利用TiN/Ti中间层在非晶石英上直接生长III-氮化物纳米线LED

摘要

消费电子越来越依赖超薄玻璃屏幕，因其透明性、可扩展性和成本效益。显示背光现常集成直接与面板结合的发光二极管（LED）。本工作演示在非晶石英上直接生长制造III-氮化物纳米线LED。原型器件展现2.6 V低开启电压，发射~590 nm黄光，填补氮化物LED著名的“绿隙”。采用TiN/Ti中间层实现~40%可见光带透明度同时保持导电性。纳米线架构相较传统平面量子阱器件最小化应变和穿透位错。最后展示纳米线宽广可调发射可与激光二极管结合产生高显色指数（CRI）相关色温白光。

研究背景

LED已成为显示技术主力，在能效和便携性上超越冷阴极荧光灯。常规GaN基蓝光LED通常在蓝宝石生长，大尺寸蓝宝石晶体制造面临精确c面取向和表面平坦度挑战[1,2]。此外平面GaN LED遭受绿隙困扰——520 nm以上波长量子效率下降。

直接在玻璃上生长III-氮化物尝试包括气源分子束外延（MBE）和溅射，产生多晶薄膜降低器件性能[3-5]。三星微掩膜选择性MOCVD生长在玻璃上产生近单晶GaN金字塔，但MOCVD中铟挥发限制铟掺入[6,7]。石墨烯预缓冲层改善非晶玻璃上溅射InGaN质量但增加工艺复杂性[8]。这些方法凸显需更简单可扩展方法将氮化物LED与透明衬底集成。

III-氮化物纳米线在氮丰富条件下无催化剂生长，可自发成核无需整体外延关系，实现在硅、金属、二氧化硅等多样衬底生长[9-25]。其高表面体积比抑制穿透位错、减少有源区应变，适合绿隙波段发射[10-16]。但玻璃绝缘性质使创建电注入器件且保持透明导电复杂化。

本文呈现利用TiN/Ti中间层在非晶石英上直接生长InGaN/GaN纳米线并制备LED的首例工作。该中间层同时提供透明度和导电性。纳米线LED发黄光（~590 nm），证明氮化物光电子学与可扩展玻璃衬底集成可行性。

材料与方法

材料生长

样品在Veeco GEN 930 PA-MBE系统氮丰富条件下生长。商用双面抛光石英（≈500 μm厚）经丙酮、异丙醇清洗，氮气吹干。电子束蒸发20 nm Ti层作为半透明导电中间层。再次溶剂清洗和两次脱气后，衬底进入生长腔，氮等离子体（1 sccm，350 W RF）部分将Ti氮化为TiN，再打开Ga快门。n型GaN:Si纳米线基底在Ga束流等效压力（BEP）6.5×10⁻⁸ Torr、Si池温度1165°C下生长。两步法——620°C成核10 min后770°C生长——控制纳米线密度。沉积五层InGaN量子盘（5×10⁻⁸ Torr Ga BEP，5×10⁻⁸ Torr In BEP）和GaN势垒，随后310°C Mg池温度沉积p型GaN:Mg层。

光学与结构表征

光致发光（PL）用325 nm HeCd激光（3.74 mW）和×15 UV物镜测量，激发密度≈310 kW/cm²。样品在Linkam THMS 6000低温台77 K至300 K冷却。透射率谱用Shimadzu UV-3600分光光度计记录，空气作参比。SEM用FEI Quanta 600拍摄，HRTEM和HAADF-STEM用Titan 80-300（300 kV）。元素分布用EDS（EDAX）和EELS获取。

器件制备与表征

清洗后热蒸发沉积2 μm parylene C层。氧等离子体RIE刻蚀parylene暴露p型顶端。电子束蒸发Ni（5 nm）和RF溅射ITO（230 nm）形成透明导电层；500°C Ar退火改善导电性。Cl/Ar ICP-RIE定义台面，电子束蒸发和剥离法添加Ni/Au电极。L-I-V测量用Keithley 2400。红外热成像用OptoTherm，通过加热器件至60°C生成自定义发射率图；后续电流相关成像测量局部温升。

结果与讨论

石英上生长纳米线结构与光学表征

纳米线包含≈90 nm n-GaN、五个7 nm InGaN量子盘、14 nm势垒、≈60 nm p-GaN。平面视SEM（Fig. 1a）显示高密度、≈100 nm宽、≈250 nm长纳米线，密度9×10⁹ cm⁻²，填充因子78%。两步生长优化成核同时最小化团聚引入非辐射中心。

明场TEM（Fig. 1b）确认晶格失配衬底上晶体GaN生长，HAADF成像（Fig. 1c）显示五个InGaN量子盘为亮点。元素映射显示纳米线在TiN层成核而非直接在石英上。氮化形成的TiN≈10 nm厚，保持透明导电，也作为长波长反射层[31]。

μ-PL谱（Fig. 2a）显示宽峰随温度77 K至300 K红移展宽，符合Varshni带隙收缩和激子-声子耦合。功率依赖μ-PL（Fig. 2c）显示可忽略蓝移，指示纳米线几何径向应变释放减弱压电场和量子受限斯塔克效应。

透射率测量（Fig. 3）对比裸石英（≈93%可见光）、20 nm Ti石英（≈22%）、TiN/Ti中间层（≈43%）、生长纳米线（≈40%）。TiN层恢复透明度，有源区因InGaN量子盘吸收适度降低透射。光学照片（Fig. 3b-e）直观展示各层视觉影响。

器件表征

LED制备流程图Fig. 4总结。最终器件堆叠（Fig. 5a）含Ni/Au电极、Ni/ITO扩流层、嵌入量子盘纳米线集合体、TiN/Ti背接触。

500 μm×500 μm器件线性外推V-I曲线开启电压≈2.6 V，电阻≈300 Ω，高于硅基纳米线LED，因薄TiN/Ti层导电性有限及非预期TiO₂形成[36]。光提取受限因发射耦合入石英部分后向散射。EL测量显示宽120 nm线宽；峰从开启时650 nm蓝移至大电流590 nm，因带填充效应而热效应在高注入下抵消。EQE在20 mA附近峰值后下降，归因于电流拥挤和石英散热差。

红外热成像（Fig. 6）显示35 mA时器件温度超60°C，热量集中有源区周围。未来设计需高效声子传输层缓解热滚降。

混色实验

高品质白光对显示照明关键。采用透射配置，将可调黄光纳米线LED与RGB激光二极管（LDs）结合，产生色温范围2800 K至>7000 K、CRI维持55以上白光。黄光LED宽谱增强CRI；仅RGB LDs CRI达55.4，加黄光分量在7300 K提升至85.1（Fig. 7e）。装置（Fig. 7a）用Thorlabs三通道合束器、45°反射镜、GL Spectis 5.0光谱仪提取CIE 1931色度坐标。

结论

演示通过TiN/Ti中间层在非晶石英上直接生长InGaN/GaN纳米线并制备基于此平台LED。纳米线架构在玻璃衬底上实现高结晶氮化物材料，实现黄-琥珀-红发射（590-650 nm），120 nm FWHM。利用宽广可调谱，透射配置实现宽范围白光源（3000->7000 K），凸显纳米线-石英LED在可扩展透明光电子应用潜力。