堆積後エッチングを用いたディップドロップ法を使用した周期的ポリスチレンナノスフェアアレイの調製とInGaN / GaNLEDの光抽出効率を改善するその応用

背景

最近、発光ダイオード（LED）[1]、太陽電池[2]、光検出器[3]などのオプトエレクトロニクスデバイスの効率を改善するために、フォトニック結晶（PC）が広く研究されています。 PCは、屈折率の周期的な変化が1つまたは複数の方向の光の波長のスケールで発生する構造です[4、5]。屈折率のコントラストが十分に大きいPCの構造は、伝搬する光の周波数範囲が禁止されているフォトニックバンドギャップを生成する可能性があります。 PCを2つの方法で使用することにより、LEDの光抽出効率（LEE）を向上させることができます。 1つのアプローチは、LED内のトラップされた導波モードに一致するバンドギャップを備えたPC構造を設計することです。 PCのバンドギャップ内の導波路光は、構造内で横方向に遮断され、光がデバイスを出るための唯一の外部発光チャネルに導かれます。しかしながら、このアプローチは、完全な光学バンドギャップを開くのに十分に大きな屈折率コントラストを備えた平面構造を作成するという重大な材料処理の問題のために実現するのが難しい。別のアプローチは、PCの周期的屈折率を利用して、特定のカットオフ周波数を超える導波路モードを外部伝搬モードに回折することです。 k _‖m = k _‖ + n k _pc 、ここで k _‖m および k _‖ それぞれ、修正された元の面内波数ベクトルです。 nは整数です。および k _pc はPCの格子定数に依存する波数ベクトルです。周期性が正しく選択されると、修正された面内波ベクトルはエスケープコーン内に収まり、この範囲内の特定の格子定数に依存する角度で空気に抽出されます。電子ビームリソグラフィー[6,7,8,9]、レーザーホログラフィックリソグラフィー[10]、集束イオンビーム技術[11]など、インジウムスズ酸化物（ITO）またはp-GaN上の周期的PC構造を定義するためのいくつかの方法が存在します。 ]、ナノインプリントリソグラフィー[12]、および自己組織化コロイド状ポリスチレンナノスフェア（PS NS）コーティング[13、14]。自己組織化PSNSコーティング法には、曲線因子が徐々に変化する大面積配置、単純なプロセス、高度な装置、エッチングによる損傷などの利点があります。

紫外線から青/緑までの波長を持つ窒化ガリウムベースのLEDは、かなりの研究の注目を集めています[15、16]。高輝度のGaNベースのLEDは、大型フルカラーディスプレイ、短距離光通信、信号機、カラー液晶ディスプレイのバックライトなどのアプリケーションで使用できます[17、18、19]。 GaNベースのLEDの輝度は、内部量子効率とLEEの積である外部量子効率（EQE）に依存します。自由空間と半導体材料の間の本質的に高い屈折率のコントラストのために、生成された光がp-GaN層から空気中に逃げるための計算された臨界角は約23°です。臨界角が小さいことは、全反射（TIR）により、デバイスから抽出できる光子が少ないことを示しています。したがって、GaNベースのLEDのLEEは非常に低く、GaNベースのLEDのEQEは低くなります。いくつかの研究[20,21,22,23]は、エスケープフォトンの数を増やすために、バックリフレクターとしてテクスチャード加工またはパターン化されたサファイアを採用しています。テクスチャード加工またはパターン化されたサファイアを使用したGaNベースのLEDのLEEは、サファイアから反射される光子の可能性が高いため、改善できます。ただし、サファイアの機械的および化学的に強い性質により、粗面化とパターン化は困難な作業になります。さらに、窒化物ベースのLEDの波長が短いため、フォトリソグラフィーによって散乱物体の小さな寸法を実現することは困難です。研究[24,25,26]は、テクスチャード加工されたGaN表面を使用して、臨界角を増加させ、LEEを強化できることを報告しています。ただし、GaNベースのLEDの表面テクスチャリングは、薄いp-GaNと、プラズマ損傷および電気的劣化に対するp-GaNの感度によって妨げられます。テクスチャード加工されたGaN表面に加えて、いくつかの研究[27、28]は、光化学エッチングによってメサ側壁を粗くするか、リフローされたフォトレジストを通して斜めのメサ側壁を作成し、CF ₄ を調整しようとしました。 LEEを増加させるためのドライエッチング中の流れ。しかし、粗いメサ側壁の表面は不均一であり、斜めのメサ側壁の改善されたLEEは側壁領域内に制限されていました[29]。

この研究では、堆積後エッチングを伴うディップドロップ法を使用して、ITO表面上のコンパクトで周期的なPS NSアレイの条件を調査し、パラメトリック分析を実行して、周期的なPSNSアレイを備えたInGaN / GaNLEDのLEEを最適化しました。コンパクトなPSNSアレイの堆積パラメータは、ディップドロップ速度とPSNS懸濁液の濃度です。計算結果は、InGaN / GaNLEDのLEEがPSNSの直径とPSNSの周期に関連していることを示しています。 ITO上に最適な周期的PSNSアレイがある場合とない場合のInGaN / GaNLEDを比較します。

実験的

ディップドロップメソッド

ディップドロップ法によりInGaN / GaNLED上に周期的なPSNSアレイを得るのに必要な装置は、非常にシンプルで準備が簡単です。これは、図1（ a ）に示すように、下部に穴のあるガラス容器（メイン容器）と、穴に接続された調整制御バルブで構成されています。 ）。異なる量の脱イオン（DI）水とPS NSコロイド懸濁液（Echo Chemical Co.、USA）をガラス容器内で混合し、この混合物を数分間撹拌して、特定の濃度のPSNS懸濁液を得ました。直径100、200、および500nmのPSNSを含む3種類のPSNSコロイド懸濁液を、ディップドロッププロセス用に希釈しました。攪拌後、PSNS懸濁液をメインコンテナに加えました。図1（a）に示すチューニングコントロールバルブを使用して、PSNSサスペンションのディップドロップ速度を調整しました。図1（b）は、コンパクトなPSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDの概略的なディップドロッププロセスを示しています。まず、親水性表面を得るために酸素プラズマで処理されたInGaN / GaNエピウェーハを、特定の濃度のPSNS懸濁液を含むメインコンテナの底に配置しました。次に、PS NS懸濁液を一定のディップドロップ速度でコントロールバルブを通してろ過し、PSNSをInGaN / GaNエピウェーハの表面に分散させました。最後に、自己組織化PS NSアレイは、室温で約1.5時間乾燥した後、InGaN / GaNエピウェーハ上に形成されました。図1（c）は、0、1、5、および10秒のさまざまな酸素プラズマ処理時間でのInGaN / GaN LEDの電流-電圧（I-V）および光出力強度-電流（L-I）曲線を示しています。酸素プラズマ処理時間が5秒のInGaN / GaN LEDは、20mAの駆動電流で同様の順方向電圧と光出力強度を表します。酸素プラズマ処理時間が10秒に達すると、図1（c）で高い順方向抵抗と低い光出力強度が観察されます。 ITOの抵抗率は、高酸素プラズマ処理時間での強いイオン衝撃損傷により上昇します。逆に、親水性表面は、5秒未満の酸素プラズマ処理時間では取得できません。実験プロセスの複雑さを軽減し、InG​​aN / GaN LEDに最適なPSNS配置を得るために、さまざまなPSNS直径と周期のPSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDの光強度 x および y 方向は、有限差分時間領域（FDTD）法を使用して計算されました。

（ a ）機器、（ b ）ディップドロップ法のプロセス、および（ c ）酸素プラズマ処理時間が異なるInGaN / GaNLEDのI-VおよびL-I

ITO層上に周期的なPSNSアレイを備えたInGaN / GaN青色LEDの製造

InGaN / GaN青色LEDのエピウェーハは、有機金属化学蒸着システムを使用して、c面（0001）サファイア基板上に成長させました。デバイス構造は、低温で成長させたGaNバッファ層、高度にSiドープされたn型GaN層、InGaN / GaN多重量子井戸（MQW）活性領域、およびMgドープp型GaN層で構成されています。注入電流を拡散させるために、ITOを透明導電層としてp型GaN層に堆積させた。次に、標準的なフォトリソグラフィープロセスを使用してウェーハをパターン化し、露光されたITO / p-GaN / InGaN / GaN MQWs / n-GaNを部分的にエッチングすることにより、正方形のメサを発光領域として定義しました。 p-およびn-GaN接触領域のオーミック接触金属としてTi / Pt / Au合金を使用し、次にウェーハをN ₂ で合金化しました。 450°Cで5分間の雰囲気。 ITOを使用したInGaN / GaNLEDの発光ウィンドウのサイズは300×300μm ² でした。 。完成したウェーハをPSNS懸濁液に入れて、コンパクトなPSNSアレイをITO層に堆積させました。

結果と考察

図2a–iは、ITOコーティングされたガラス基板上の直径100、200、および500nmのPSNSの走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。平均ディップドロップ速度は、0.05、0.01、および0.005 mL /です。 s。 PSNS懸濁液の濃度は4.1×10 ¹¹ でした。 球/ cm ⁻³ 100 nm PS NSの場合、5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ⁻³ 200 nm PS NSの場合、および3.2×10 ⁹ 球/ cm ⁻³ 500 nm PSNSの場合。 PS NSは、高い平均ディップドロップ速度でITOコーティングガラス基板上に広く分散した分布を示しましたが、図2に示すように、平均ディップドロップ速度が低下するにつれてコンパクトなアレイを形成しました。 PS NSは、液体表面の形状に依存します。これは、横方向の毛細管力に関連しています[30]。横方向の毛細管力は、浮遊力または浸漬力に分類できます。浮遊力は粒子の重さとアルキメデスの力によって引き起こされますが、浸漬力は毛細管現象によって引き起こされます[31]。ディップドロッププロセスでは、重力の影響により浮遊力が支配的でした。浮遊力は、空気と水溶液の間の表面の形状に応じて、2つのPSNS間で引力または反発する可能性があります。高い平均ディップドロップ速度は、チューニングコントロールバルブの近くのPS NSサスペンションに劇的な摂動を引き起こし、摂動は空気と水溶液の間に凸面をもたらし、2つのPSNSの間に反発する浮遊力をもたらします。 PS NSは、ディップドロッププロセス中に反発する浮遊力によって分離され、図2a、d、gに見られるように、ITOコーティングされたガラス基板上に無秩序なPSNS配置が生じました。図2b、e、hに示すように、平均ディップドロップ速度を0.01 mL / sに下げると、チューニングコントロールバルブ付近の摂動が緩和されました。この弱い摂動は、低い反発浮遊力を引き起こし、0.05 mL / sのディップドロップ速度の場合よりも2つのPSNS間のスペースが小さくなりました。平均ディップドロップ速度が0.005mL / sに低下すると、空気と水溶液の間の表面の形状が凹状になり、ディップドロッププロセス中に2つのPSNS間に引力の浮遊力が発生しました。図2c、f、iに示すように、引力の浮遊力により、ITOコーティングされたガラス基板上にコンパクトなPSNSアレイができます。さらに、直径200および500nmのPSNSは、空気と空気の間に凹状の表面があるため、同様の平均ディップドロップ速度で直径100nmのPSNSと比較して、ITOコーティングされたガラス基板上でよりコンパクトな配置を示しました。大きな直径のPSNSの場合、水溶液が容易に形成されました。平均ディップドロップ速度がさらに<0.005mL / sに低下すると、ディップドロップ法を使用して製造されたPS NSアレイは、スループットが低いため、LEDには実用的ではなくなりました。 0.5×0.5mm ² でのコンパクトPSNSアレイの分布を見つけるには ITOコーティングされたガラス基板、図2j–mは、右上、左上、右下の領域での平均ディップドロップ速度0.005 mL / sでの直径200nmのPSNSのSEM画像を示しています。 、およびITOコーティングされたガラス基板の左下。これらの画像は、ITOコーティングされたガラス基板上に均一に分散したコンパクトなPS NSアレイを表しており、ディップドロップ法を使用することで、均一でコンパクトなPSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDを提案できることを示唆しています。

a の平均ディップドロップ速度での直径100、200、および500nmのPSNSのSEM画像 、 d 、 g 0.05 mL / s; b 、 e 、 h 0.01 mL / s;および c 、 f 、 i 0.005 mL / s、および j の領域での200nmおよび平均ディップドロップ速度0.005mL / sのPSNSのSEM画像 右上、 k 左上、 l 右下、 m 0.5×0.5mm ² の左下 ITOコーティングされたガラス基板。 DI水で希釈したPSNS懸濁液の濃度は4.1×10 ¹¹ でした。 球/ cm ⁻³ 100 nm PS NSの場合、5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ⁻³ 200 nm PS NSの場合、および3.2×10 ⁹ 球/ cm ⁻³ 500 nm PSNSの場合

PS NS懸濁液の濃度は、PSNSアレイのPSNS配置と層数にも影響します。高濃度のPSNS懸濁液は、単層または多層のコンパクトなPS NSアレイになりますが、低濃度の懸濁液は、単層の緩いまたはコンパクトなPSNSアレイを生成する可能性があります。多層PSNSアレイには、透過率が低い、PS NS期間の定義が難しい、信頼性が低いなどの欠点があり、LEDアプリケーションには適していません。コンパクトな単層PSNSアレイを得るには、PSNS懸濁液の最適濃度を決定する必要があります。この研究では、PS NS懸濁液の濃度は、PSNSの数と懸濁液の体積の比率として定義されました。図3は、さまざまなPS NS懸濁液濃度でのITOコーティングガラス基板上のPSNSのSEM画像を示しています。（a）1.4×10 ¹¹ 、（b）2.7×10 ¹¹ 、（c）4.1×10 ¹¹ 、および（d）5.4×10 ¹¹ 球/ cm ^-3 100 nm PSNSの場合。 （e）1.7×10 ¹⁰ 、（f）3.4×10 ¹⁰ 、（g）5.1×10 ¹⁰ 、および（h）6.8×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PSNSの場合。および（i）1.1×10 ⁹ 、（j）2.1×10 ⁹ 、（k）3.2×10 ⁹ 、および（l）4.3×10 ⁹ 球/ cm ^-3 平均ディップドロップ速度が0.005mL / sの500nm PSNSの場合。 PSNS懸濁液の濃度が<4.1×10 ¹¹ の場合 球/ cm ^-3 100 nm PS NSの場合、<5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PS NSの場合、および<3.2×10 ⁹ 球/ cm ^-3 500 nm PS NSの場合、図3a、b、e、f、i、jに示すように、ITOコーティングされたガラス基板の一部の領域にはPSNSがありませんでした。濃度を4.1×10 ¹¹ に上げたとき 球/ cm ^-3 100 nm PS NSの場合、5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PS NSの場合、および3.2×10 ⁹ 球/ cm ^-3 500 nm PS NSの場合、図3c、g、kに示すように、単分子層のコンパクトなPSNSアレイがITOコーティングされたガラス基板を覆っていました。図3c、g、kの挿入図は、PSNS懸濁液濃度4.1×10 ¹¹ でのITOコーティングガラス基板上のPSNSの断面SEM画像を示しています。 球/ cm ^-3 100 nm PS NSの場合、5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PS NSの場合、および3.2×10 ⁹ 球/ cm ^-3 500 nm PSNSの場合。コンパクトなPSNS単分子層は、上記の濃度のPS NS懸濁液とディップドロップ速度の下で、ITOコーティングされたガラス基板上に形成できます。高濃度PSNS懸濁液のPSNSは、低濃度PSNS懸濁液のPSNSよりも密度が高かった。ディップドロッププロセス中に、引力の浮遊力は、単分子層のコンパクトなPS NSアレイと、高濃度および低濃度のPS NS懸濁液の下で、ITOコーティングされたガラス基板上に分散したPS NSアレイをそれぞれ形成しました。これは、PSNSが不十分なためです。低濃度のPSNS懸濁液の下でITOコーティングされたガラス基板を覆うために利用可能でした。 PSNS懸濁液の濃度をさらに5.4×10 ¹¹ に上げた場合 球/ cm ^-3 100 nm PS NSの場合、6.8×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PS NSの場合、および4.3×10 ⁹ 球/ cm ^-3 500 nm PS NSの場合、ITOコーティングされたガラス基板は多層のコンパクトなPS NSアレイで覆われていました。これは、過度に多くのPSNSが堆積に関与したためです。過剰なPSNSは、単層のコンパクトPS NSアレイの表面に到達し、それに付着して、多層のコンパクトPSNSアレイを形成しました。

PSNS懸濁液濃度が a のPSNSのSEM画像 1.4×10 ¹¹ 、 b 2.7×10 ¹¹ 、 c 4.1×10 ¹¹ 、および d 5.4×10 ¹¹ 球/ cm ^-3 100 nm PSNSの場合。 e 1.7×10 ¹⁰ 、 f 3.4×10 ¹⁰ 、 g 5.1×10 ¹⁰ 、および h 6.8×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PSNSの場合。および i 1.1×10 ⁹ 、 j 2.1×10 ⁹ 、 k 3.2×10 ⁹ 、および l 4.3×10 ⁹ 球/ cm ^-3 0.005 mL / sの平均ディップドロップ速度での500nm PSNSの場合。 c の挿入図 、 g、 および k PSNS懸濁液濃度が4.1×10 ¹¹ のPSNSの断面SEM画像を表します。 球/ cm ^-3 100 nm PS NSの場合、5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 200 nm PS NSの場合、および3.2×10 ⁹ 球/ cm ^-3 500 nm PSNSの場合

InGaN / GaN LEDの光エスケープコーンは、GaNと空気の間の屈折率のコントラストが高いために制限され、結果としてLEEが低くなります。 k エスケープコーンの波数ベクトルである;次に、

ここで k _N および k _L は、それぞれデバイスと面内に垂直な波数ベクトルです。 InGaN / GaNLED上の周期的PSNSアレイウィンドウ層では、周期的PS NSアレイの屈折率周期性が、特定のカットオフ周波数を超える導波モードを外部伝搬モードに回折すると、面内波数ベクトルは<に変化します。 b> k _WG + n k _PS 、ここで k _WG はデバイスに平行な導波光の波数ベクトルであり、 k _PS は、周期的なPS NSアレイの逆数波数ベクトルであり、

ここで x _λ および y _λ x の期間です および y PSNSアレイの方向。周期的なPSNSアレイの場合、元の面内波ベクトル k _L 、 k に変更 ^{`</sup> <sub>L</sub> および k <sup>`}

ここで、nは整数です。 x の周期を変更することで、ライトエスケープコーンを改善できます。 および y k を変調する方向 _PS ;したがって、InGaN / GaN LEDのLEEは、 k を減らすことで向上させることができます。 ^´ _L 。ただし、 x の最適な期間 および y InGaN / GaN青色LEDの発光波長を満たすためのカットオフ周波数に対する方向は、実験プロセスでは取得が困難です。調査を簡素化するために、Rsoftソフトウェア（Cyber​​net Ltd。）、3次元FDTD法を使用した全波Simアドオンモジュール、およびRsoft LEDユーティリティを使用して、p-GaNからInGaN / GaNブルーの自由空間までの抽出光強度を計算しました。 x にさまざまな周期があるPSNSアレイウィンドウレイヤーの有無にかかわらずLED および y 方向。図4aは、直径100、200、および500nmのPSNSと従来のInGaN / GaNLEDを備えたPSNSアレイウィンドウ層を備えたLEDの周期の関数として計算された光強度を示しています。図4aに示すように、PS NSウィンドウ層（青、黄、赤の曲線）を備えたLEDの計算された光強度は、従来のLEDの光強度よりも高かった。さらに、 x の直径と周期の周期的なPSNSアレイを備えたLED および y 100、100、および100 nmの方向は、計算された光強度が最も高く、PSNSアレイのないLEDと比較して1.4の増強された係数を示します。これは、周期的な単層PSNSアレイを備えたInGaN / GaN LEDの光エスケープコーンは、 k を調整することで改善できるためです。 _PS 、それにより、周期的なPSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDのLEEを強化します。 InGaN / GaN LEDの最大光強度、最適な直径、および x の周期を取得するには および y PS NSアレイの方向は、100、100、および100nmとして計算されました。さらに、回折モードに関連する最適な周期的PSNSアレイを備えたInGaN / GaN LEDの強化されたLEEを理解するために、最適なPSNSアレイウィンドウがある場合とない場合のInGaN / GaN青色LEDのp-GaNから自由空間への抽出光強度異なる発光波長と角度での層を計算しました。図4bは、さまざまな発光波長の下でのさまざまな角度の関数として計算された光強度を示しています。図4bの挿入図は、最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層がある場合とPSNSアレイがない場合のInGaN / GaN青色LEDの角度スペクトルを示しています。 460nmの発光波長下のウィンドウ層。 460nmの波長で放出される最適な周期的PSNSアレイを備えたInGaN / GaN LEDは、450、470、480、および490nmで放出される最適な周期的PSNSアレイを備えたものと比較して、最高かつ最も広いスペクトルを実行します。 PS NSアレイは、最適な周期的PSNSアレイによって空気中に回折されるガイドモードを満たしているためです。

a の計算された強度 従来のLEDと直径100および200nmのPSNS用の異なる周期のLEDおよび（ b ）異なる発光波長の下でさまざまな角度。 b のはめ込み 460nmの発光波長で最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を使用し、PSNSアレイウィンドウ層を使用しないInGaN / GaN青色LEDの角度スペクトルを表示します

図5aは、直径100、200、および500nmのPSNSのコンパクトな単層PSNSアレイによって形成されたウィンドウ層がない場合とある場合のInGaN / GaNLEDのI-VおよびL-I曲線を示しています。 20 mAの注入電流の下で​​、コンパクトなPSNSアレイがある場合とない場合のInGaN / GaN LEDの順方向電圧は3.54、3.55、3.55、および3.55Vでした。PSNSアレイがある場合とない場合のInGaN / GaNLEDの同様の順方向電圧窓層は、同じエピタキシャル構造を持っていることに起因していました。さらに、PSNSアレイウィンドウ層のないInGaN / GaN LEDの順方向抵抗は、PS NSアレイウィンドウ層のあるものよりもわずかに低かった。これは、ITO透明伝導層が親水性プロセス中に酸素プラズマによって劣化したためである。図5aに示すように、100 nm、200 nm、および500nmのPSNSアレイウィンドウ層がある場合とない場合のInGaN / GaN LEDの光出力強度は、それぞれ112.9、146.8、148.0、および131.1mcdでした。 PSNSアレイウィンドウ層がある場合とない場合のInGaN / GaN LEDの光出力強度は、図4の計算結果と同様の傾向を示しました。InGaN/ GaN活性領域から放出された光子は、ITO /空気界面でTIRを受けました。ライトエスケープコーンの外にありました。ただし、PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDは、面内ベクトル（ k ）を変更しました。 _L ^` ）、結果としてLEEが強化されます。したがって、PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDの光出力強度を上げることができます。さらに、PS NSアレイと空気の間の界面での発光の入射角は、非平面界面とテクスチャ構造のためにPSNSの影響を受けました。その結果、周期的なPS NSアレイウィンドウ層は、InGaN / GaNLEDのLEEを強化しました。図5bは、従来のInGaN / GaNLEDとコンパクトで無秩序な多層PSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDのL-I曲線を示しています。無秩序PS層を備えたInGaN / GaN LEDの光出力強度は、光子が無秩序PSウィンドウ層によって空気/ ITOの界面で部分的にアウトカップリングされる可能性があるため、従来のInGaN / GaNLEDよりもわずかに高くなります。さらに、多層PSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDの光出力強度は、多層PSアレイの透過率が低い（<80％）ため、従来のInGaN / GaNLEDよりも低くなっています。図5cは、従来のInGaN / GaN LEDと、コンパクトで周期的なPSNSアレイウィンドウ層を備えたLEDのL-I曲線を示しています。 x の直径と周期 および y 周期性PSNSアレイの方向は、それぞれ100、100、100 nmであり、図4から計算した最適条件を満たしています。周期性PS NSアレイは、200 nm PSNSのコンパクトなPSNSアレイをエッチングすることで得られます。図5cの挿入図は、コンパクトで周期的なPSアレイを備えたInGaN / GaN LEDの概略構造と、 x で周期が100および100nmのエッチングされた100nm PSNSアレイのSEM画像を示しています。 および y 方向。 x の周期を持つ周期的な100nm PSNSアレイのウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LED および y 図5cに示すように、100および100 nmの方向は、最高の光出力強度を示しました。これは、図4の計算結果と一致しました。最適な周期PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDは、38を生成しました。 LEEが改善されたため、PS NSアレイを使用しない場合と比較して光出力強度が％増加しました。さらに、図5cと図2fの挿入図は、PS NSがITOによく付着し、堆積後のエッチングプロセス中のエッチング損傷が少ないことを示しています。

a 従来のInGaN / GaNLEDおよびInGaN / GaN LEDのI-VおよびL-I曲線は、直径100、200、および500nmのPSNSのコンパクトなPSNSアレイウィンドウ層を備えています。 b 従来のInGaN / GaNLEDおよび周期的、無秩序、多層PSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDのL-I曲線。 c 従来のInGaN / GaNLEDおよびコンパクトで最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDのL-I曲線。 （ c の挿入図 ）は、コンパクトで周期的なPSアレイを備えたInGaN / GaNLEDの概略構造を示しています。周期的PSアレイのSEM画像も図5の挿入図に示されています

表1に、同じ条件下で3つの異なる実行からなる最適なPS NSアレイウィンドウ層を備えた、InGaN / GaNウェーハの異なる位置からの選択されたチップの20mAの注入電流での平均順方向電圧と光出力強度を示します。これがInGaN / GaN LEDの性能に影響を与える主な要因であるため、InGaN / GaNウェーハ上のPSNSの均一で信頼性の高い配置は非常に注目に値します。 InGaN / GaNウェーハ上のPSNSの周期とサイズは比較的類似していた。測定された発光強度の増強のデバイス間の標準偏差は約1.4％であり、同じ駆動電流の下で​​の順方向電圧の変動は約1.9％、光出力強度の変動は2.9％でした。

図6は、従来のInGaN / GaNLEDと20mAの駆動電流の下で​​最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDの波長の関数としてのエレクトロルミネッセンススペクトルを示しています。最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDの発光スペクトルの465.5nmでの光出力強度と半値全幅は、従来のInGaN / GaNLEDよりも強くて狭いものでした。 InGaN / GaN活性領域から放出される誘導光は、TIRを受け、半導体の面内波数ベクトルの振幅が空気中の波数ベクトルよりも大きい場合、放射モードと位相を一致させることができませんでした[9、32]。周期的PSNSアレイウィンドウ層は、半導体内の面内波数ベクトルの振幅を空気中の振幅よりも小さく変調する可能性があり、したがって、光は、周期的PS NSアレイを使用して半導体から放出されました。これは、ガイドされた位相がモードは放射モードと一致し、その結果、高い光出力強度と狭い発光スペクトルが得られました。図6の挿入図は、従来のInGaN / GaNLEDと最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaNLEDの発光の顕微鏡写真を示しています。最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDの光出力強度は、LEEが改善されたため、従来のInGaN / GaNLEDよりも高くなりました。

最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えた従来のInGaN / GaNLEDおよびInGaN / GaNLEDの波長の関数としてのエレクトロルミネッセンススペクトル

結論

PS NSアレイウィンドウ層は、InGaN / GaNLEDのLEEを改善できます。コンパクトな単層PSNSアレイは、平均ディップドロップ速度とPS懸濁液濃度を調整することによって得られました。コンパクトな単層PSNSアレイを得るための最適な平均ディップドロップ速度とPSNS懸濁液濃度は、0.005 mL / sおよび4.1×10 ¹¹ でした。 球/ cm ^-3 、それぞれ、100 nm PSNSの場合。 0.005 mL / sおよび5.1×10 ¹⁰ 球/ cm ^-3 それぞれ、200 nm PSNSの場合。および0.005mL / sおよび3.2×10 ⁹ 球/ cm ^-3 、それぞれ、500 nm PSNSの場合。計算結果と実験結果は、 x でPSNSの直径が100nm、周期が100nmの周期的なPSNSアレイウィンドウ層であることを示しています。 および y 方向は、InGaN / GaNLEDのLEEを効果的に強化しました。最適な周期的PSNSアレイウィンドウ層を備えたInGaN / GaN LEDは、LEEが高いため、20mAの駆動電流で従来のInGaN / GaN LEDと比較して光出力強度が38％増加しました。

略語

EQE：

外部量子効率

FDTD：

有限差分時間領域

ITO：

インジウムスズ酸化物

I-V：

電流-電圧

LED：

発光ダイオード

LEE：

光抽出効率

L-I：

光出力強度-電流

PC：

フォトニック結晶

PS NS：

ポリスチレンナノスフェア

SEM：

走査型電子顕微鏡

TIR：

全反射