В Китае разработан простой и дешёвый способ получения фотонных кристаллов, позволяющих значительно повысить эффективность полупроводниковых светодиодов.

Показатель преломления большинства полупроводниковых светодиодов (LED) чрезвычайно высок, а потому практически во всех случаях свет, генерируемый светодиодом, направляется в среду со значительно более низким индексом рефракции.

Огромная разница между двумя показателями приводит к эффекту обратного отражения, когда излучаемый светодиодом свет спешит обратно в полупроводник, где конвертируется в дополнительное тепло. Эта проблема — низкий коэффициент экстракции света — одна из главных причин неэффективности LED. Обычно больше половины (!) генерируемого светодиодом света отражается обратно при прохождении интерфейсов «LED — защитный слой» и «защитный слой — воздух». Как же быть?

Известно, что эффект обратного отражения может быть существенно снижен за счёт полусферической формы защитного покрытия (купол, в центр которого помещён светодиод) — для достижения перпендикулярности между поверхностью и исходящими лучами и, следовательно, минимизации отражения. Кроме того, коэффициент преломления защитного покрытия должен по максимуму совпадать с индексом рефракции полупроводника, дабы дополнительно снизить обратное отражение.

Фотонные кристаллы, напомним, характеризуются периодическим изменением показателя преломления в разных пространственных направлениях и способны изменять оптические свойства материалов, такие как коэффициент экстракции света, проходящего через интерфейсы между различными веществами.

Рис. 1. Пошаговая схема предложенного китайскими учёными метода формирования фотонных кристаллов на поверхности светодиодов (иллюстрация Applied Physics Letters).

Из-за чрезвычайно большой разницы в показателях преломления (2,5:1) интерфейс между плоским нитридом галлия (GaN) и воздухом характеризуется особенно узким конусом исходящего света ~24˚ (всё остальное практически полностью отражается обратно в полупроводник). Применяемая сегодня литографическая технология создания фотонных кристаллов на поверхности светодиодов не отличается простотой и производительностью.

В своей работе учёные из Института полупроводниковых материалов Китайской академии наук предложили усовершенствованный процесс, основанный на использовании наборов самоорганизующихся на поверхности фоточувствительного слоя полимерных наносфер, играющих роль наноразмерных сферических линз (NLP — фотолитография через наносферические линзы, см. иллюстрацию).

Светодиодные структуры полупроводникового индий-галлий-нитрида (InGaN) были выращены на сапфировой подложке методом MOCVD (осаждение из газовой фазы с использованием в качестве летучих прекурсоров нитридов комплексов металлов с органическими лигандами). Так был получен синий светодиод, состоящий из активного слоя мультиквантовых колодцев нитрида индия-галлия, расположенных между p- и n-барьерными слоями GaN. Вот на поверхности 100-нанометрового слоя p-GaN методом NLP и были сформированы фотонные кристаллы (см. иллюстрацию).

Применённый NLP-метод состоял из нескольких последовательных стадий. Сначала гексагональный плотноупакованный слой полистирольных наносфер был использован в качестве набора линз для селективной обработки подлежащего фоточувствительного слоя УФ-светом. Затем слой наносфер удалили с помощью ультразвука в деионизированной воде.

В результате образовалась маска с периодичностью протравленных «углублений» 700–900 нм (этот параметр определяется размером использованных наносфер) для нанесения кварца (SiO₂) методом ион-пучковой эпитаксии.

Далее маска из фоточувствительного слоя была растворена в ацетоне, а на поверхности диода остались кварцевые нанодиски диаметром около 450 нм, после чего открытое пространство между нанодисками было заполнено дополнительным осаждением 150-нанометрового слоя p-GaN. (Таким образом, весь верхний слой — периодический набор кварцевых дисков диаметром 450 нм, разделённых с периодичностью 700–900 нм p-GaN, — является, по сути, одним большим фотонным кристаллом.)

Для сравнения травлением кварцевых дисков плавиковой кислотой также получили фотонные кристаллы с периодическим чередованием воздуха, кварца и p-GaN. Электрические контакты для проведения оптических тестов выполнялись из прозрачного ITO (анод) и золота (катод).

Дальнейшее исследование показало, что

фотонные кристаллы с сохранёнными кварцевыми дисками обеспечивали значительно большее увеличение коэффициента экстракции света, чем кристаллы со структурой «кварц — воздух — GaN» (слишком много внутренних интерфейсов).

Детальное описание применённого в исследовании метода NLP, а также результаты изучения влияния различных структурных факторов на величину коэффициента экстракции света можно найти в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters.