Preparação de um arranjo de nanosfera de poliestireno periódico usando o método Dip-Drop com ataque pós-deposição e sua aplicação para melhorar a eficiência de extração de luz de InGaN / GaN LEDs

Resumo

Neste estudo, sintetizamos uma matriz periódica de nanosfera de poliestireno (PS NS) usando o método dip-drop com corrosão pós-deposição para melhorar a eficiência de extração de luz (LEE) de diodos emissores de luz (LEDs) InGaN / GaN. O método dip-drop tem vantagens como procedimento simples, equipamento barato, deposição em temperatura ambiente e fácil implementação em LEDs. O arranjo de PS NSs em um substrato de vidro revestido com óxido de estanho e índio (ITO) depende da velocidade média de queda e da concentração da suspensão de PS NS. A matriz PS NS periódica pode modular o vetor de onda no plano da luz de emissão de um semicondutor para o espaço livre e, assim, aumentar a probabilidade de escape. Os resultados calculados e experimentais indicaram que a intensidade de saída de luz dos LEDs InGaN / GaN pode ser melhorada usando a matriz PS NS periódica como uma camada de janela; esta matriz compreende PS NSs com um diâmetro de 100 nm separados por períodos de 100 e 100 nm no x e y instruções. Por causa do LEE melhorado, os LEDs InGaN / GaN com as camadas de janela de matriz PS NS ideais exibiram um aumento de 38% na intensidade de saída de luz em comparação com os LEDs InGaN / GaN convencionais sob corrente de condução de 20 mA.

Histórico

Recentemente, cristais fotônicos (PCs) têm sido amplamente investigados para melhorar a eficiência de dispositivos optoeletrônicos, como diodos emissores de luz (LEDs) [1], células solares [2] e fotodetectores [3]. PCs são estruturas nas quais uma variação periódica no índice de refração ocorre na escala do comprimento de onda da luz em uma ou mais direções [4, 5]. A estrutura de PCs com um contraste de índice de refração suficientemente grande pode produzir um intervalo fotônico no qual a faixa de freqüência de propagação da luz é proibida. A eficiência de extração de luz (LEE) dos LEDs pode ser melhorada usando os PCs por meio de dois métodos. Uma abordagem é projetar a estrutura do PC com um bandgap para corresponder aos modos de guia de ondas capturados dentro do LED. A luz do guia de ondas dentro do bandgap do PC é bloqueada na direção lateral na estrutura e guiada para o único canal de emissão externo para a luz sair do dispositivo. No entanto, esta abordagem é difícil de realizar por causa do problema significativo de processamento de material de criar uma estrutura plana com um contraste de índice de refração suficientemente grande para abrir um gap óptico completo. Outra abordagem é utilizar o índice de refração periódico do PC para difratar o modo de guia de ondas acima de uma certa frequência de corte em modos de propagação externa: k _‖m = k _‖ + N k _pc , onde k _‖m e k _‖ são os vetores de onda no plano modificados e originais, respectivamente; n é um número inteiro; e k _pc é o vetor de onda recíproco dependendo da constante de rede do PC. Quando a periodicidade é escolhida corretamente, o vetor de onda no plano modificado cai dentro do milho de escape, resultando na extração para o ar em um ângulo dependente da constante de rede específica dentro desta faixa. Existem vários métodos para definir as estruturas periódicas de PC em óxido de índio-estanho (ITO) ou p-GaN, incluindo litografia por feixe de elétrons [6,7,8,9], litografia holográfica a laser [10], tecnologia de feixe de íons focado [11 ], litografia de nanoimpressão [12] e revestimento de nanosfera de poliestireno coloidal auto-montado (PS NS) [13, 14]. O método de revestimento PS NS auto-montado tem vantagens como um arranjo de grande área com um fator de preenchimento que muda gradualmente, processo simples, equipamento sofisticado e danos causados por corrosão.

LEDs baseados em nitreto de gálio com comprimentos de onda de ultravioleta a azul / verde têm atraído considerável atenção de pesquisas [15, 16]. LEDs baseados em GaN com alto brilho podem ser usados em aplicações como telas coloridas de grande porte, comunicação óptica de curta distância, semáforos e retroiluminação para telas coloridas de cristal líquido [17,18,19]. O brilho dos LEDs baseados em GaN depende da eficiência quântica externa (EQE), que é o produto da eficiência quântica interna e LEE. Por causa do contraste de índice de refração inerentemente alto entre o espaço livre e o material semicondutor, o ângulo crítico calculado para a luz gerada escapar da camada p-GaN para o ar é de aproximadamente 23 °. O pequeno ângulo crítico indica que poucos fótons podem ser extraídos do dispositivo devido à reflexão interna total (TIR). Assim, o LEE de LEDs baseados em GaN é muito baixo, levando a um baixo EQE para LEDs baseados em GaN. Vários estudos [20,21,22,23] empregaram safira texturizada ou padronizada como um refletor traseiro para aumentar o número de fótons de escape. O LEE para LEDs baseados em GaN com safira texturizada ou padronizada pode ser melhorado pela alta probabilidade de fótons refletidos da safira. No entanto, a natureza mecânica e quimicamente forte da safira torna aspereza e padronização uma tarefa desafiadora. Além disso, atingir as pequenas dimensões de objetos de dispersão por meio da fotolitografia é difícil devido ao curto comprimento de onda dos LEDs à base de nitreto. Estudos [24,25,26] relataram que uma superfície texturizada de GaN pode ser usada para aumentar o ângulo crítico para melhorar o LEE. No entanto, a texturização da superfície dos LEDs baseados em GaN é impedida pelo fino p-GaN e a sensibilidade do p-GaN a danos de plasma e deterioração elétrica. Além da superfície texturizada de GaN, alguns estudos [27, 28] tentaram tornar as paredes laterais da mesa ásperas por meio de corrosão fotoquímica ou criar paredes laterais oblíquas da mesa através de um fotorresiste refluído e ajustar o CF ₄ fluxo durante o ataque a seco para aumentar o LEE. No entanto, a superfície das paredes laterais da mesa rugosa não era uniforme, e o LEE melhorado para as paredes laterais da mesa oblíqua foi restrito dentro da região da parede lateral [29].

Neste estudo, investigamos as condições para arranjo PS NS compacto e periódico em uma superfície ITO usando o método dip-drop com ataque pós-deposição e realizamos análise paramétrica para otimizar o LEE de LEDs InGaN / GaN com o arranjo PS NS periódico. Os parâmetros de deposição do arranjo PS NS compacto são a velocidade de queda e a concentração da suspensão PS NS. Os resultados calculados indicam que o LEE do LED InGaN / GaN está relacionado ao diâmetro e período do PS NSs do PS NS. Os LEDs InGaN / GaN com e sem um array PS NS periódico ideal no ITO são comparados.

Experimental

Método Dip-Drop

O equipamento necessário para obter um array PS NS periódico no LED InGaN / GaN por meio do método dip-drop é muito simples e fácil de preparar. É composto por um recipiente de vidro com um orifício na parte inferior (recipiente principal) e uma válvula de controle de afinação conectada ao orifício, conforme mostrado na Fig. 1 ( a ) Diferentes volumes de água desionizada (DI) e uma suspensão coloidal PS NS (Echo Chemical Co., EUA) foram misturados no recipiente de vidro, e essa mistura foi agitada por vários minutos para obter uma suspensão PS NS com uma concentração específica. Três tipos de suspensão coloidal PS NS, incluindo PS NSs com diâmetros de 100, 200 e 500 nm, foram diluídos para o processo dip-drop. Após agitação, a suspensão PS NS foi adicionada ao recipiente principal. A válvula de controle de ajuste mostrada na Fig. 1 (a) foi usada para modular a velocidade de queda-queda da suspensão PS NS. A Figura 1 (b) mostra o processo de redução esquemática para LEDs InGaN / GaN com uma camada de janela de matriz PS NS compacta. Primeiro, um epi-wafer InGaN / GaN, que foi tratado com plasma de oxigênio para obter uma superfície hidrofílica, foi colocado no fundo do recipiente principal, que continha a suspensão PS NS em uma concentração específica. Em segundo lugar, a suspensão PS NS foi filtrada através da válvula de controle a uma velocidade de queda constante e os PS NSs foram então distribuídos na superfície do epi-wafer InGaN / GaN. Finalmente, a matriz PS NS de automontagem foi formada no epi-wafer InGaN / GaN após uma secagem à temperatura ambiente por aproximadamente 1,5 h. A Figura 1 (c) mostra as curvas de corrente-tensão (I-V) e intensidade-corrente de saída de luz (L-I) dos LEDs InGaN / GaN com diferentes tempos de plasma de oxigênio tratados de 0, 1, 5 e 10 s. Os LEDs InGaN / GaN com um tempo tratado com plasma de oxigênio de 5 s representam uma tensão direta e intensidade de saída de luz semelhantes em uma corrente motriz de 20 mA. Conforme o tempo tratado com plasma de oxigênio aumenta para 10 s, uma alta resistência direta e uma baixa intensidade de saída de luz podem ser observadas na Fig. 1 (c). A resistividade do ITO aumentará devido a um dano por bombardeio de íons fortes sob um alto tempo de tratamento com plasma de oxigênio. Por outro lado, uma superfície hidrofílica não pode ser obtida para o tempo tratado com plasma de oxigênio abaixo de 5 s. Para reduzir a complexidade do processo experimental e obter o arranjo PS NS ideal para os LEDs InGaN / GaN, intensidades ópticas para os LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS com vários diâmetros PS NS e períodos no x e y as direções foram calculadas usando o método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD).

( a ) Equipamento, ( b ) processo do método dip-drop, e ( c ) I-V e L-I dos LEDs InGaN / GaN com diferentes tempos de tratamento com plasma de oxigênio

Fabricação de LEDs azuis InGaN / GaN com um array PS NS periódico em uma camada ITO

Os epi-wafers de LEDs azuis InGaN / GaN foram cultivados em um substrato de safira de face c (0001) usando um sistema de deposição de vapor químico orgânico de metal. A estrutura do dispositivo consiste em uma camada de buffer de GaN crescida a uma temperatura baixa, uma camada de GaN do tipo n altamente dopada com Si, uma região ativa de poços quânticos múltiplos (MQWs) InGaN / GaN e uma camada de GaN do tipo p dopada com Mg. O ITO foi depositado na camada de GaN tipo p como uma camada condutora transparente para espalhar a corrente de injeção. O wafer foi então padronizado usando o processo fotolitográfico padrão para definir mesas quadradas como as regiões emissoras, gravando parcialmente o ITO / p-GaN / InGaN / GaN MQWs / n-GaN exposto. Uma liga de Ti / Pt / Au foi usada como metal de contato ôhmico nas regiões de contato p- e n-GaN, e o wafer foi então ligado em um N ₂ atmosfera durante 5 min a 450 ° C. O tamanho da janela de emissão para os LEDs InGaN / GaN com ITO foi de 300 × 300 μm ² . O wafer acabado foi colocado na suspensão PS NSs para depositar o arranjo PS NS compacto na camada ITO.

Resultados e discussão

A Fig. 2a – i mostra imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) dos PS NSs com diâmetros de 100, 200 e 500 nm, no substrato de vidro revestido com ITO, com velocidades de mergulho-gota médias de 0,05, 0,01 e 0,005 mL / s. As concentrações das suspensões PS NS foram 4,1 × 10 ¹¹ esferas / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 5,1 × 10 ¹⁰ esferas / cm ⁻³ para PS NS de 200 nm e 3,2 × 10 ⁹ esferas / cm ⁻³ para o PS NS de 500 nm. Os PS NSs exibiram uma distribuição amplamente dispersa no substrato de vidro revestido com ITO sob uma alta velocidade média de queda, mas formaram uma matriz compacta conforme a velocidade média de queda diminuía, conforme mostrado na Fig. 2. O arranjo do PS NSs depende da forma da superfície do líquido, que está relacionada à força capilar lateral [30]. A força capilar lateral pode ser classificada como uma força flutuante ou uma força de imersão. A força flutuante é causada pelo peso da partícula e pela força de Arquimedes, enquanto a força de imersão resulta da ação capilar [31]. Durante o processo de mergulho-queda, a força flutuante dominou por causa do efeito da gravidade. A força flutuante pode ser atrativa ou repulsiva entre dois PS NSs, dependendo da forma da superfície entre o ar e a solução aquosa. A alta velocidade média de queda causa uma perturbação dramática na suspensão PS NS perto da válvula de controle de ajuste, e a perturbação resulta em uma superfície convexa entre o ar e a solução aquosa, levando a uma força flutuante repulsiva entre dois PS NSs. Os PS NSs foram separados pela força de flutuação repulsiva durante o processo dip-drop, resultando em um arranjo PS NS desordenado no substrato de vidro revestido com ITO, conforme observado na Fig. 2a, d, g. Quando a velocidade média de queda foi diminuída para 0,01 mL / s, a perturbação perto da válvula de controle de ajuste foi aliviada, como mostrado na Fig. 2b, e, h. Esta perturbação fraca causou uma baixa força de flutuação repulsiva e rendeu um espaço menor entre dois PS NSs do que na velocidade de mergulho-gota de 0,05 mL / s. À medida que a velocidade média de mergulho foi diminuída para 0,005 mL / s, a forma da superfície entre o ar e a solução aquosa tornou-se côncava, gerando uma força flutuante atrativa entre os dois PS NSs durante o processo de mergulho. A força de flutuação atrativa pode resultar em um arranjo PS NS compacto no substrato de vidro revestido com ITO, como mostrado na Fig. 2c, f, i. Além disso, PS NSs com diâmetros de 200 e 500 nm exibiram um arranjo mais compacto no substrato de vidro revestido com ITO em comparação com PS NSs de 100 nm de diâmetro sob uma velocidade de queda de mergulho média semelhante porque uma superfície de forma côncava entre o ar e solução aquosa foi facilmente formada para PS NSs com grandes diâmetros. Quando a velocidade média de queda foi reduzida para <0,005 mL / s, o array PS NS fabricado usando o método de queda se tornou impraticável para LEDs devido ao baixo rendimento. Para encontrar a distribuição da matriz PS NSs compacta em 0,5 × 0,5 mm ² Substrato de vidro revestido com ITO, Fig. 2j-m mostra as imagens SEM de PS NSs de 200 nm de diâmetro sob as velocidades médias de queda de 0,005 mL / s nas regiões superior direita, superior esquerda, inferior direita e inferior esquerdo do substrato de vidro revestido com ITO. Estas imagens representam um arranjo PS NSs compacto e de distribuição uniforme sobre o substrato de vidro revestido com ITO, sugerindo que o LED InGaN / GaN com uma camada de janela de arranjo PS NSs uniforme e compacta pode ser proposto usando o método dip-drop.

Imagens SEM de PS NSs com diâmetro de 100, 200 e 500 nm na velocidade média de mergulho-gota de a , d , g 0,05 mL / s; b , e , h 0,01 mL / s; e c , f , i 0,005 mL / s, e as imagens SEM de PS NSs com 200 nm e velocidades médias de mergulho-gota de 0,005 mL / s nas regiões de j superior direito, k superior esquerdo, l inferior direito e m inferior esquerdo de 0,5 × 0,5 mm ² Substrato de vidro revestido com ITO. As concentrações da suspensão PS NS diluída em água DI foram de 4,1 × 10 ¹¹ esferas / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 5,1 × 10 ¹⁰ esferas / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e 3,2 × 10 ⁹ esferas / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm

A concentração da suspensão PS NS também afeta o arranjo PS NS e o número da camada do arranjo PS NS. As suspensões PS NS com altas concentrações resultam em arranjos PS NS compactos com monocamada ou multicamadas, enquanto as suspensões com baixa concentração podem gerar arranjos PS NS soltos ou compactos com monocamadas. Os arrays PS NS multicamadas têm deficiências, como baixa transmitância, difícil definição para o período PS NS e baixa confiabilidade, tornando-os inadequados para aplicações de LED. A concentração ideal da suspensão PS NS deve ser determinada para obter o array PS NS compacto de monocamada. Neste estudo, a concentração de uma suspensão de PS NS foi definida como a razão entre o número de PS NSs e o volume da suspensão. A Figura 3 mostra as imagens SEM de PS NSs no substrato de vidro revestido com ITO para várias concentrações de suspensão de PS NS:(a) 1,4 × 10 ¹¹ , (b) 2,7 × 10 ¹¹ , (c) 4,1 × 10 ¹¹ , e (d) 5,4 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm; (e) 1,7 × 10 ¹⁰ , (f) 3,4 × 10 ¹⁰ , (g) 5,1 × 10 ¹⁰ , e (h) 6,8 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm; e (i) 1,1 × 10 ⁹ , (j) 2,1 × 10 ⁹ , (k) 3,2 × 10 ⁹ , e (l) 4,3 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm com uma velocidade média de queda de 0,005 mL / s. Quando a concentração da suspensão PS NS era <4,1 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, <5.1 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e <3,2 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm, algumas áreas do substrato de vidro revestido com ITO estavam livres de PS NSs, como mostrado na Fig. 3a, b, e, f, i, j. Quando a concentração foi aumentada para 4,1 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 5,1 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e 3,2 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm, um arranjo PS NS compacto de monocamadas cobriu o substrato de vidro revestido com ITO, como mostrado na Fig. 3c, g, k. As inserções da Fig. 3c, g, k mostram as imagens de SEM de seção transversal de PS NSs no substrato de vidro revestido com ITO sob as concentrações de suspensão de PS NS de 4,1 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 5,1 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e 3,2 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm. Uma monocamada PS NS compacta pode ser formada no substrato de vidro revestido com ITO sob concentrações acima de suspensões PS NS e velocidade de mergulho-gota. Os PS NSs na suspensão de PS NS de alta concentração eram mais densos do que aqueles na suspensão de PS NS de baixa concentração. Durante o processo de imersão, a força de flutuação atrativa formou um arranjo PS NS compacto de monocamadas e um arranjo PS NS disperso no substrato de vidro revestido com ITO sob as suspensões PS NS de alta e baixa concentração, respectivamente, devido a PS NSs insuficientes estavam disponíveis para cobrir o substrato de vidro revestido com ITO sob a suspensão de PS NS de baixa concentração. Quando a concentração da suspensão PS NS foi aumentada para 5,4 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 6,8 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e 4,3 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm, o substrato de vidro revestido com ITO foi coberto por um arranjo PS NS compacto de multicamadas porque, excessivamente, muitos PS NSs participaram da deposição. O excesso de PS NSs atingiu a superfície da matriz PS NS compacta da monocamada e, em seguida, aderiu a ela para formar a matriz PS NS compacta de multicamadas.

Imagens SEM de PS NSs com concentrações de suspensão de PS NS de a 1,4 × 10 ¹¹ , b 2,7 × 10 ¹¹ , c 4,1 × 10 ¹¹ , e d 5,4 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm; e 1,7 × 10 ¹⁰ , f 3,4 × 10 ¹⁰ , g 5,1 × 10 ¹⁰ , e h 6,8 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm; e eu 1,1 × 10 ⁹ , j 2,1 × 10 ⁹ , k 3,2 × 10 ⁹ e l 4,3 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm a uma velocidade média de gota-gota de 0,005 mL / s. As inserções de c , g, e k representam as imagens SEM de seção transversal de PS NSs com concentrações de suspensão de PS NS de 4,1 × 10 ¹¹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 100 nm, 5,1 × 10 ¹⁰ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 200 nm e 3,2 × 10 ⁹ esfera / cm ⁻³ para PS NSs de 500 nm

O cone de escape de luz de um LED InGaN / GaN é limitado por causa do contraste de alto índice de refração entre GaN e o ar, resultando em um LEE baixo. Vamos k ser o vetor de onda do cone de escape; então,
$$ \ mathbf {k} ={\ mathbf {k}} _ {\ mathbf {N}} + {\ mathbf {k}} _ {\ mathbf {L}} $$ (1)
onde k _N e k _L são os vetores de onda normais ao dispositivo e no plano, respectivamente. Com a camada de janela de matriz periódica PS NS no LED InGaN / GaN, se a periodicidade do índice de refração de uma matriz PS NS periódica difrata os modos guiados por onda acima de uma certa frequência de corte em modos de propagação externa, o vetor de onda no plano muda para k _WG + N k _PS , onde k _WG é o vetor de onda da luz guiada por onda paralela ao dispositivo, e k _PS é o vetor de onda recíproco do array PS NS periódico, dado por
$$ {\ mathbf {k}} _ {\ mathbf {PS}} =\ left (2 \ pi / {x} _ {\ lambda} \ right) {\ widehat {\ mathbf {a}}} _ {\ mathbf {x}} + \ left (2 \ pi / {y} _ {\ lambda} \ right) {\ widehat {\ mathbf {a}}} _ {\ mathbf {y}} $$ (2)
onde x _λ e y _λ são períodos no x e y direções da matriz PS NS. Para uma matriz PS NS periódica, o vetor de onda original no plano, k _L , muda para k ^` _L e k ^` e pode ser expresso como
$$ {{\ mathbf {k}} ^ {\ hbox {'}}} _ {\ mathbf {L}} ={\ mathbf {k}} _ {\ mathbf {L}} + {\ mathbf {nk} } _ {\ mathbf {PS}} $$ (3)
onde n é um número inteiro. O cone de escape de luz pode ser melhorado alterando os períodos no x e y instruções para modular k _PS; assim, o LEE de InGaN / GaN LED pode ser aprimorado reduzindo k ^´ _L . No entanto, os períodos ideais no x e y direções relativas à frequência de corte para satisfazer o comprimento de onda de emissão do LED azul InGaN / GaN são difíceis de obter através de processos experimentais. Para simplificar a investigação, o software Rsoft (Cybernet Ltd.), Fullwave Sim Add-on Module com método FDTD tridimensional e Rsoft LED Utility foram usados para calcular a intensidade de luz extraída de p-GaN para espaço livre para azul InGaN / GaN LEDs sem e com as camadas da janela da matriz PS NS com vários períodos no x e y instruções. A Figura 4a apresenta a intensidade de luz calculada como uma função do período para LEDs com camadas de janela do array PS NS com PS NSs de 100, 200 e 500 nm de diâmetro e LEDs InGaN / GaN convencionais. As intensidades de luz calculadas para os LEDs com as camadas da janela PS NS (curvas de azul, amarelo e vermelho) foram maiores do que para os LEDs convencionais, conforme mostrado na Fig. 4a. Além disso, o LED com matrizes periódicas PS NS do diâmetro e os períodos em x e y direções de 100, 100 e 100 nm tem a maior intensidade de luz calculada e mostra um fator aprimorado de 1,4 em comparação com o LED sem matriz PS NS. Isso ocorreu porque o cone de escape de luz para LEDs InGaN / GaN com matrizes PS NS periódicas de monocamada pode ser melhorado ajustando k _PS , aumentando assim o LEE de LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS periódicas. Para obter a intensidade máxima de luz para LEDs InGaN / GaN, o diâmetro ideal e os períodos em x e y as direções para a matriz PS NS foram calculadas como 100, 100 e 100 nm. Além disso, para compreender o LEE aprimorado de LEDs InGaN / GaN com matriz PS NS periódica ideal relacionada ao modo de difração, a intensidade da luz extraída de p-GaN para espaço livre para LED azul InGaN / GaN sem e com a janela de matriz PS NS ideal camadas sob diferentes comprimentos de onda e ângulos de emissão foram calculados. A Figura 4b mostra a intensidade de luz calculada como uma função do ângulo variado sob o comprimento de onda de emissão diferente, e a inserção da Fig. 4b exibe os espectros angulares do LED azul InGaN / GaN com a camada de janela de matriz PS NS periódica ideal e sem matriz PS NS camada de janela sob comprimento de onda de emissão de 460 nm. O LED InGaN / GaN com matriz PS NS periódica ideal emitida no comprimento de onda de 460 nm executa o espectro mais alto e mais amplo em comparação com aqueles com matriz PS NS periódica ideal emitida a 450, 470, 480 e 490 nm e LED InGaN / GaN sem Matriz PS NS porque satisfaz o modo de guia difratado no ar pela matriz PS NS periódica ideal.

Intensidade calculada de a LEDs convencionais e LEDs com diferentes períodos para PS NSs com diâmetros de 100 e 200 nm e ( b ) ângulo variado sob os diferentes comprimentos de onda de emissão. A inserção de b exibir os espectros angulares do LED azul InGaN / GaN com a camada de janela de matriz PS NS periódica ideal e sem camada de janela de matriz PS NS sob comprimento de onda de emissão de 460 nm

A Figura 5a mostra as curvas I-V e L-I dos LEDs InGaN / GaN sem e com a camada de janela formada por uma matriz PS NS de monocamada compacta de PS NSs de 100, 200 e 500 nm de diâmetro. Sob a corrente de injeção de 20 mA, as tensões diretas para LEDs InGaN / GaN sem e com a matriz PS NS compacta foram 3,54, 3,55, 3,55 e 3,55 V. As tensões diretas semelhantes para LEDs InGaN / GaN com e sem matriz PS NS as camadas da janela foram atribuídas a eles tendo a mesma estrutura epitaxial. Além disso, a resistência direta para LEDs InGaN / GaN sem camadas de janela de matriz PS NS foi ligeiramente menor do que aquelas com camadas de janela de matriz PS NS, porque a camada de condução transparente de ITO foi degradada pelo plasma de oxigênio durante o processo hidrofílico. As intensidades de saída de luz para LEDs InGaN / GaN sem e com as camadas da janela da matriz PS NS de 100, 200 e 500 nm foram 112,9, 146,8, 148,0 e 131,1 mcd, respectivamente, como mostrado na Fig. 5a. As intensidades de saída de luz dos LEDs InGaN / GaN sem e com a camada de janela da matriz PS NS mostraram tendências semelhantes aos resultados calculados na Fig. 4. Os fótons emitidos da região ativa InGaN / GaN foram submetidos a TIR na interface ITO / ar porque eles estavam fora do cone de escape de luz. No entanto, os LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS mudaram o vetor no plano ( k _L ^` ), resultando em um LEE aprimorado; portanto, a intensidade de saída de luz de LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS pode ser aumentada. Além disso, o ângulo de incidência da luz de emissão na interface entre o arranjo PS NS e o ar foi afetado pelos PS NSs por causa da interface não planar, bem como da estrutura textural. Consequentemente, a camada periódica da janela do array PS NS aumentou o LEE dos LEDs InGaN / GaN. A Figura 5b mostra as curvas L-I do LED InGaN / GaN convencional e os LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS compactas, desordenadas e multicamadas. A intensidade de saída de luz do LED InGaN / GaN com camada PS de desordem mostra um LED InGaN / GaN ligeiramente mais alto do que o LED convencional porque os fótons podem ser parcialmente acoplados na interface de ar / ITO pela camada de janela PS de desordem. Além disso, a intensidade de saída de luz do LED InGaN / GaN com a camada da janela do array PS multicamadas é menor do que o LED InGaN / GaN convencional por causa da baixa transmitância (<80%) para o array PS multicamadas. A Figura 5c apresenta as curvas L-I dos LEDs InGaN / GaN convencionais e aqueles com camadas de janela de array PS NS compactas e periódicas. O diâmetro e os períodos em x e y as instruções para matrizes PS NS periódicas foram 100, 100 e 100 nm, respectivamente, satisfazendo a condição de otimalidade calculada a partir da Fig. 4. A matriz PS NS periódica pode ser obtida gravando a matriz PS NS compacta de PS NSs de 200 nm, e a inserção da Fig. 5c mostra as estruturas esquemáticas dos LEDs InGaN / GaN com matriz PS compacta e periódica e imagem SEM da matriz PS NS de 100 nm gravada com períodos de 100 e 100 nm no x e y instruções. O LED InGaN / GaN com a camada de janela de matriz PS NS periódica de 100 nm com pontos x e y direções de 100 e 100 nm exibiram a maior intensidade de saída de luz, como mostrado na Fig. 5c, que estava de acordo com os resultados calculados na Fig. 4. Os LEDs InGaN / GaN com as camadas de janela de matriz PS NS periódicas ideais produziram um 38 % de aumento na intensidade de saída de luz em comparação com aqueles sem matrizes PS NS devido ao LEE melhorado. Além disso, as inserções da Fig. 5c e da Fig. 2f indicam que os PS NSs mostram uma boa aderência em ITO e menos danos de corrosão durante o processo de corrosão pós-deposição.

a Curvas I-V e L-I para o LED InGaN / GaN convencional e o LED InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS compactas de PS NSs de 100, 200 e 500 nm de diâmetro. b Curvas L-I para os LEDs InGaN / GaN convencionais e LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de array PS periódicas, desordenadas e multicamadas. c Curvas L-I para os LEDs InGaN / GaN convencionais e LEDs InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS periódicas compactas e ideais. A inserção de ( c ) mostra as estruturas esquemáticas de LEDs InGaN / GaN com matriz PS compacta e periódica. A imagem SEM da matriz periódica de PS também representa na inserção da Fig. 5

A Tabela 1 lista as tensões diretas médias e intensidades de saída de luz na corrente de injeção de 20 mA para os chips selecionados de diferentes posições de bolachas InGaN / GaN com camadas de janela de matriz PS NS ideais feitas de três execuções diferentes sob a mesma condição. Um arranjo uniforme e confiável de PS NSs nos wafers InGaN / GaN foi extremamente notável porque este é o principal fator que afeta o desempenho dos LEDs InGaN / GaN. O período e o tamanho dos PS NSs nas bolachas InGaN / GaN foram relativamente semelhantes; o desvio padrão dispositivo a dispositivo do aumento medido da intensidade de emissão foi de cerca de 1,4%, e as variações foram de aproximadamente 1,9% para a tensão direta e 2,9% para a intensidade de saída de luz sob a mesma corrente motriz.

A Figura 6 mostra os espectros de eletroluminescência como uma função do comprimento de onda para os LEDs InGaN / GaN convencionais e os LEDs InGaN / GaN com as camadas de janela de matriz PS NS periódicas ótimas sob a corrente motriz de 20 mA. A intensidade de saída de luz em 465,5 nm e largura total na metade do espectro de emissão para os LEDs InGaN / GaN com as camadas de janela de matriz PS NS periódicas ideais eram mais fortes e estreitas do que os LEDs InGaN / GaN convencionais. The guided light that is emitted from the InGaN/GaN active region underwent TIR and could not phase match to the radiation modes when the amplitude of the in-plane wave vector in the semiconductor was higher than that in the air [9, 32]. The periodic PS NS array window layers could modulate the amplitude of the in-plane wave vector in the semiconductor to less than that in air, and therefore, the light was emitted from the semiconductor with the periodic PS NS array because the phase of the guided modes matched the radiation modes, resulting in a high light output intensity and a narrow emission spectrum. The insets of Fig. 6 show the micrographs of light emission for the conventional InGaN/GaN LEDs and the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers. The light output intensity for the InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layers was higher than that of the conventional InGaN/GaN LEDs because of the improved LEE.

Electroluminescence spectra as functions of wavelength for the conventional InGaN/GaN LEDs and InGaN/GaN LEDs with optimal periodic PS NS array window layers

Conclusion

PS NS array window layers can improve the LEE of InGaN/GaN LEDs. A compact monolayer PS NS array was obtained by adjusting the average dip-drop speed and PS suspension concentration. The optimal average dip-drop speed and PS NS suspension concentration to obtain a compact monolayer PS NS array were 0.005 mL/s and 4.1 × 10¹¹ sphere/cm⁻³ , respectively, for 100-nm PS NSs; 0.005 mL/s and 5.1 × 10¹⁰ sphere/cm⁻³ , respectively, for 200-nm PS NSs; and 0.005 mL/s and 3.2 × 10⁹ sphere/cm⁻³ , respectively, for 500-nm PS NSs. The calculated and experimental results indicated that the periodic PS NS array window layer with PS NS diameter of 100 nm and periods of 100 nm in the x e y directions effectively enhanced the LEE of the InGaN/GaN LEDs. The InGaN/GaN LEDs with the optimal periodic PS NS array window layer yielded a 38% increase in light output intensity compared with that of the conventional InGaN/GaN LED under a 20-mA driving current because of the high LEE.

Abreviações

EQE:: Eficiência quântica externa
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
ITO:: Indium-tin-oxide
I-V:: current-voltage
LED:: Diodo emissor de luz
LEE:: Light extraction efficiency
L-I:: Light output intensity-current
PCs:: Photonic crystals
PS NS:: Polystyrene nanosphere
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
TIR:: Total internal reflection

Compostos de nanotubos de óxido de grafeno / carbono reduzidos como aplicações de eletrodos de armazenamento de energia eletroquímica Nanotubos de titânia preparados por anodização de decomposição rápida para descoloração fotocatalítica de corantes orgânicos sob UV e luz solar natural

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias