Crescimento Direto de LEDs de Nanofios III-Nitreto em Quartzo Amorfo Usando Intercamada TiN/Ti

Resumo

Eletrônicos de consumo dependem cada vez mais de telas de vidro ultrafinas por sua transparência, escalabilidade e custo-efetividade. Em particular, iluminação de fundo de displays agora frequentemente incorpora diodos emissores de luz (LEDs) diretamente integrados com o painel. Neste trabalho, demonstramos o crescimento direto e fabricação de um LED de nanofio III-nitreto em quartzo amorfo. O protótipo exibe baixa tensão de ligação de 2,6 V e emite luz amarela centrada em ~590 nm, preenchendo a notória lacuna verde dos LEDs de nitreto. Empregando uma intercamada TiN/Ti, alcançamos ~40% de transparência na banda visível enquanto mantemos condutividade elétrica. A arquitetura de nanofio minimiza tensão e discordâncias de rosca relativas a dispositivos convencionais de poço quântico plano. Finalmente, mostramos que a emissão ampla e sintonizável dos nanofios pode ser combinada com diodos a laser para gerar luz branca de temperatura de cor correlacionada com alto IRC.

Introdução

Diodos emissores de luz tornaram-se a força de trabalho da tecnologia de display, superando lâmpadas fluorescentes de cátodo frio em eficiência energética e portabilidade. LEDs azuis baseados em GaN convencionais são tipicamente crescidos em safira, e a busca por lingotes de safira de maior diâmetro introduziu desafios de fabricação como manutenção de orientação precisa do plano c e planicidade de superfície. Além disso, LEDs planos de GaN sofrem da lacuna verde, um declínio na eficiência quântica para comprimentos de onda além de 520 nm.

Tentativas de crescer materiais III-nitreto diretamente em vidro incluíram epitaxia de feixe molecular de fonte gasosa (MBE) e sputtering, rendendo filmes policristalinos que degradam desempenho do dispositivo. O crescimento seletivo MOCVD com micromáscara da Samsung produziu pirâmides de GaN quase monocristalinas em vidro, ainda a incorporação de índio permaneceu limitada devido à evaporação durante MOCVD. Camadas de buffer de grafeno pré-depositadas melhoraram a qualidade de InGaN sputtered em vidro amorfo mas adicionaram complexidade de processo. Estas abordagens destacam a necessidade de um método mais simples e escalável para integrar LEDs de nitreto com substratos transparentes.

Nanofios III-nitreto, crescidos sem catalisador sob condições ricas em nitrogênio, podem nuclear espontaneamente sem relação epitaxial global, permitindo crescimento em substratos diversos como silício, metal e sílica. Sua alta razão superfície-volume suprime discordâncias de rosca e reduz tensão na região ativa, tornando-os adequados para emissão dentro da lacuna verde. A natureza isolante do vidro, no entanto, complica a criação de um dispositivo injetado eletricamente que permaneça transparente e condutivo.

Aqui apresentamos o primeiro crescimento direto de nanofios InGaN/GaN em quartzo amorfo usando intercamada TiN/Ti que fornece tanto transparência quanto condutividade. O LED de nanofio resultante emite luz amarela (~590 nm) e demonstra a viabilidade de integrar optoeletrônica de nitreto com substratos de vidro escaláveis.

Métodos

Crescimento de Material

Amostras foram crescidas em sistema PA-MBE Veeco GEN 930 sob condições ricas em nitrogênio. Quartzo duplamente polido comercial (≈ 500 µm espesso) foi limpo com acetona e isopropanol, então seco com nitrogênio. Camada de 20 nm Ti foi evaporada por feixe de elétrons para servir como intercamada condutiva translúcida. Após outra limpeza com solvente e duas etapas de desgasificação, o substrato entrou na câmara de crescimento onde plasma de nitrogênio (1 sccm, 350 W RF) parcialmente nitretou o Ti em TiN antes de abrir o obturador de Ga. Bases de nanofio n-GaN:Si foram crescidas com BEP de Ga de 6,5 × 10⁻⁸ Torr e temperatura de célula de Si de 1165 °C. Abordagem de duas etapas — nucleação a 620 °C por 10 min seguida de crescimento a 770 °C — controlou densidade de nanofio. Cinco discos quânticos InGaN (5 × 10⁻⁸ Torr BEP Ga, 5 × 10⁻⁸ Torr BEP In) e barreiras de GaN foram depositados, e uma camada p-GaN:Mg seguiu a 310 °C temperatura de célula de Mg.

Caracterização Óptica e Estrutural

Fotoluminescência (PL) foi medida com laser HeCd de 325 nm (3,74 mW) e objetivo UV ×15, alcançando densidade de excitação de ≈ 310 kW cm⁻². Amostras foram resfriadas de 77 K a 300 K em criostato Linkam THMS 6000. Espectros de transmitância foram registrados com espectrofotômetro Shimadzu UV-3600 usando ar como referência. Imagens de MEV foram obtidas em FEI Quanta 600, enquanto METAR e HAADF-METV usaram Titan 80-300 a 300 kV. Mapas elementares foram obtidos via EDS (EDAX) e EELS.

Fabricação e Caracterização de Dispositivo

Após limpeza, camada de 2 µm de parileno C foi depositada por evaporação térmica. RIE de plasma de oxigênio atacou o parileno para expor pontas p-tipo. Ni (5 nm) e ITO (230 nm) foram depositados por evaporação de feixe de elétrons e sputtering RF, respectivamente, formando camada transparente de espalhamento de corrente; recozimento a 500 °C em Ar melhorou condutividade. Cl/Ar ICP-RIE definiu mesas, e contatos Ni/Au foram adicionados via evaporação de feixe de elétrons e lift-off. Medidas L-I-V usaram Keithley 2400. Termografia infravermelha com OptoTherm empregou mapa de emissividade personalizado gerado aquecendo o dispositivo a 60 °C; subsequente imagem dependente de corrente mediu elevação local de temperatura.

Resultados e Discussão

Caracterização Estrutural e Óptica de Nanofios Crescidos em Quartzo

Os nanofios compreendem ≈ 90 nm n-GaN, cinco discos InGaN de 7 nm, barreiras de 14 nm e ≈ 60 nm p-GaN. MEV de vista plana (Fig. 1a) mostra nanofios de alta densidade, ≈ 100 nm de largura, ≈ 250 nm de comprimento com densidade de 9 × 10⁹ cm⁻² e fator de preenchimento de 78%. Abordagem de crescimento de duas etapas otimizou nucleação enquanto minimizou coalescência que introduziria centros não-radiativos.

a MEV de vista plana de nanofios InGaN/GaN como-crescidos em quartzo. b MET de campo claro da região p-GaN, com padrão de difração no inseto. c Imagem HAADF de um nanofio único. d-f Mapas elementares para Ga, Ti e composto. g-h Mapeamento de interface e EDX/EELS através de Ti/TiN e quartzo. Barra de escala = 25 nm.

MET de campo claro (Fig. 1b) confirma crescimento cristalino de GaN em substrato com descompasso de rede, enquanto imagem HAADF (Fig. 1c) revela os cinco discos InGaN como pontos brilhantes. Mapeamento elementar mostra que os nanofios nucleiam na camada TiN em vez de diretamente no quartzo. TiN, formado durante nitretação, é ≈ 10 nm espesso e preserva tanto transparência quanto condutividade, também atuando como refletor para comprimentos de onda maiores.

Espectros µ-PL (Fig. 2a) exibem pico amplo que deslocamento para vermelho e alarga de 77 K a 300 K, consistente com encolhimento de banda de Varshni e acoplamento éxciton-fônon. µ-PL dependente de potência (Fig. 2c) mostra deslocamento azul negligenciável, indicando campos piezoelétricos reduzidos e efeito Stark confinado quântico devido ao alívio de tensão radial na geometria de nanofio.

a PL dependente de temperatura. b Comprimento de onda de pico e LLM versus temperatura. c PL dependente de potência a 77 K.

Medidas de transmitância (Fig. 3) comparam quartzo nu (≈ 93% visível), quartzo com 20 nm Ti (≈ 22%), intercamada TiN/Ti (≈ 43%), e nanofios como-crescidos (≈ 40%). A camada TiN restaura transparência, enquanto a região ativa modestamente reduz transmissão devido à absorção por discos InGaN. Fotografias ópticas (Fig. 3b-e) ilustram o impacto visual de cada camada.

a Curvas de transmitância. b-e Imagens ópticas de cada amostra.

Caracterização do Dispositivo

O fluxo de fabricação do LED é resumido na Fig. 4. A pilha final do dispositivo (Fig. 5a) consiste em contatos Ni/Au, espalhadores de corrente Ni/ITO, ensemble de nanofio com discos quânticos embutidos, e contato traseiro TiN/Ti.

Etapas de fabricação para LED de nanofio-em-quartzo.

a Esquema do dispositivo. b Micrografia óptica sob polarização direta. c Curva L-I-V. d Espectros EL versus corrente. e LLM e deslocamento de pico com polarização. f EQE relativa mostrando queda acima de 20 mA.

O dispositivo de 500 µm × 500 µm liga a ≈ 2,6 V (extrapolação linear da curva V-I) com resistência de ≈ 300 Ω, maior que LEDs de nanofio baseados em silício devido à condutividade limitada da fina camada TiN/Ti e formação inadvertida de TiO₂. Extração de luz é modesta porque emissão acopla no quartzo e é parcialmente retroespalhada. Medidas EL revelam linha ampla de 120 nm; pico deslocamento de 650 nm na ligação para 590 nm em corrente maior, deslocamento azul causado por enchimento de banda enquanto efeitos térmicos contrabalanceiam em alta injeção. EQE pico perto de 20 mA e então declina, atribuído a concentração de corrente e má dissipação de calor no quartzo.

Termografia infravermelha (Fig. 6) mostra temperatura do dispositivo excedendo 60 °C a 35 mA, com calor concentrado ao redor da região ativa. Camadas de transporte de fônon eficientes são necessárias para mitigar roll-over térmico em designs futuros.

a Temperatura do dispositivo versus corrente. b-e Imagens infravermelhas a 5, 10, 20 e 30 mA.

Experimento de Mistura de Cores

Luz branca de alta qualidade é crítica para displays e iluminação. Combinando o LED de nanofio amarelo sintonizável com diodos a laser RGB em configuração de transmissão, produzimos luz branca com CTC variando de 2800 K a >7000 K mantendo IRC acima de 55. O espectro amplo do LED amarelo aprimora IRC; com apenas LDs RGB, IRC atingiu 55,4, mas adicionando o componente amarelo elevou para 85,1 a 7300 K (Fig. 7e). O setup (Fig. 7a) usa combinador de três canais Thorlabs, espelho a 45° e espectrômetro GL Spectis 5.0 para extrair coordenadas CIE 1931.

a Setup de mistura de cores. b CTC e IRC versus polarização do LED. c CTC e IRC versus polarização do LD. d Espectro com LD azul + LED amarelo. e Espectro com LDs RGB + LED amarelo.

Conclusões

Demonstramos o crescimento de nanofios InGaN/GaN diretamente em quartzo amorfo via intercamada TiN/Ti e fabricamos LEDs baseados nesta plataforma. A arquitetura de nanofio rende material de nitreto altamente cristalino em substrato de vidro, permitindo emissão amarelo-âmbar-vermelho (590-650 nm) com LLM de 120 nm. Aproveitando o espectro amplo e sintonizável, alcançamos fonte de luz branca de ampla faixa (3000->7000 K) em configuração de transmissão, destacando o potencial de LEDs de nanofio-em-quartzo para aplicações optoeletrônicas transparentes e escaláveis.