Geração de Luz Multicolor em Nanopirâmides de Cristal Fotônico Quasicristalino UV-GaN com Poços Quânticos InGaN/GaN Semipolares

Resumo

Relatamos emissão multicolor de grande área e alta qualidade a partir de arranjo de nanobastões de cristal fotônico quasicristalino (CPQC) de GaN com simetria 12-vezes fabricado via nanoimpressão litográfica (NIL) e processo de recrescimento. Bombeamento óptico de poços quânticos múltiplos (MQWs) In_xGa_1-xN/GaN produz luz azul (460 nm) e verde (520 nm) eficiente. Simulações por elementos finitos confirmam forte acoplamento entre emissão dos MQWs e ressonâncias de borda de banda do cristal fotônico.

Contexto

Materiais de GaN de larga banda proibida sustentam amplo espectro de dispositivos optoeletrônicos — de LEDs e diodos laser a biosensores e ferramentas optogenéticas. Um desafio chave permanece a realização de LEDs brancos livres de fósforo, alcançáveis através de arquiteturas multichip, monolíticas ou de conversão de cor. LEDs de nanobastões de GaN, devido à sua baixa densidade de defeitos, campos elétricos internos reduzidos e eficiências superiores de extração de luz, apresentam caminho atraente para este objetivo.

Numerosas estratégias foram exploradas para aumentar eficiência de extração em LEDs de nitretos III, incluindo texturização de superfície, microlentes de safira, designs de mesa oblíquos, nanopirâmides, camadas de índice graduado, litografia auto-montada, arrays de microlentes coloidais e cristais fotônicos. Cristais fotônicos, especialmente configurações quasicristalinas ou defeituosas bidimensionais, demonstraram melhorias notáveis na extração de luz ao abrir lacunas de banda fotônica que redirecionam modos guiados para radiativos. Estudos recentes também aproveitaram efeitos de borda de banda em lasers de cristal fotônico para alcançar emissão coerente, monomodo e alta potência.

Embora litografia por feixe de elétrons e interferência laser possam produzir padrões complexos de cristal fotônico, nanoimpressão litográfica (NIL) oferece resolução comparável com menor custo e maior produtividade, tornando-a atraente para fabricação de grande área. Neste trabalho, demonstramos emissão multicolor a partir de estrutura de cristal fotônico quasicristalino (CPQC) bidimensional baseada em GaN fabricada por NIL. O padrão CPQC de 4 cm × 4 cm, com simetria 12-vezes, tem constante de rede ~750 nm, diâmetro de pilar 300 nm e profundidade ~1 µm. Recrescimento de pirâmides de GaN de 430 nm de altura e MQWs semipolares {10-11} In_xGa_1-xN/GaN de dez pares (3 nm/12 nm) nestes pilares completa a arquitetura do dispositivo.

Sob bombeamento óptico a temperatura ambiente, o dispositivo exibe ação laser com limiar baixo enquanto emite múltiplas cores simultaneamente. Trabalho prévio de nosso grupo relatou lasing de cor única em estruturas CPQC de GaN; aqui estendemos essa plataforma para operação multicolor, destacando a relação custo-efetividade e integrabilidade da abordagem de fabricação baseada em NIL.

Métodos

Design e Fabricação da Amostra

Figura 2 descreve o fluxo de fabricação: (1) crescimento epitaxial de wafer GaN em substrato safira plano C usando deposição química de vapor orgânico-metálico de baixa pressão; (2) NIL do padrão CPQC em máscara bicamada SiO₂/PMMA; (3) transferência do padrão para camada SiO₂ por reativo-íon etching (CHF₃/O₂); e (4) etching de plasma acoplado indutivamente (Cl₂/Ar) do GaN para formar arranjo de nanobastões. Após transferência do padrão, paredes laterais dos nanopilares são passivadas com SiO₂ poroso. Recrescimento subsequente a 730 °C cria pirâmides de GaN de 430 nm de altura topped com MQWs In_xGa_1-xN/GaN de dez pares (3 nm/12 nm). Duas composições são empregadas: In_0.1Ga_0.9N/GaN para azul (460 nm) e In_0.3Ga_0.7N/GaN para verde (520 nm). Profundidade de etching dos nanobastões é ~1 µm.

Imagem MEV confirma geometria CPQC e facetas MQW semipolares, como mostrado nas Figuras 3a-3d. Planos semipolares {10-11} mitigam efeito Stark confinado quântico, aumentando eficiência radiativa.

Resultados e Discussão

Amostras A (In_0.1Ga_0.9N) e B (In_0.3Ga_0.7N) foram bombeadas opticamente com laser He-Cd CW 325 nm (~50 mW). Espectros de fotoluminescência (PL) (Figura 4a) mostram picos distintos a 460 nm e 520 nm, com larguras de linha de 40 nm e 60 nm, respectivamente. Coordenadas CIE (0,19, 0,38) para amostra azul e (0,15, 0,07) para amostra verde confirmam emissão de alta pureza de cor. O espectro verde mais amplo surge de defeitos introduzidos em maior teor de índio.

Simulações por elementos finitos (Figura 5b) revelam espectros de transmissão para ângulos de incidência 0-25°, repetindo a cada 30° devido à simetria 12-vezes. Regiões de alta transmissão correspondem a ressonâncias de borda de banda (M₁, M₂, M₃) que se alinham com comprimentos de onda de emissão dos MQWs (a/λ ≈ 0,88, 1,0, 1,25). Acoplamento entre estas ressonâncias e emissão dos MQWs aumenta eficiência de extração e reduz limiares de lasing. Comprimento dos nanobastões (~1 µm) excede quatro vezes o comprimento de onda efetivo, garantindo forte confinamento de modo.

Estes achados demonstram que um único dispositivo CPQC pode simultaneamente suportar lasing azul e verde, pavimentando caminho para fontes de luz multicolor integradas.

Conclusões

Fabricamos arranjo de nanobastões CPQC de GaN com simetria 12-vezes por NIL e alcançamos emissão azul (460 nm) e verde (520 nm) eficiente de MQWs In_xGa_1-xN/GaN semipolares crescidos em pirâmides de GaN de 430 nm. Os picos de emissão coincidem com ressonâncias de borda de banda do CPQC previstas por FEM, confirmando forte acoplamento luz-matéria. O processo NIL de baixo custo e escalável e as vantagens inerentes dos MQWs semipolares tornam esta plataforma promissora para LEDs e diodos laser multicolor livres de fósforo.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no manuscrito.