High-Light Extraction Efficiency by Ⅲ-Nitride Nanowire heterostructures

Abstract

One-dimensional nanowires based on Group III-nitride materials are emerging as one of the most promising structures for various applications such as light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), solar cells, and photocatalysts. However, the fabrication of high concentration indium gallium nitride (InGaN) and long-InGaN structures remains still challenging due to “green gap” in photonics. In this study, we performed simulations for structural modeling of uniform temperature distribution in a nanowire epitaxy, and successfully developed high-concentration InGaN and long-InGaN nanowire heterostructures on silicon (Si) substrate using molecular beam epitaxy (MBE) system. From scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM) results, it was confirmed that the various doped-InGaN nanowire structures have much higher crystal quality compared to conventional nanowire structures. By introducing a new three-step modulated growth technique, the n-/p-InGaN active regions were greatly increased and the optical properties were also dramatically improved due to reduced phase separation. In addition, a multi-band p-InGaN/GaN heterostructure was successfully fabricated with the core–shell nanowire structures, which enable the emission of light in the entire visible spectral range, and protect the InGaN surface from surface recombination. This thesis offers important insight into the modeling and epitaxial growth of InGaN nanowire heterostructures. Nano-LEDs having smaller size and enhanced emission intensity are required to actualize the ultra-high-resolution displays for virtual reality (VR) and augmented reality (AR). The conventional bottom-emitting LEDs are used for large displays , as the electronic circuit configuration leads to low aperture ratio. On the contrast, the top-emitting LEDs are used for small displays because the electronic circuit configuration does not affect the aperture ratio. However, it’s been a challenge and difficult to dissipate heat efficiently from metallic electrode deposited between the LEDs and the substrate. In this study, we performed the light extraction simulation for InGaN/GaN based Al core-shell reflector nanowire heterostructure using three-dimensional finite-difference time-domain (FDTD) method. It was found the optimized diameters of about 200 nm can strongly emit the red, green, blue (RGB) spectral ranges by transmission box around the nanowire. The bottom-emitted lights were amplified about 2-times by Al core-shell reflector nanowire structures compared to conventional nanowire structures. In addition, we performed the heat transfer simulation to demonstrate the heat sink ability of Al core-shell reflector. The results suggest that Al core-shell reflector can be used to good heat sink. |3족 질화물계를 재료를 사용한 1차원 나노와이어 구조는 light-emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), 태양전지 그리고 광촉매에 이용될 소자로 써 각광받고 있다. 하지만 고농도의 indium gallium nitride (InGaN) 과 longInGaN structures 광결정을 제작하는 과정에서 발생하는 “그린 갭”이라는 문 제가 남아있다. 본 연구에서, 우리는 나노와이어 에피택시 성장에서 균일한 온도 분포를 갖는 구조의 모델링을 위한 시뮬레이션을 수행했으며 molecular beam epitaxy (MBE) 시스템을 사용하여 실리콘 (Si) 기판위에 고농도의 InGaN 및 long-InGaN 나노와이어 이종접합구조를 성공적으로 개발했다. 주 사전자현미경 (SEM)과 투과전자현미경에서 (TEM) 이용하여 분석한 결과, 다 양하게 도핑된 InGaN 나노와이어 구조가 기존의 나노와이어 구조에 비해 훨 씬 더 좋은 품질의 결정성을 갖는 것을 확인하였다. 3단계로 나눈 결정성장 기술을 도입하여 상 분리를 막고 확장된 n-/p-InGaN 활성 영역과 좋은 광학 적 특성을 갖는 나노와이어를 성장시켰다. 추가로, core-shell 구조를 적용하 여 산화, 부식 그리고 표면 재결합으로 부터 활성 영역을 보호하고 전체 가시 광 영역의 광 방출이 가능한 다중의 활성 영역을 갖는 multi-band pInGaN/GaN 이종접합구조를 성공적으로 성장시켰다 Virtual Reality(VR), Augmented Reality(AR)과 같은 가상현실 기술에 이용 되는 초고해상도의 차세대 디스플레이를 구현을 위해, LED 소자의 미세화 및 방출강도의 향상이 필요하다. LED는 빛의 방출방식에 따라 배면방출 (bottom-emitting)과 전면방출 (top-emitting) LED 로 나눠진다. 배면방출 LED 는 전극에 의한 개구율 (aperture ratio) 하락으로 인한 화질의 저하라는 심각한 문제점이 있기 때문에 TV 와 같이 개구율의 영향이 적은 대형 디스플 레이에 적용된다. 반면, 소형 디스플레이에 이용되는 전면방출 LED 의 경우, 높은 개구율을 확보할 수 있지만 미소공진효과(micro-cavity effect)를 일으키 기 위한 금속성 전극을 LED 소자와 기판 사이에 증착한다는 점에서 효율적인 열 발산이 어렵다는 한계가 있다. 본 연구에서 우리는 Three-dimensional finite-difference time-domain method (FDTD) 프로그램을 이용하여 InGaN/GaN 기반의 나노와이어에 Aluminum (Al) core-shell 의 적용을 통해 개구율이 확보된 배면방출 시뮬레이션을 수행하였다. Red, Green, Blue (RGB) 의 배면방출에 대해 직경 180 nm 이하의 나노와이어 구조에서 기존의 나노와 이어의 약 2 배 향상된 광추출 효율을 얻을 수 있었다. 또한, 나노와이어의 길이 조절을 통해 단일 나노와이어 LED 에서 효율적인 RGB 방출이 가능한 구조를 찾았다. 추가로 열 전달(heat transfer) 시뮬레이션을 진행하여 Al core-shell 의 좋은 방열 (heat sink) 능력을 확인하였다. 반사, 방열, 전극의 역할을 다중으로 수행하는 Al core-shell 구조의 도입으로 회로구성의 단순화를 통한 개구율을 확보를 통해 초고해상도의 디스플레이를 구현하기 위한 배면방출 LED 소자의 개발을 시사하였다.