소비자 전자 제품은 투명성, 확장성 및 비용 때문에 초박형 유리 스크린에 점점 더 의존하고 있습니다. 특히, 디스플레이 기술은 발광 다이오드를 백라이트용 소스로 디스플레이 패널과 통합하는 것에 의존합니다. 이 연구에서 우리는 III-질화물 나노와이어 기반 발광 다이오드의 직접 성장 및 제조를 시연하여 비정질 석영에 발광체를 통합하는 과제를 수행했습니다. 개념 증명 장치는 비정질 석영 기판에서 2.6V의 낮은 턴온 전압을 나타냅니다. 우리는 반투명 전도층으로 석영에 TiN/Ti 중간층을 사용하여 전기 전도도를 유지하면서 가시 파장에서 ~ 40%의 투명도를 달성했습니다. nanowire-on-quartz LED는 기존 평면에 비해 변형과 전위가 훨씬 적은 트루 옐로우 컬러(~ 590nm)를 중심으로 한 넓은 선폭 스펙트럼의 빛을 방출합니다. 양자 우물 질화물 구조. 우리의 노력은 손쉬운 성장 및 제조 단계를 통해 확장 가능한 비정질 기판에 III-질화물 광전자 장치를 제조하는 가능성을 강조했습니다. 실제 시연을 위해 적색-황색-황색 영역에서 광범위하게 조정 가능한 나노와이어 스펙트럼 특성을 활용하여 조정 가능한 상관 색온도 백색광을 시연했습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">디스플레이 기술을 위한 발광 다이오드(LED)의 사용은 지난 10년 동안 널리 보급되었습니다. 이러한 광원은 냉음극 형광 램프(CCFL)에 비해 에너지 효율이 높으며 휴대용 가전 제품에 더 적합합니다. 기존 LED는 사파이어 기판에서 성장한 GaN 기반 청색 LED에 의존합니다. LED 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 제조 수율을 확대하기 위해 더 큰 직경의 사파이어 기판을 사용하는 경향이 이동하고 있습니다. 그러나 대형 사파이어 기판은 직경이 증가함에 따라 정확한 결정 방향과 평탄도를 유지하면서 Kyropoulos boule에서 c-평면 사파이어의 정밀한 드릴링이 어렵기 때문에 제조에 어려움이 있습니다[1, 2]. 제조 문제 외에도 기존 평면 GaN 기반 LED는 녹색 갭, 즉 녹색 파장(520nm)보다 긴 파장에서 LED 양자 효율이 감소하는 스펙트럼 영역의 존재로 인해 제약을 받습니다.
유리 기반 기판 위에 III-질화물 물질을 성장시키려는 여러 시도가 있었습니다. 이전에는 가스 소스 분자 빔 에피택시(MBE)[3] 및 스퍼터링[4, 5]을 사용하여 유리에서 GaN의 에피택셜 성장이 낮은 품질의 다결정 재료를 생성하여 장치 성능에 영향을 미쳤습니다. 대안으로, 삼성은 마이크로마스킹 및 후속적인 선택적 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD) 성장을 통해 유리 위에 거의 단결정 GaN 피라미드를 성장시키는 능력을 입증했습니다[6, 7]. 그러나 MOCVD에서 과도한 인듐 증발은 그린 갭에서 에미터를 달성하기 위해 인듐을 효율적으로 통합하는 것을 방해합니다. Shon et al. 그래핀을 사전 배향 버퍼층으로 사용하여 비정질 유리에서 스퍼터링된 InGaN 박막의 품질을 향상시켜 결함 관련 광발광을 효과적으로 억제할 수 있는 가능성을 보여주었다[8]. 그럼에도 불구하고 이러한 방법은 대규모 제조 공정으로의 통합 가능성을 방해하는 복잡한 처리 단계를 필요로 합니다.
III-질화물 발광체를 유리 기반 기판과 직접 통합하는 한 가지 가능한 방법은 MBE를 사용하여 자발적으로 성장한 III-질화물 나노와이어를 사용하는 것입니다. 성장 조건을 최적화함으로써 III-질화물 나노와이어가 템플릿 성장 마스크나 촉매 없이도 자발적으로 성장하도록 하는 것이 가능합니다[9]. 표면 대 부피 비율이 크기 때문에 나노와이어는 활성 영역에서 변형률을 감소시키면서 스레딩 전위[10] 없이 성장할 수 있습니다. 감소된 변형은 그린 갭 내 및 그 이상에서 작동하는 III-질화물 나노와이어 기반 장치의 제작을 가능하게 합니다[11-16]. III-질화물 나노와이어는 실리콘[9, 17, 18], 금속[19-21], 실리카[22-25]와 같은 다양한 기판에서 성장하는 것으로 나타났습니다. . 현재 유리 기반 기판의 절연 특성으로 인해 전도성과 투명도를 동시에 유지하면서 실리카 위에 전기 주입 장치를 제작하는 것이 어렵습니다.
이 작업에서 우리는 이 문제를 해결하고 비정질 석영 기판에서 성장한 InGaN/GaN 나노와이어 기반 LED의 성장 및 제조를 성공적으로 시연했습니다. 반투명 TiN/Ti 중간층을 전도성 층과 나노와이어의 성장 부위로 사용하여 동시 투명도와 전도성을 달성했습니다. 나노와이어는 기판과의 필수 에피택셜 관계 없이 자발적으로 성장하기 때문에 물질 성장 전에 복잡하거나 값비싼 처리 단계가 필요하지 않습니다. nanowires-on-quartz LED는 ~ 590nm를 중심으로 하는 넓은 선폭 노란색 빛을 방출하며, 이 색상은 기존의 평면 양자 우물 질화물 기술로 달성하기 어려운 색상이므로 현재 작업의 중요성을 더욱 강조합니다.
실제 데모를 위해 혼합된 자발적 및 자극 광원을 기반으로 하는 상관 색온도(CCT) 조정 실험도 수행했습니다. 투명한 비정질 석영을 사용하여 백색광 생성을 위한 레이저 다이오드의 빛을 직접 전달할 수 있습니다. 석영에서 나노와이어를 성장시키면 비정질 석영 기술의 확장성으로부터 혜택을 받으면서 그린 갭에서 작동하는 통합 발광체를 실현할 수 있는 새로운 가능성과 기회가 열립니다. 평면 III족 질화물 LED와 비교할 때 기술 초기에도 불구하고 나노와이어 성장을 위한 질화 티타늄의 고유한 특성은 투명 기판에 발광체를 매끄럽게 통합하는 데 가장 중요합니다.
석영 나노와이어 샘플은 Veeco GEN 930 PA-MBE 시스템을 사용하여 질소가 풍부한 조건에서 촉매 없이 성장했습니다. 상업용 이중 광택 비정질 석영 기판(두께 ~ 500 μ m) 먼저 아세톤과 이소프로필 알코올 린스를 사용하여 세척하고 질소 취입 건조를 사용하여 건조합니다. 성장 전에 반투명 전도성 중간층으로 작용하기 위해 전자빔 증발을 사용하여 20nm 두께의 Ti 층이 증착되었습니다. Ti 증착 후, 아세톤과 이소프로필 알코올을 사용한 또 다른 용제 세척이 수행됩니다. 기판 표면에서 수분과 오염 물질을 제거하기 위해 2회의 가스 제거가 수행되었습니다. 성장 챔버에 로딩한 후 기판 표면은 Ga 셔터를 열기 전에 Ti를 TiN으로 부분적으로 변환하기 위해 질소 플라즈마에 노출됩니다. 질소는 질화 과정과 성장 과정 동안 1sccm 유량과 350W RF 전력으로 유지되었습니다. n형 GaN:Si 나노와이어 베이스 성장의 경우 Ga 빔 등가 압력(BEP)은 6.5 × 10 -8 입니다. Si 셀 온도가 1165°C로 유지되는 동안 Torr. 우리는 나노와이어의 밀도를 조절하면서 고품질 GaN을 얻기 위해 2단계 성장법을 활용했다. GaN 나노와이어 핵형성 층은 620 °C의 기판 온도에서 10분 동안 증착된 후 승온(770 °C)에서 GaN 나노와이어 성장이 이어졌습니다. n-GaN 성장 후 5쌍의 InGaN 양자 디스크와 GaN 양자 장벽으로 구성된 활성 영역이 증착되었습니다. BEP에서 5 × 10 −8 Torr 및 Ga는 3 × 10 −8 입니다. 양자 디스크 성장을 위한 Torr. p-형 GaN:Mg 섹션은 최종 GaN 양자 장벽 이후에 성장되었습니다. Mg 셀은 p-GaN 성장 동안 310°C로 유지되었습니다.
석영에서 성장한 나노와이어의 광발광(PL) 특성은 온도 의존 μ를 사용하여 측정되었습니다. - 여기 소스로 325nm HeCd 레이저 및 × 15 UV 대물 렌즈를 사용하여 PL 측정. 레이저의 출력 전력은 ~ 3.74mW입니다. 빔 스폿 크기는 ~ 1.24 μ입니다. ~ 310kW/cm 2 의 상응하는 여기 전력 밀도를 제공하는 m . 샘플은 저온 유지 셀(Linkam, THMS 6000)을 사용하여 액체 질소 온도로 냉각되었습니다. 그런 다음 온도를 77에서 300K로 조정합니다. Shimadzu UV-3600 UV-vis-NIR 분광광도계를 사용하여 샘플 투명도를 측정했습니다. 기준으로 공기를 사용하여 보정을 수행했습니다. SEM 이미지는 FEI quanta 600을 사용하여 촬영되었습니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 및 고해상도 고각 환상 암시야 STEM(HAADF-STEM) 특성화는 Titan 80-300 ST 투과 전자 현미경(FEI)을 사용하여 수행되었습니다. 회사) 300kV의 가속 전압에서 작동합니다. 원소 조성 지도는 EDAX Company의 EDS(Energy Dispersive X-ray spectroscopy)를 통해 얻었습니다.
장치 제작은 다음과 같습니다. 먼저, 성장한 나노와이어 샘플을 아세톤과 이소프로필 알코올을 사용한 표준 용매 세척을 통해 세척한 다음 질소 블로우 건조를 수행합니다. 다음으로 ~ 2 μ m의 파릴렌 C는 열 증발을 통해 증착됩니다. 산소 플라즈마 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용한 에치백 공정을 수행하여 p형 나노와이어 팁을 노출시킨다. 그 후, 전자빔 증발을 사용하여 5nm의 Ni를 증착한 다음 투명 전류 확산 층으로 RF 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 230nm의 ITO(인듐 주석 산화물)를 증착합니다. Ni/ITO 투명 전류 확산 층의 전기적 특성을 개선하기 위해 Ar 환경에서 500°C에서 어닐링이 수행됩니다. ICP(유도 결합 플라즈마) RIE 에칭은 장치 메사를 정의하기 위해 Cl 및 Ar 기반 이온을 사용하여 수행됩니다. 마지막으로 Ni/Au 접촉 패드는 전자빔 증발 후 리프트오프를 통해 증착됩니다. L-I-V 특성화는 Keithley 2400 전력계를 사용하여 수행되었습니다. 열 측정 및 이미징은 상업용 Optotherm 마이크로 방사 측정 열화상 현미경을 사용하여 수행되었습니다. 실제 온도를 측정하기 전에 서로 다른 재료 구성 요소로 인해 발생하는 서로 다른 표면 방사율 값을 고려하기 위해 이미지의 각 픽셀에 대해 2D 방사율 매핑 테이블이 구성됩니다. 이것은 가열 단계를 사용하여 장치를 60°C로 가열하고 시스템에서 제공하는 Thermalyze 열화상 분석 소프트웨어를 사용하여 테이블을 구성하여 수행됩니다. 테이블이 구성된 후 가열 단계가 꺼지고 전류 종속 측정이 수행됩니다.
나노와이어 구조는 ~ 90nm n-GaN, ~ 7nm 두께의 InGaN 양자 디스크 및 ~ 14nm 두께 장벽의 5쌍, ~ 60nm p-GaN으로 구성됩니다. 그림 1a는 고밀도 나노와이어의 평면도 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다. 나노와이어는 ~ 100 nm의 전형적인 측면 크기와 ~ 250 nm의 길이를 갖는다. 나노와이어의 밀도는 통계적으로 ~ 9 × 10 9 로 계산됩니다. cm −2 , 채우기 비율이 78%입니다. 여러 나노와이어 사이에 어느 정도의 유착이 관찰될 수 있지만 대부분의 나노와이어는 분리된 것처럼 보입니다. 성장 조건은 초기 GaN 시드 핵 생성과 나노와이어 성장을 분리하는 2단계 성장 방법을 사용하여 최적화되었습니다[26]. 이 방법을 사용하여 우리는 나노와이어 간의 유착을 최소화하면서 최대 나노와이어 밀도로 고품질 나노와이어를 성장시킬 수 있었는데, 이는 유착 부위의 비방사성 결함으로 인해 장치 성능에 악영향을 미칩니다[27].
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아 석영에서 성장한 상태 그대로의 InGaN/GaN 나노와이어의 평면도 SEM. ㄴ 나노와이어의 결정성을 보여주는 p-GaN 영역의 명시야 TEM의 고배율 사진. 삽입된 그림은 나노와이어에서 가져온 선택적 영역 전자 회절 패턴을 보여줍니다. ㄷ 단일 나노와이어 및 d의 HAADF 이미지 Ga, e에 해당하는 EDX 지도 Ti 및 f 복합 원소 매핑. 스케일 바는 25 nm에 해당합니다. 지 나노와이어 베이스, 중간층 및 기판 사이의 인터페이스의 고배율 보기. 빨간색 화살표는 요소 매핑의 방향을 나타냅니다. 아 재료 계면 전반에 걸친 원소 조성의 변화를 보여주는 해당 EDX 및 EELS 결과. EDX 결과는 노이즈를 제거하기 위해 매끄럽게 처리됩니다.
나노와이어의 고해상도 명시야 투과 전자현미경(TEM) 이미지는 그림 1b에 나와 있으며, 삽입된 해당 선택적 영역 회절 패턴은 그림 1b에 나와 있습니다. 회절 패턴은 격자 불일치 기판에서 성장하는 고품질 GaN 재료를 보여주는 나노와이어의 결정도를 나타냅니다. 단일 나노와이어의 고각 환상 암시야(HAADF) 이미지와 해당 요소 매핑이 그림 1c–f에 나와 있습니다. HAADF 이미지는 나노와이어에서 더 밝은 점으로 표시된 활성 영역으로 5개의 InGaN 양자 디스크(qdisk) 삽입을 보여줍니다. 나노와이어의 기저부에서 파편과 같은 층이 보일 수 있다. 이 층은 그림자 효과로 인해 나노와이어로 성장하지 않는 초기 GaN 나노와이어 시드의 잔해이다. 원소 매핑은 나노와이어가 석영 기판 바로 위가 아니라 Ti 중간층 위에서 자라는 것을 보여줍니다.
나노와이어, 중간층 및 석영 기판 사이의 인터페이스에 대한 TEM 요소 매핑도 그림 1g-h에 표시되어 인터페이스 구성을 더 잘 이해할 수 있습니다. Ga, Ti 및 Si에 대한 원소 매핑은 EDX(Energy-Dispersive X-ray analysis)를 사용하여 수행되었으며 O 및 N에 대한 원소 매핑은 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 사용하여 수행되었습니다. 계면에서 수행된 원소 매핑은 중간층 상단에 Ti와 N이 동시에 존재하는 것으로 표시된 것처럼 MBE 챔버 내부 성장 동안 Ti 층의 상단 부분이 부분적으로 TiN으로 변환되었음을 확인합니다. TiN 층은 ~ 10 nm 두께로 추정됩니다. 그러면 GaN 시드 핵형성 및 나노와이어 성장이 TiN 층 위에서 발생합니다. EELS 결과는 TiN/Ti 층에 걸쳐 산소 신호의 존재를 보여줍니다. 이것은 천연 TiO2의 자발적인 형성으로 인해 발생합니다. TEM 샘플로 필름은 준비 후 공기에 노출됩니다[28]. TiN의 직접적인 핵형성은 TiN이 투명도와 전도도를 동시에 나타낼 수 있는 동시에 [29] 그 위에 성장한 GaN의 품질을 개선하고 [30] 더 긴 파장에서 반사체 역할을 할 수 있기 때문에 장치 설계에 유리합니다. [31].
석영에서 성장한 나노와이어의 광학적 특성은 μ - HeCd 레이저에서 325nm 여기로 PL 설정. 실온에서 μ -PL 스펙트럼은 넓은 피크를 보여줍니다. 넓은 선폭은 개별 나노와이어 사이에 고유한 구조적 및 조성적 불균일성 때문에 III-질화물 나노와이어 사이에서 공통적인 특징이다[32]. 온도 의존 μ - 그림 2a의 PL은 77~300K, μ -PL 스펙트럼은 적색 편이되고 온도가 증가함에 따라 넓어집니다. 다양한 측정 온도에 대한 피크 파장과 FWHM이 그림 2b에 나와 있습니다. 적색 편이는 Varshni 효과와 관련된 온도 의존적 밴드갭 수축으로 인한 것이고, 온도 증가에 따른 피크 확장은 엑시톤과 음향 포논의 결합으로 인한 것입니다[33]. 온도가 증가함에 따라 관찰되는 피크 강도의 감소는 상승된 온도에서 비방사성 재결합 중심의 활성화로 인한 비방사성 재결합의 증가와 캐리어가 양자 디스크를 탈출하여 비방사성으로 재결합할 수 있는 충분한 열 에너지를 획득하기 때문에 발생합니다. 전력 종속 μ의 결과 - 300K에서의 PL 실험(그림 2c)은 여기 전력이 증가함에 따라 스펙트럼이 무시할 수 있는 청색 이동을 나타냄을 보여줍니다. 청색 이동이 없는 것은 나노와이어 구조의 방사형 변형 이완으로 인한 양자 디스크 내 압전장의 감소 및 양자 구속 스타크 효과(QCSE)에 기인할 수 있습니다[34].
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아 77 ~ 300K의 온도에 따른 PL 측정 결과. b 온도 의존적 PL 측정을 위한 피크 파장 및 FWHM의 변화. ㄷ 전력 의존 μ - 77K에서 수행된 PL 측정, 감소된 양자 구속 스타크 효과를 나타냄
비정질 석영 샘플에서 성장된 나노와이어의 투명소자 적용 가능성을 검증하기 위해 20nm의 Ti로 코팅된 석영 기판과 부분 질화 처리된 Ti로 코팅된 석영 기판과 그대로 성장한 나노와이어의 투과율을 비교했습니다. 석영 샘플에. 베어 석영 기판 자체는 가시 파장 스펙트럼에 걸쳐 ~ 93%의 투과율을 가지고 있습니다. 측정 결과는 그림 3a에 나와 있습니다. 20nm의 Ti로 코팅된 베어 석영 기판의 경우(그림 3b) 투과율은 ~ 22%에 불과합니다. 질화 후(그림 3c), TEM 결과에서 확인된 바와 같이 TiN 층의 형성으로 인해 투과율이 20% 이상 상당히 증가합니다. 나노와이어 성장 후(그림 3d), InGaN 양자 디스크 활성 영역의 광 흡수로 인해 투과율이 부분적으로 감소합니다[35]. GaN 방출 파장보다 짧은 파장의 경우 GaN 나노와이어 자체가 투과된 빛을 흡수하므로 투과율은 0에 접근합니다. 20nm Ti로 코팅된 석영 기판, TiN/Ti 층이 있는 석영 기판, 석영 위에 성장한 나노와이어 및 제작된 장치의 광학 사진은 비교를 위해 그림 3b–e에 나와 있습니다.
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아 베어 석영, 20 nm의 Ti로 코팅된 석영 기판, TiN/Ti 층으로 코팅된 석영 기판, 석영에 성장한 나노와이어 샘플에 대한 투과율 측정 결과. ㄴ 20nm Ti로 코팅된 석영의 광학 사진; ㄷ 부분 질화 처리된 Ti로 코팅된 석영; d 그대로의 나노와이어 샘플; 및 e 석영에 제작된 LED 장치
석영에서 성장한 나노와이어를 LED에 통합했습니다. 제작 단계는 그림 4에 나와 있습니다. 자세한 제작 단계는 "방법" 섹션에 설명되어 있습니다.
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석영 LED의 나노와이어 제작 단계
그림 5a에 표시된 LED 구조는 Ni/Au 접촉 패드, Ni/ITO 투명 전류 확산 층, 유전체 충전 재료(파릴렌 C) 내부에 5개의 InGaN 양자 디스크가 내장된 GaN 나노와이어 및 바닥 TiN으로 구성됩니다. /Ti 중간층. 하단 TiN/Ti 중간층은 반투명 접촉층 역할을 합니다.
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아 제작된 LED 소자의 개략도. ㄴ 순방향 바이어스 하에서 석영 LED의 나노와이어의 광학 사진. ㄷ 엘 -나 -V LED의 특성. d 다양한 주입 전류에서 LED의 전자발광 스펙트럼. 이 순방향 바이어스가 증가함에 따른 LED의 FWHM 및 피크 파장 위치의 변화. 에 전류 크라우딩 및 접합 가열로 인해 더 높은 주입 전류에서 효율 저하를 나타내는 LED의 상대적 외부 양자 효율
그림 5는 500 μ 나 ×500 μ 나 -크기의 나노와이어-온-쿼츠 장치. V 선형 영역의 선형 외삽에 의한 턴온 전압 -나 곡선은 ~ 2.6V로 결정되었습니다. 턴온 저항(~ 300 Ω ) 절연 TiO2의 자발적인 형성과 함께 얇은 TiN/Ti 층의 제한된 전도성 때문에 주로 실리콘 및 금속 플랫폼에서 제작된 나노와이어 기반 LED 장치보다 높습니다. 레이어 [36]. 장치 투명도가 중요하지 않은 경우 성장 전에 더 두꺼운 Ti 중간층을 증착하여 턴온 저항을 개선할 수 있습니다. L 결과에 나타난 광출력 -나 장치 평면에 수직으로 방출된 빛만 수집되기 때문에 측정값이 상대적으로 낮습니다. 그림 5b의 장치에서 방출되는 빛은 장치에서 방출된 빛의 일부가 주변 석영 기판 영역과 결합하고 기판 평면에 수직으로 부분적으로 후방 산란되어 광 추출 효율이 낮다는 것을 보여줍니다. 그러나 이 결과는 또한 석영 기판 내부의 광자의 결합 및 안내를 신중하게 엔지니어링함으로써 유리 플랫폼의 전광학 회로의 기초로 nanowire-on-quartz LED를 사용할 가능성을 강조합니다.
도 5d, e의 전자발광(EL) 측정 결과는 120nm 이상의 넓은 방출 선폭을 보여줍니다. 전계발광 피크는 실온 μ과 잘 일치합니다. -PL 측정. 대략 턴온 시 낮은 주입 전류 밀도에서 LED는 적색 파장 근처에서 광범위한 스펙트럼 방출을 나타냅니다. 주입 전류가 증가함에 따라 스펙트럼은 650nm에서 590nm로 파란색으로 이동하여 적색-황색-황색 영역에서 온칩 튜닝을 실현합니다. 피크 파장의 청색 편이는 높은 주입 전류에서 전자가 더 높은 에너지 상태를 채우고 재결합하기 시작하여 더 짧은 피크 파장에서 방출을 일으키는 점진적인 대역 채우기 효과와 관련이 있습니다. 더 높은 주입 전류에서는 접합 온도의 증가로 인한 청색 이동과 적색 이동 간의 경쟁으로 인해 피크 파장의 청색 이동이 포화됩니다. Quantum-disk-in-nanowire 구조를 사용하여 스트레인 릴리프를 통해 편광 필드를 줄임으로써 평면 양자 우물 기반 장치로 달성하기 어려운 노란색 LED 장치를 구현할 수 있습니다.
그림 5f에 표시된 상대 외부 양자 효율(EQE) 계산은 양자 효율이 감소하기 시작하기 전에 ~ 20mA에서 포화됨을 보여줍니다. 이러한 효율 감소는 석영의 낮은 열확산율로 인한 제한된 전류 확산과 접합 가열 효과의 조합으로 인해 발생하며, 결과적으로 장치 내에서 열 축적 및 효율 롤오버가 발생합니다[37]. 장치 내의 접합 가열을 조사하기 위해 OptoTherm 적외선 카메라를 사용하여 전기 주입 하에서 장치 온도를 직접 관찰했습니다. 우리는 그림 6a의 삽입에서 숫자 2와 3으로 표시된 두 개의 다른 픽셀에서 온도 측정을 수행했습니다. 그러나 그림 6a의 경우 2번 지점의 측정 데이터만 표시됩니다. 35mA의 전류 주입에서 디바이스 온도는 이미 60°C를 초과하며, 이는 실리콘 및 금속 위에 성장한 디바이스에 비해 눈에 띄게 높습니다. 그림 6b–d는 5, 10, 20, 30mA에서 기기 주변의 열 분포를 보여줍니다. 더 높은 주입 전류에서는 열이 효율적으로 발산되지 않고 대신 장치 주변 영역에 축적됨을 알 수 있습니다. 이 개념 증명 시연을 넘어 현재 플랫폼과 호환되는 효율적인 포논 전송 매체의 추가 세부 설계가 필요합니다.
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OptoTherm 적외선 카메라를 사용한 장치 온도 측정. 아 주입 전류 증가에 따른 장치 온도 변화. 삽입은 제로 바이어스 및 조정된 색상 막대에서 장치 구조의 적외선 이미지를 보여줍니다. 측정 지점은 숫자 2와 보라색 십자가로 표시됩니다. b의 주입 전류에서 장치 및 주변 영역의 온도에 해당하는 적외선 이미지 5, ㄷ 10, d 20 및 e 30mA 결과는 열이 장치 주변 영역에 집중되었음을 나타냅니다.
CCT 조정 가능한 고품질 백색 광원은 전자 디스플레이의 청색광 성분이 멜라토닌 억제를 유도하여 인간의 일주기 리듬을 효과적으로 방해하는 것으로 나타났기 때문에 가전 제품에서 중요한 역할을 합니다[38, 39]. 장치의 광범위하게 조정 가능한 스펙트럼 특성을 활용하여 전송 구성에서 광범위하게 CCT 조정 가능한 백색광 생성의 실제 적용을 시연했습니다. 우리는 2차 광원으로 적색, 녹색 및 청색(RGB) 레이저 다이오드(LD)를 사용하여 광범위하게 조정 가능한 능동 소자로 나노와이어 온 쿼츠 LED를 사용했습니다. 백색광을 생성하기 위해 나노와이어 기반 황색 광원을 사용하는 것의 한 가지 이점은 고유한 넓은 방출이며, 이는 높은 연색 지수(CRI) 값으로 이어집니다. 노란색 LED를 레이저와 함께 활용함으로써 우리는 CCT로 조정할 수 있는 폭넓은 백색광을 설계할 수 있었습니다. 색상 혼합 설정의 배열은 다음과 같습니다.
먼저 RGB LD의 출력은 Thorlabs 3채널 파장 결합기를 사용하여 결합되고 시준 렌즈를 사용하여 시준됩니다. 다음으로, 시준된 빔은 45° 거울을 사용하여 nanowire-on-quartz LED의 후면에 반사된 다음 LED의 상단을 통과합니다. 마지막으로, 검출기는 나노와이어-온-쿼츠 LED 바로 위에 위치하여 생성된 혼합 색상 광을 수집합니다. 장치의 개략도는 그림 7a에 나와 있습니다. GL Spectis 5.0 터치 분광계를 사용하여 CIE(International Commission on Illumination) 1931 표준을 기반으로 CRI 및 CCT 값을 처리했습니다.
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색 혼합 실험. 아 적색, 녹색 및 청색 LD와 황색 나노와이어온-석영 장치를 나타내는 색상 혼합 실험 설정. 삽입은 레이저 조명 하에서 LED의 광학 사진을 보여줍니다. ㄴ 다양한 LED 주입 전류에 따른 CCT 및 CRI의 변화. ㄷ 다양한 LD 주입 전류에 따른 CCT 및 CRI의 변화. d를 사용한 색상 혼합 설정에 대한 파장 스펙트럼 및 CIE 1931 맵 노란색 nanowire-on-quartz LED 및 e가 있는 파란색 LD 노란색 nanowire-on-quartz LED가 있는 RGB LD
첫 번째 실험에서 파란색 LD의 빔은 노란색 LED의 노란색 빛과 결합되었습니다. 가능한 가장 높은 CRI 값을 얻기 위해 LD와 LED의 바이어스 전류를 초기에 변경하여 CCT 값이 6769K인 74.5의 CRI 값을 생성했습니다. 이 값은 파란색 LD/YAG를 사용한 이전 결과보다 훨씬 높습니다. Ce 3+ 백색광 생성용 형광체[40]. 색상 조정 가능성을 입증하기 위해 가장 높은 CRI를 생성하는 바이어스 값부터 시작하여 LED 또는 LD 바이어스를 변경했습니다. 그림 7b, c는 CRI 및 CCT 값에 대한 바이어스 전류 조정 효과를 보여줍니다. CRI 값을 55 이상으로 유지하면서 색온도를 2800K에서 7000K 이상으로 조정할 수 있었습니다. 그림 7d는 달성된 가장 높은 CRI의 스펙트럼을 보여줍니다. 삽입은 바이어스 전류를 변경하여 CIE 1931 좌표의 변화를 보여줍니다. . 노란색 LED와 함께 RGB LD를 사용하여 CRI 값을 더욱 개선했습니다. 노란색 LED 스펙트럼 구성 요소 없이 RGB LD만 사용하는 경우 CRI 값 55.4를 얻었습니다. 노란색 스펙트럼 구성 요소를 통합하여 CCT 값이 7300K이고 CRI 값이 85.1인 고품질 백색광을 얻을 수 있었으며(그림 7e), 이는 훨씬 더 높습니다.
레이저 다이오드 시스템과 함께 nanowire-on-quartz LED를 활용하여 형광체 열화 문제를 피하면서 광범위하게 CCT 조정 가능한 백색 광원을 설계할 수 있습니다[41]. 각 파장의 분광 특성을 개별적으로 제어하여 백색광 특성의 미세 조정이 가능합니다. 또한, 레이저 다이오드 기반 백색광 생성은 더 높은 효율과 잠재적인 비용 이점으로 인해 LED 기반에 비해 더 유리합니다[42].
결론적으로, 우리는 TiN/Ti 중간층을 사용하여 비정질 석영 기판에 직접 InGaN/GaN 나노와이어의 성장을 시연했으며 nanowire-on-quartz 플랫폼을 기반으로 LED를 제작했습니다. 나노와이어 기반 구조를 활용하여 우리는 비정질 석영 위에 고결정성 III-질화물 물질을 성장시킬 수 있었습니다. nanowire-on-quartz LED는 확장 가능하고 경제적인 기판을 기반으로 한 LED 광원의 구현을 가능하게 합니다. 제작된 LED는 120nm 이상의 FWHM으로 황-황-적색(피크 파장 590~650nm)을 포함하는 피크 파장에서 빛을 방출합니다. 장치의 광범위하게 조정 가능한 스펙트럼 특성을 활용하여 전송 구성에서 3000K에서> 7000K까지 광범위하게 조정 가능한 백색광의 실제 생성을 시연했습니다.
나노물질
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