具有半极性 InxGa1−xN/GaN 多量子阱的紫外 GaN 基光子准晶纳米锥结构的多色发射

背景

具有宽带隙和独特性能的 GaN 基材料已应用于许多光电系统和器件，包括发光二极管 (LED) [1,2,3] 和激光二极管 (LD) [4, 5]。基于 GaN 的 LED 已应用于交通信号、显示器背光 [6,7,8]、固态照明 [9, 10]、生物传感器 [11] 和光遗传学 [12]。先进 GaN LED 面临的挑战之一是实现无磷白光 LED，包括多芯片白光 LED、单片 LED 和颜色转换白光 LED [13, 14]。具有低位错、低内场和高光提取效率的 GaN 基纳米棒 LED [15, 16] 可能是一种可能的解决方案。已采用各种方法来提高 III 族氮化物 LED 的光提取效率，例如粗糙表面 [17,18,19,20]、蓝宝石微透镜 [21]、斜台面结构 [22]、纳米金字塔 [23]、渐变折射率材料 [24]、自组装光刻图案 [25]、基于胶体的微透镜阵列 [26、27] 和光子晶体 [28,29,30,31]。据报道，光子晶体在准晶体或有缺陷的二维 (2D) 光栅配置中可以提高 LED 的光提取效率 [32,33,34,35]。光子晶体结构是周期性的，具有平移对称性。周期性结构可以表现出光子带隙以抑制导模的传播，并使用光子晶体结构将导模与辐射模耦合 [36,37,38,39]。基于带边效应的光子晶体激光器具有几个优点，例如高功率发射、单模操作和相干振荡 [40,41,42]。电子束光刻和激光干涉光刻已被用于生产光子晶体结构 [43, 44]。此外，由于发射单元分离且发射面彼此相对，因此可以有效地混合光。因此，纳米棒被认为在提高绿色到红色发射区域的发光效率方面具有很大的优势，并且已经采取了许多努力[45, 46]。

然而，与其他形式的光刻（包括激光干涉和电子束光刻）相比，纳米压印光刻 (NIL) 提供了高分辨率、低成本和高吞吐量 [47,48,49]。在这项研究中，我们展示了基于 GaN 的 2D 光子准晶 (PQC) 结构的多色发射，如图 1 所示。 PQC 结构是使用 NIL 制造的 [41, 42]。 PQC 图案的总面积约为 4 cm × 4 cm（2 英寸蓝宝石衬底），具有 12 倍对称性 [50, 51]，晶格常数约为 750 nm，直径为 300 nm，并且纳米柱的深度约为 1 μm。 PQC 结构形成了一个完整的带隙，430 nm 高的 GaN 金字塔和 10 对半极性 {10-11} Inx Ga1−x N/GaN（3 nm/12 nm）多量子阱（MQW）纳米结构，如图1所示。

半极性{10-11} GaN金字塔和10对Inx再生的GaN基PQC结构示意图 Ga1−x N/GaN (3 nm/12 nm) MQW

在室温泵浦操作下，该设备展示了具有低阈值功率密度和多色发射的激光作用。我们已经报道了来自 GaN PQC 结构的单色激光作用 [41, 42]。该 PQC 平台具有制造成本低以及 GaN 基材料与多色系统更好集成的优势。未来，随着再生工艺的优化和高质量的光子晶体腔，多色GaN基激光器有望实现。

方法

样品的设计与制作

图 2 说明了器件制造的示意过程。制造程序包括 GaN 晶片的外延生长、PQC 图案的 NIL 和干法蚀刻。 GaN 基材料在低压金属有机化学气相沉积反应器中生长在 C 面 (0001) 蓝宝石衬底上。为了制备蓝宝石衬底的清洁表面，将衬底浸入硫酸:磷酸 =3:1的燃烧溶液中，然后将烧杯加热至恒温1小时。在超声波振荡下用去离子水清洗基板。首先在 1160 °C 下在 2 英寸蓝宝石衬底上生长 GaN（1 微米厚）。然后沉积 0.4-μm SiO2 掩模和 0.2-μm 聚合物掩模。聚合物薄膜干燥后，通过施加高压将 2 英寸 PQC 结构的图案模具放置在其上（图 2. 步骤 1）。基板被加热到高于聚合物的玻璃化转变温度 (T G）。然后将基材和模具冷却至室温以脱模。 PQC 图案定义在聚合物层上（图 2，步骤 2）。然后使用 CHF3/O2 混合物通过反应离子蚀刻 (RIE) 将图案转移到 SiO2 层中（图，步骤 3）。 SiO2 层用作硬掩模。然后使用具有 Cl2/Ar 混合物的电感耦合等离子体 RIE 蚀刻该结构。在蚀刻过程结束时去除SiO2层的掩膜（图2，步骤4）。

GaN PQC结构制造工艺示意图。包括GaN晶圆的外延生长（步骤1）、PQC图案的NIL（步骤2）、干法蚀刻（步骤3和4）以及再生长后的纳米棒上金字塔MQW结构（步骤5）

在再生长过程之前，样品在纳米柱的侧壁用多孔 SiO2 钝化。金字塔形 GaN 结构在 730 °C 下重新生长在 GaN 纳米柱的顶部。 0.43 微米高的金字塔包含 10 对 InxGa1-x N/GaN (3 nm/12 nm) 量子阱，支持不同波长的蓝色和绿色发射，其组成比为：Inx Ga1−x N/GaN 相关的 InN 分数变化。 In0.1Ga0.9N/GaN MQW 和 In0.3Ga0.7N/GaN MQW 分别对应于 460 和 520 纳米的发射波长（图 2，步骤 5）。纳米棒的蚀刻深度约为 1 μm，如图 3a 所示。图 3b、c 显示了具有多孔 SiO2 层和半极性 {10-11} Inx 的 PQC 结构的 SEM 图像 Ga1−x N/GaN MQW。图 3d 显示了半极性 {10-11} Inx 的放大倍数 Ga1−x 具有梯形微结构面的 N/GaN MQW。由于表面稳定性和偏振效应的抑制，半极性{10-11}面可以降低量子限制斯塔克效应对LED量子效率的影响[52,53,54,55]。

一 PQC 结构的平铺角度 SEM 图像。 b 具有多孔 SiO2 的 PQC 结构的横截面 SEM 图像。 c 再生过程后 PQC 结构的俯视 SEM 图像。 d 半极性 {10-11} Inx 的放大 SEM 图像 Ga1−x 具有梯形微结构面的 N/GaN MQW

为了研究具有纳米锥结构的 GaN 基 PQC 的光学特性，制备了两个 GaN PQC 样品：A，In0.1Ga0.9N/GaN MQW，和 B，具有再生长制造的 In0.3Ga0.7N/GaN MQW。在再生步骤中，温度是控制铟成分比例的关键。蓝色In0.1Ga0.9N控制温度为760～780℃，绿色In0.3Ga0.7N控制温度为730～740℃。

结果与讨论

为了证明来自光子准晶结构的光学模式，样品 A 和 B 由连续波 (CW) He-Cd 激光器在 325 nm 处进行光泵浦，入射功率约为 50 mW。该装置发出的光通过多模光纤由15 × 物镜收集，并耦合到带有电荷耦合装置检测器的光谱仪中。图 4a 说明了在 He-Cd 325 nm CW 激光泵浦下测得的 PL 光谱。黑色曲线的光谱是来自图 3a 中显示的基于 GaN 的 PQC 结构的波长为 366 nm 的光发射。样品 A（蓝色曲线）和 B（绿色曲线）都具有很强的发射峰，分别对应于大约 460 和 520 nm 的波长，这是由 InxGa1-x N/GaN MQW 结构产生的。样品 A 和 B 的光谱线宽分别为 40 和 60 nm。图 4a 还显示了样品 A 和 B 在测量过程中的 PQC 结构照片。样品 A 和 B 的 PL 的 CIE 坐标分别为 (0.19, 0.38) 和 (0.15, 0.07)，如图 4b 所示。因此，该混合平台为多色 LED 提供了多种可能性。应该注意的是，样品 B 的峰比图 4a 中样品 A 的峰宽。样品 B 的轻微宽光谱归因于较高的铟成分[56,57,58] 产生的缺陷和位错的存在。

一 来自 GaN 基材料（黑色）、样品 A（蓝色）和 B（绿色）的纳米棒的 PL 光谱。 b 样品A和B在测量过程中的PQC结构照片分别对应于(0.19, 0.38)和(0.15, 0.07)的CIE坐标

为了确认光学谐振模式是 PQC 带边模式，使用有限元方法 (FEM) [59, 60] 对 12 重对称光子准晶格进行模拟。如图 5a 所示，PQC 的计算透射光谱与入射角以及 0、5°、10°、15°、20° 和 25° 一起显示在图 5b 中。由于该 PQC 晶格的对称性，光谱将在每 30° 入射角重复。光谱中的高透射值（蓝色）表示入射信号耦合到 PQC 晶格谐振模式，即带图区域。低透射（黄色）区域表示 PQC 结构的几个光子带隙 (PBG)。高低传输比大于四阶，表明PQC晶格对器件中的传播模式选择具有很强的作用。观察到的激光作用发生在 PQC 带结构的带边缘附近，这是图 5b 中高透射和低透射状态之间的边界。带边缘附近的平坦色散曲线意味着低群速和强定位，并导致器件的激光作用。这些 PBG 与 Inx 的发射波长相匹配 Ga1−x 具有相应归一化频率的 N/GaN 为 a/λ ≈ 0.88、1.0 和 1.25，它们被标记为模式 M1、M2 和 M3。通过 PQC 带边共振与 InGaN/GaN 层的发射之间的耦合，将进一步提高特定波长的发射效率和光提取。 GaN 耦合到高频 M3 的激光作用可以在充分激发下实现，如我们之前的演示 [43, 45]。对于耦合到 M2 和 M1 的再生 In0.1Ga0.9N 和 In0.3Ga0.7N，发射蓝光和绿光将被增强。因此，利用 PQC 结构的光模与 Inx 之间的耦合 Ga1−x N/GaN、高效多色 LED、LD 可以在这种混合平台中实现。光子晶格中纳米棒的长度对于产生高质量的颜色增强也很重要。在这项研究中，为了实现高质量的颜色增强，光子晶体纳米棒长度被蚀刻到 1000 nm，这是有效波长的四倍多。未来要实现单个PQC器件的多色发射，需要在外延工艺中加入多道再生工序。

一 由于 PQC 结构的对称性，每 30° 入射角有重复的光谱。 b 不同带边谐振模式对应的12重对称光子准晶格的有限元计算透射谱

结论

总之，使用 NIL 技术制造了 12 倍对称的 GaN PQC 纳米柱。来自 Inx 的高效蓝色和绿色发射 Ga1−x N/GaN MQWs 是通过顶部 Inx 的再生过程实现的 Ga1−x 在这些面上生长的 N/GaN MQW，具有 In 组成比：Inx Ga1−x N/GaN 相关的 InN 分数变化。在分别由 In0.1Ga0.9N/GaN MQW 和 In0.3Ga0.7N/GaN MQW 产生的 366、460 和 520 nm 波长附近观察到发射峰。这些发射模式对应于具有 FEM 模拟的 GaN PQC 结构的带边谐振模式。制造方法证明了作为制造半极性 {10-11} Inx 的低成本技术的巨大潜力 Ga1−x N/GaN LED 用于制造多色光源。我们相信未来GaN基光子准晶激光器可以集成到多色光源系统中。

数据和材料的可用性

支持本文结论的所有数据均包含在本文中。