ディップドロップ法で作製したポリスチレンナノスフィアアレイによるInGaN/GaN LEDの光取り出し効率向上

概要

事後エッチングを組み合わせたコスト効率の良いディップドロップ法により、インジウム-スズ-酸化物（ITO）ガラス上に周期的なポリスチレンナノスフィア（PS NS）単層アレイを作製することを実証した。この単層アレイはフォトニック結晶窓として機能し、InGaN/GaN発光ダイオード（LED）の光取り出し効率（LEE）を向上させる。ディップドロップ速度とPS NS懸濁液濃度を調整することで、x方向とy方向の両方で100 nm周期の100 nm径アレイを実現した。最適化構造により、20 mAにおいてLED出力が38 %向上し、スケーラブルなLED製造への本手法の有効性を確認した。

背景

フォトニック結晶（PC）は、LED、太陽電池、フォトディテクタなどのオプトエレクトロニクスデバイスの性能向上に日常的に用いられている。PCは波長スケールでの周期的な屈折率変調を作り出し、導波モードを放射チャネルへ回折させることができる。高屈折率コントラストPCは完全なバンドギャップを開くことができるが、LEDへの実用的実装は製造の複雑さと材料制約によって制限される。代替戦略として、PCの周期性を利用して導波光の面内波ベクトルを脱出円錐へシフトさせ、光取り出し効率（LEE）を高める方法がある。

GaNベースLEDは、GaN/空気界面での全反射臨界角が約23°しかないため、深刻な光閉じ込め問題に悩まされている。したがって、外部量子効率（EQE）はLEEによって支配される。テクスチャードサファイア基板、パターン化GaN表面、側壁ラフニングなど、多数のアプローチが探求されてきたが、それぞれ化学的ダメージやスケーラビリティの限界といった実用上の課題を抱えている。

自己組織化PS NSコーティングは、有望な低コスト代替手段を提供する。最小限の装置で大面積に堆積可能で、高温プロセスや激しいエッチングを必要としない。本研究では、ITO上へのPS NS単層のディップドロップ堆積を体系的に研究し、懸濁液濃度とディップドロップ速度を最適化し、InGaN/GaN LEDにおいて38 %のLEE向上を実証した。

実験

ディップドロップ法

ディップドロップ装置は、制御可能な出口バルブを備えたガラス容器で構成される。脱イオン水-PS NSコロイド混合物を撹拌して目標濃度とし、ITOコート基板を規定速度で液体中へ降下させる。使用した典型的なPS NSサイズは100、200、500 nmで、それぞれ4.1×10¹¹、5.1×10¹⁰、3.2×10⁹ spheres cm⁻³に希釈した。

堆積後、基板を室温で約1.5時間乾燥させた。酸素プラズマ処理（0-10秒）を用いて表面を親水化し、PS NSの密着性を最適化しながら過度なITOダメージを回避した。

LED作製

InGaN/GaN青色LEDをMOCVD法でc面サファイア上に成長させた。構造は、低温GaNバッファ、高濃度Siドープn-GaN、InGaN/GaN多重量子井戸（MQW）、Mgドープp-GaNを含む。p-GaN層上に透明導電体としてITOを堆積させた。メサ分離（300×300 µm²）をフォトリソグラフィで定義し、Ti/Pt/Auコンタクトを450 °Cで5分間アロイした。完成したウェーハをPS NS懸濁液に浸し、単層アレイを形成した。

結果と考察

走査型電子顕微鏡（SEM）により、PS NSの配列がディップドロップ速度に強く依存することが明らかになった。高速（0.05 mL s⁻¹）では粒子が分散し、速度を0.01 mL s⁻¹に下げると疎な層が形成され、0.005 mL s⁻¹では密な単層が得られた。より大きな球体（200-500 nm）は、同じ速度ではより強い毛管力により100 nm粒子よりも容易に自己組織化する。

懸濁液濃度も被覆率を支配する。100 nm PS NSで4.1×10¹¹ spheres cm⁻³未満の濃度では隙間が生じ、5.4×10¹¹ spheres cm⁻³を超えると単層が多層化し透過率が低下する。したがって、コンパクトな単層の最適条件は、100 nmで0.005 mL s⁻¹と4.1×10¹¹ spheres cm⁻³、200 nmで5.1×10¹⁰ spheres cm⁻³、500 nmで3.2×10⁹ spheres cm⁻³であった。

有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションにより、両方向で100 nm周期の100 nm PS NS単層が最も高い抽出光強度を示し、裸LED比でシミュレートLEEを約40 %向上させることがわかった。向上メカニズムは、面内波ベクトルの回折による脱出円錐へのシフトにある。

実験的に、最適化されたPS NS窓を持つLEDは、20 mAで光出力が38 %増加した（112.9 mcdから148.0 mcdへ）。I-V特性は変化せず、堆積プロセスが電気的挙動を変化させないことを確認した。無秩序または多層のPS NSアレイを持つLEDは、裸デバイスと比較してわずかに優れるか劣るのみであり、規則的な単層の重要性を強調している。

ウェーハ全体での均一性は優れていた：LEE向上の標準偏差は1.4 %、順方向電圧と光出力の変動は3 %未満であった。電気発光スペクトルでは、PS NS強化LEDで465.5 nmにより強い狭いピークが現れ、再吸収の低減と出力結合の改善を反映していた。

結論

ITO上に周期的なPS NS単層を作製するシンプルでスケーラブルなディップドロッププロトコルを確立し、InGaN/GaN LEDの効果的なフォトニック結晶窓として機能させた。ディップドロップ速度（0.005 mL s⁻¹）と懸濁液濃度（100 nm PS NSで4.1×10¹¹ spheres cm⁻³）を最適化することで、100 nm周期の100 nmアレイが得られ、20 mAでLEEを38 %向上させた。この手法は標準的なLEDプロセスと互換性があり、高温工程を必要とせず、大面積生産に適している。

略語

EQE

外部量子効率

FDTD

有限差分時間領域法

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

光取り出し効率

L-I

光出力-電流

PCs

フォトニック結晶

PS NS

ポリスチレンナノスフィア

SEM

走査型電子顕微鏡

TIR

全反射