 55. A Figura 7d mostra o espectro do CRI mais alto alcançado, com a inserção mostrando a mudança na coordenada CIE 1931 variando a corrente de polarização . Outras melhorias no valor CRI foram feitas usando RGB LDs em conjunto com o LED amarelo. Quando apenas os LDs RGB são utilizados sem o componente do espectro do LED amarelo, obtivemos um valor de CRI de 55,4. Ao incorporar o componente do espectro amarelo, fomos capazes de obter uma luz branca de alta qualidade com um valor de CCT de 7300 K e um valor de CRI de 85,1 (Fig. 7e), que é significativamente maior.

Ao utilizar o LED nanofio sobre quartzo em conjunto com o sistema de diodo laser, somos capazes de projetar uma fonte de luz branca amplamente ajustável por CCT, evitando o problema de degradação do fósforo [41]. Ao controlar as características espectrais de cada comprimento de onda individualmente, o ajuste fino das características da luz branca é possível. Além disso, a geração de luz branca baseada em diodo laser é mais favorável em comparação com a baseada em LED devido à maior eficiência e potencial vantagem de custo [42].

Conclusões

Em conclusão, demonstramos o crescimento de nanofios InGaN / GaN diretamente em um substrato de quartzo amorfo usando camada intermediária de TiN / Ti e fabricamos LEDs com base na plataforma de nanofio sobre quartzo. Ao utilizar a estrutura baseada em nanofios, fomos capazes de cultivar material de nitreto III altamente cristalino em quartzo amorfo. O LED nanofio sobre quartzo permite a realização de uma fonte de luz LED com base no substrato escalonável e econômico. O LED fabricado emite luz no comprimento de onda de pico cobrindo amarelo-âmbar-vermelho (comprimentos de onda de pico de 590 a 650 nm) com um FWHM de mais de 120 nm. Tirando proveito das características espectrais amplamente ajustáveis ​​do dispositivo, demonstramos uma geração prática de uma luz branca amplamente ajustável de 3.000 a> 7.000 K em uma configuração de transmissão.

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