GaN基Micro-LED（μLED）具有高亮度、響應(yīng)速度快、低功耗等優(yōu)點，在顯示技術(shù)、光通信等各個領(lǐng)域都有應(yīng)用。然而，由于GaN的高折射率，在有源區(qū)產(chǎn)生的光子可能在出射界面發(fā)生全內(nèi)反射，限制了光提取效率（LEE）。此外，GaN自發(fā)極化和GaN/InGaN晶格失配引起的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）也限制了GaN器件的發(fā)光效率。在μLED中，側(cè)壁面積比例比大尺寸的LED更大，側(cè)壁缺陷對μLED的性能有更嚴重的影響。這阻礙了μLED的LEE，隨著μLED的尺寸減小，這一影響將更加明顯。μLED的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計是提高其發(fā)光效率的關(guān)鍵。此外，納米材料的引入具有增強μLED的光發(fā)射的潛力。由金屬納米材料引入的局域表面等離子體共振（LSPR）已多次被證明可以有效提升μLED發(fā)光效率。
近日，北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)教育部重點實驗室郭偉玲教授和閩都創(chuàng)新實驗室、福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院孫捷教授在國際知名期刊《Applied Physics Letters》上聯(lián)合發(fā)表題目為“Localized surface plasmon-enhanced nanorod micro-LEDs with Ag nanoparticles embedded in insulating and planarizing spin-on glass”的論文，第一作者為北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)教育部重點實驗室博士研究生方奧琪。該論文闡述了在Micro-LED的發(fā)光臺面上刻蝕納米柱（NR）陣列，并將混合有銀納米顆粒（AgNPs）的旋涂玻璃（SOG）填充到納米柱縫隙中。納米柱結(jié)構(gòu)可以使AgNPs與有源區(qū)直接或近距離接觸，從而利用局域表面等離子體共振（LSPR）的機制顯著提升了Micro-LED的發(fā)光效率。其中，SOG既可作為平坦化材料以制備ITO透明電極，又可以作為絕緣材料防止QW-Ag、Ag-Ag之間由于電子隧穿導(dǎo)致的能量損耗，還可以作為GaN和空氣之間的梯度折射率材料，提升納米柱的光提取效率。這篇文章從器件制備、光電性能測試分析以及仿真模擬等多個角度闡述了納米柱、AgNPs以及SOG的結(jié)合對μLED性能的提升效果，將為LSPR在μLEDs中的應(yīng)用開辟更廣泛的前景。
圖1.器件制備流程。(a)外延示意圖；(b)刻蝕外延到達N-GaN層形成發(fā)光臺面；(c)在臺面上排列二氧化硅納米球作為納米柱刻蝕掩膜；(d)刻蝕納米柱；(e)去除納米球，磁控濺射P/N電極；(f)用Ag NPs和SOG的混合物填充納米柱間隙；(g)刻蝕臺面上方的SOG露出納米柱頂部。(h)磁控濺射ITO；(i)刻蝕電極表面的SOG，形成最終的器件結(jié)構(gòu)。
圖2. 掃描電子顯微鏡圖像(a)NR-μLED；(b)臺面；填充AgNPs和SOG（c）前（d）后的納米柱。
圖3. (a)ITO和SOG的透射光譜；直徑為70nm的Ag NPs的(b)透射電子顯微鏡圖像；(c)吸收光譜；(d)QW-LSP耦合原理圖。
圖4. 幾種樣品的光致發(fā)光光譜圖以及時間分辨光致發(fā)光譜。
圖5. (a) NR；(b) NR+Ag NPs；(c) NR+SOG；(d) NR+SOG+Ag NPs的有限元仿真模型以及相對應(yīng)的光提取效率。
圖6. 不同μLED樣品的光電學(xué)特性。（a）I-V特性；（b）在20 mA處的EL光譜；（c）光通量；（d）光輸出功率。
本文用混合有Ag NPs的SOG填充NR-LED的間隙，在納米柱結(jié)構(gòu)的幫助下，Ag NPs作為與QW進行近場耦合的LSP，充分發(fā)揮了LSPR的作用，顯著增強QW中的載流子復(fù)合效率并促進了光子發(fā)射。SOG作為絕緣材料，有效地防止了QW-Ag NP和Ag NP-Ag NP之間由于電子隧穿引起的能量損失。它還起到平坦化材料的作用，以確保ITO透明電極可以連接獨立的納米柱而不會引起短路。此外， SOG作為梯度折射率材料對納米柱光提取的正效應(yīng)。與傳統(tǒng)的平面LED相比，所提出的NR-μLED+SOG+Ag NPs的結(jié)構(gòu)將電致發(fā)光強度提高了50%，光輸出功率和光通量分別提高了36%和41%。這項工作有助于通過Micro LED的結(jié)構(gòu)和納米材料兩個方面提高Micro LED的光學(xué)性能，可以為LSP在LED中的應(yīng)用開辟更廣闊的前景。
團隊介紹郭偉玲，北京工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)實驗室教授、副主任。研究重點是多活性層激光二極管、GaN相關(guān)材料和器件，如：GaN基LED、GaN基Micro-LED、GaN功率器件以及通過化學(xué)氣相沉積法生長的石墨烯及其在LED中的應(yīng)用。作為負責(zé)人承擔(dān)863、國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃多個項目，已在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表了110余篇相關(guān)論文，獲得了20多項專利。先后獲國家級重點新產(chǎn)品獎1項、北京市科技進步一等獎1項，省部級科技進步二等獎3項目。
孫捷，國家級青年人才，閩都創(chuàng)新實驗室、福州大學(xué)平板顯示技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程實驗室教授，北京工業(yè)大學(xué)和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)客座教授。長期從事半導(dǎo)體材料和器件、2D材料和器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，發(fā)表被SCI收錄的論文150余篇，授權(quán)專利12項，承擔(dān)多個國家級、省部級項目。主要研究方向：1、氮化鎵Micro LED及其在下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用；2、新型2D材料的大面積MOCVD生長及其在納電子學(xué)中的應(yīng)用；3、其他半導(dǎo)體材料和器件（電子束光刻研制納米電子器件）。
文章信息Localized surface plasmon-enhanced nanorod micro-LEDs with Ag nanoparticles embedded in insulating and planarizing spin-on glassAoqi Fang; Jixin Liu; Zaifa Du; Penghao Tang; Yiyang Xie; Weiling Guo; Hao Xu; Jie SunAppl. Phys. Lett.?125, 021102 (2024)https://doi.org/10.1063/5.0211870
