GaN基Micro-LED（μLED）具有高亮度、響應速度快、低功耗等優點，在顯示技術、光通信等各個領域都有應用。然而，由于GaN的高折射率，在有源區產生的光子可能在出射界面發生全內反射，限制了光提取效率（LEE）。此外，GaN自發極化和GaN/InGaN晶格失配引起的量子限制斯塔克效應（QCSE）也限制了GaN器件的發光效率。在μLED中，側壁面積比例比大尺寸的LED更大，側壁缺陷對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的特殊結構設計是提高其發光效率的關鍵。此外，納米材料的引入具有增強μLED的光發射的潛力。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發光效率。
近日，北京工業大學光電子技術教育部重點實驗室郭偉玲教授和閩都創新實驗室、福州大學物理與信息工程學院孫捷教授在國際知名期刊《Applied Physics Letters》上聯合發表題目為“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大學光電子技術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。納米柱結構可以使AgNPs與有源區直接或近距離接觸，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的結合對μLED性能的提升效果，將為LSPR在μLEDs中的應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，形成最終的器件結構。
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. 幾種樣品的光致發光光譜圖以及時間分辨光致發光譜。
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的光提取效率。
圖6. 不同μLED樣品的光電學特性。（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，在納米柱結構的幫助下，Ag NPs作為與QW進行近場耦合的LSP，充分發揮了LSPR的作用，顯著增強QW中的載流子復合效率并促進了光子發射。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。與傳統的平面LED相比，所提出的NR-μLED+SOG+Ag NPs的結構將電致發光強度提高了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的結構和納米材料兩個方面提高Micro LED的光學性能，可以為LSP在LED中的應用開辟更廣闊的前景。
團隊介紹郭偉玲，北京工業大學光電技術實驗室教授、副主任。研究重點是多活性層激光二極管、GaN相關材料和器件，如：GaN基LED、GaN基Micro-LED、GaN功率器件以及通過化學氣相沉積法生長的石墨烯及其在LED中的應用。作為負責人承擔863、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃多個項目，已在相關領域發表了110余篇相關論文，獲得了20多項專利。先后獲國家級重點新產品獎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，閩都創新實驗室、福州大學平板顯示技術國家與地方聯合工程實驗室教授，北京工業大學和瑞典查爾姆斯理工大學客座教授。長期從事半導體材料和器件、2D材料和器件的應用基礎研究，發表被SCI收錄的論文150余篇，授權專利12項，承擔多個國家級、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中的應用；2、新型2D材料的大面積MOCVD生長及其在納電子學中的應用；3、其他半導體材料和器件（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
