TiN/Ti 중간층을 이용한 비정질 석영 위 III-질화물 나노와이어 LED 직접 성장

초록

소비자 전자제품은 투명성, 확장성, 비용 효율성으로 초박형 유리 스크린에 점점 더 의존합니다. 특히 디스플레이 백라이트에는 이제 패널과 직접 통합된 발광 다이오드(LED)가 자주 사용됩니다. 본 연구에서는 비정질 석영 위에 III-질화물 나노와이어 LED의 직접 성장과 제작을 입증했습니다. 시제품은 2.6 V의 낮은 턴온 전압을 보이며 ~590 nm 중심의 황색광을 방출해 질화물 LED의 악명 높은 그린 갭을 해소합니다. TiN/Ti 중간층을 사용해 ~40% 가시광 투과율을 유지하면서 전기 전도성을 확보했습니다. 나노와이어 구조는 기존 평면 양자우물 소자에 비해 응력과 스레딩 전위를 최소화합니다. 마지막으로 나노와이어의 넓고 조정 가능한 방출을 레이저 다이오드와 결합해 높은 CRI의 상관 색온도 백색광을 생성할 수 있음을 보였습니다.

배경

발광 다이오드는 에너지 효율과 휴대성에서 냉음극 형광등을 능가하며 디스플레이 기술의 주역이 되었습니다. 기존 GaN 기반 청색 LED는 일반적으로 사파이어에서 성장하며, 대구경 사파이어 잉곳 추진은 정확한 c-면 방향과 표면 평탄도 유지 같은 제조 과제를 야기했습니다[1, 2]. 게다가 평면 GaN LED는 520 nm 이상 파장에서 양자 효율이 떨어지는 그린 갭 문제를 겪습니다.

유리 위 III-질화물 소재 직접 성장 시도는 기체원 MBE와 스퍼터링을 포함했으나 다결정 박막으로 소자 성능을 저하시켰습니다[3-5]. 삼성의 마이크로마스킹과 선택적 MOCVD 성장은 유리 위 준단결정 GaN 피라미드를 만들었으나 MOCVD 중 인듐 증발로 인듐 혼입이 제한되었습니다[6, 7]. 그래핀 프리버퍼층은 비정질 유리 위 스퍼터링 InGaN 품질을 개선했으나 공정 복잡성을 더했습니다[8]. 이러한 접근법은 질화물 LED를 투명 기판과 통합하기 위한 더 단순하고 확장 가능한 방법의 필요성을 강조합니다.

III-질화물 나노와이어는 질소 풍부 조건에서 촉매 없이 자발적으로 핵생성해 전반적 에피택셜 관계 없이 성장할 수 있어 실리콘, 금속, 실리카 등 다양한 기판에서 성장이 가능합니다[9-25]. 높은 표면적-부피비는 스레딩 전위를 억제하고 활성 영역 응력을 줄여 그린 갭 내 발광에 적합합니다[10-16]. 그러나 유리의 절연 특성은 투명하고 전도적인 전기 주입 소자 제작을 복잡하게 만듭니다.

본 연구에서는 TiN/Ti 중간층을 사용해 비정질 석영 위에 InGaN/GaN 나노와이어를 직접 성장시킨 최초의 사례를 제시합니다. 이 중간층은 투명성과 전도성을 모두 제공합니다. 결과 나노와이어 LED는 황색광(~590 nm)을 방출하며 질화물 광전자공학을 확장 가능한 유리 기판과 통합할 수 있는 가능성을 입증합니다.

실험 방법

소재 성장

시료는 Veeco GEN 930 PA-MBE 시스템에서 질소 풍부 조건으로 성장했습니다. 상업용 양면 연마 석영(≈500 μm 두께)을 아세톤과 이소프로판올로 세척하고 질소로 건조했습니다. 20 nm Ti 층을 전자빔 증착해 반투명 전도성 중간층으로 형성했습니다. 추가 용매 세척과 두 번 아웃개싱 후 성장 챔버에 진입했으며, 질소 플라즈마(1 sccm, 350 W RF)로 Ti를 부분 질화시켜 TiN을 형성한 후 Ga 셔터를 열었습니다. n형 GaN:Si 나노와이어 베이스를 Ga BEP 6.5×10⁻⁸ Torr, Si 셀 온도 1165°C에서 성장했습니다. 2단계 접근법(620°C 10분 핵생성 후 770°C 성장)으로 나노와이어 밀도를 제어했습니다. 5개 InGaN 양자 디스크(5×10⁻⁸ Torr Ga BEP, 5×10⁻⁸ Torr In BEP)와 GaN 배리어를 증착하고, 310°C Mg 셀 온도에서 p형 GaN:Mg 층을 성장시켰습니다.

광학 및 구조 특성 분석

광발광(PL)은 325 nm HeCd 레이저(3.74 mW)와 ×15 UV 대물렌즈로 측정했으며, 여기 밀도 ≈310 kW cm⁻²를 달성했습니다. 시료를 Linkam THMS 6000 크라이오스탯으로 77 K에서 300 K까지 냉각했습니다. 투과율 스펙트럼은 Shimadzu UV-3600 분광광도계로 공기 기준 측정했습니다. SEM 이미지는 FEI Quanta 600으로, HRTEM과 HAADF-STEM은 Titan 80-300(300 kV)으로 촬영했습니다. 원소 맵은 EDS(EDAX)와 EELS로 획득했습니다.

소자 제작 및 특성 분석

세척 후 2 μm 파릴렌 C 층을 열증착으로 증착했습니다. 산소 플라즈마 RIE로 파릴렌을 식각해 p형 팁을 노출시켰습니다. Ni(5 nm)와 ITO(230 nm)를 전자빔 증착과 RF 스퍼터링으로 증착해 투명 전류 확산층을 형성했으며, 500°C Ar 분위기 어닐링으로 전도성을 개선했습니다. Cl/Ar ICP-RIE로 메사를 정의하고 Ni/Au 접점을 전자빔 증착과 리프트오프로 추가했습니다. L-I-V 측정은 Keithley 2400으로 수행했습니다. 적외선 열화상(OptoTherm)은 60°C로 가열해 생성한 맞춤 방사율 맵을 사용했으며, 후속 전류 의존 이미징으로 국소 온도 상승을 측정했습니다.

결과 및 고찰

석영 위 성장 나노와이어의 구조적 및 광학적 특성 분석

나노와이어는 ≈90 nm n-GaN, 5개 7 nm InGaN 디스크, 14 nm 배리어, ≈60 nm p-GaN으로 구성됩니다. 평면도 SEM(Fig. 1a)은 고밀도, ≈100 nm 폭, ≈250 nm 길이 와이어(밀도 9×10⁹ cm⁻², 충진율 78%)를 보여줍니다. 2단계 성장은 핵생성을 최적화하면서 비방사 중심 도입을 유발할 합병을 최소화했습니다.

a 석영 위 성장 InGaN/GaN 나노와이어 평면도 SEM. b p-GaN 영역 명시야 TEM, 삽입도 회절 패턴. c 단일 나노와이어 HAADF 이미지. d-f Ga, Ti, 복합 원소 맵. g-h 계면 매핑 및 Ti/TiN과 석영 경계 EDX/EELS. 스케일 바 = 25 nm.

명시야 TEM(Fig. 1b)은 격자 부정합 기판 위 결정질 GaN 성장을 확인하며, HAADF 이미징(Fig. 1c)은 5개 InGaN 디스크를 밝은 점으로 드러냅니다. 원소 매핑은 나노와이어가 석영이 아닌 TiN 층 위에서 핵생성됨을 보여줍니다. 질화 과정에서 형성된 TiN은 ≈10 nm 두께로 투명성과 전도성을 모두 보존하며, 긴 파장에 대한 반사체 역할도 합니다[31].

μ-PL 스펙트럼(Fig. 2a)은 77 K에서 300 K로 갈수록 적색 편이와 확장이 있는 넓은 피크를 보여주며, 바르시니 밴드갭 수축과 엑시톤-포논 결합과 일치합니다. 전력 의존 μ-PL(Fig. 2c)은 무시할 만한 청색 편이를 보여주며, 나노와이어 형상의 방사형 응력 완화로 압전장과 양자 제한 스타크 효과가 감소했음을 나타냅니다.

a 온도 의존 PL. b 피크 파장과 FWHM 대 온도. c 77 K에서 전력 의존 PL.

투과율 측정(Fig. 3)은 벌거벗은 석영(≈93% 가시광), 20 nm Ti 석영(≈22%), TiN/Ti 중간층(≈43%), 성장된 나노와이어(≈40%)를 비교합니다. TiN 층이 투명성을 복원하며, 활성 영역은 InGaN 디스크 흡수로 투과율을 약간 감소시킵니다. 광학 사진(Fig. 3b-e)은 각 층의 시각적 영향을 보여줍니다.

a 투과율 곡선. b-e 각 시료 광학 이미지.

소자 특성 분석

LED 제작 공정은 Fig. 4에 요약되어 있습니다. 최종 소자 스택(Fig. 5a)은 Ni/Au 접점, Ni/ITO 전류 확산층, 내장 양자 디스크를 가진 나노와이어 앙상블, TiN/Ti 후면 접점으로 구성됩니다.

나노와이어-온-석영 LED 제작 단계.

a 소자 개략도. b 순방향 바이어스 하 광학 현미경 사진. c L-I-V 곡선. d 전류 대비 EL 스펙트럼. e 바이어스에 따른 FWHM과 피크 이동. f 상대 EQE, 20 mA 이상에서 드룹 나타남.

500 μm × 500 μm 소자는 ≈2.6 V(V-I 곡선 선형 외삽)에서 턴온하며 저항 ≈300 Ω를 보입니다. 이는 얇은 TiN/Ti 층의 제한된 전도성과 의도치 않은 TiO₂ 형성으로 실리콘 기반 나노와이어 LED보다 높습니다[36]. 발광은 석영으로 결합되고 부분적으로 후방 산란되어 광 추출 효율은 보통입니다. EL 측정은 120 nm 넓은 선폭을 보이며, 턴온 시 650 nm에서 고전류 시 590 nm로 피크가 이동합니다. 이는 밴드 채움에 의한 청색 편이이며 열 효과가 고주입에서 상쇄합니다. EQE는 20 mA 근처에서 피크를 보인 후 감소하는데, 이는 전류 집중과 석영의 열 방산 불량 때문으로 보입니다.

적외선 열화상(Fig. 6)은 35 mA에서 소자 온도 60°C 초과를 보여주며, 열이 활성 영역 주변에 집중됩니다. 향후 설계에서 효율적인 포논 수송층으로 열적 롤오버를 완화해야 합니다.

a 소자 온도 대 전류. b-e 5, 10, 20, 30 mA에서 적외선 이미지.

색상 혼합 실험

고품질 백색광은 디스플레이와 조명에 필수적입니다. 조정 가능한 황색 나노와이어 LED를 RGB 레이저 다이오드(LD)와 투과 구성으로 결합해 CCT 2800 K에서 >7000 K 범위의 백색광을 생성하면서 CRI 55 이상을 유지했습니다. 황색 LED의 넓은 스펙트럼이 CRI를 향상시킵니다: RGB LD만으로는 CRI 55.4에 그쳤으나 황색 성분 추가로 7300 K에서 85.1로 상승했습니다(Fig. 7e). 설정(Fig. 7a)은 Thorlabs 3채널 결합기, 45° 거울, GL Spectis 5.0 분광기로 CIE 1931 좌표를 추출했습니다.

a 색상 혼합 설정. b LED 바이어스에 따른 CCT와 CRI. c LD 바이어스에 따른 CCT와 CRI. d 청색 LD + 황색 LED 스펙트럼. e RGB LD + 황색 LED 스펙트럼.

결론

TiN/Ti 중간층을 통해 비정질 석영 위에 InGaN/GaN 나노와이어를 직접 성장시키고 이 플랫폼 기반 LED를 제작했습니다. 나노와이어 구조는 유리 기판 위 고결정질 질화물 소재를 가능케 해 황색-호박색-적색 발광(590-650 nm, 120 nm FWHM)을 구현했습니다. 넓고 조정 가능한 스펙트럼을 활용해 투과 구성에서 광범위 백색광원(3000->7000 K)을 달성했으며, 나노와이어-온-석영 LED의 확장 가능하고 투명한 광전자 응용 잠재력을 강조합니다.