具有纳米球3D结构型微纳倾斜侧壁的深紫外LED的研究

Deep-UV LEDs are required for a wide variety of applications such as sterilization, medicine, printing and communication as a compact, high-efficiency and environment-friendly light source. However, the highest external quantum efficiency (EQE) of DUV LEDs reported today is below 12%, which is partially attributed to fact that the transverse magnetic (TM)-polarized light propagates perpendicular to the c-axis especially when the AlGaN has a high Al content. In this proposal, based on the theory of finite-different time-domain (FDTD) simulation, tilted nano-sidewalls with selected-assembled nanosphere 3D structures are adopted to scatter the TM-polarized light through total internal reflection and Fresnel reflection. It can then effectively avoid the light absorption by the metal mirror and the material, resulting in the enhanced light extraction efficiency and improved modulation character for DUV LEDs. Furthermore, compared to the conventional filling and etching processes that are frequently used in the nanorod chip fabrication, the selected-area nanosphere self-assembling can simplify the chip fabrication. The research work supplies an alternative approach to improve the LEE of DUV LEDs, and will further promoted the development and application of DUV LED.

深紫外LED以其无汞、能耗低及体积小等优势，广泛应用于杀菌、医疗，印刷及通信等领域。但是目前AlGaN基深紫外LED报道的最高外量子效率不到12%，效率低的一个主要原因是由于高Al组分有源区发出的是横向传输的TM模极化光，其大部分都在c面逃离锥以外，导致深紫外LED的光提取效率太低。针对AlGaN基深紫外LED的本质发光特性和当今金属反射镜型侧壁散射光提取技术的缺点，本课题以时域有限差分法模拟理论为指导，拟采用选区自组装的纳米球3D结构型微纳倾斜侧壁作为散射机构，使大部分TM模极化光被全内反射和菲涅尔反射进入c面逃离锥，从而避免金属反射镜的吸收和长程传输的材料吸收，提高深紫外LED光提取效率，并改善其调制特性。而且纳米球选区自组装工艺避免了传统纳米柱LED的填充刻蚀过程，简化了芯片制备工艺。此研究为提高深紫外LED光提取效率提供了一条新的研究思路，有望推动深紫外LED进一步的发展和应用。

深紫外LED由于节能环保，设计方便等优势在杀毒消菌，通信，水处理等方面有着巨大的应用前景。尤其是中国加入了《水俣公约》，未来汞灯将被全面替代，因而深紫外LED具有巨大的市场潜力。但是当前深紫外LED的低外量子效率极大的限制了其的应用。深紫外LED外量子效率低的一个主要原因就是光提取效率太低。本项目从深紫外LED的光提取理论出发，研究各种结构提高深紫外LED的效率。重点研究了倾斜侧壁型深紫外LED中反射镜的设计。紫外LED中反射镜起到两方面的作用，一方面是把光反射回到出光面，另一方面是可以散射光，从而改变光的传播路径，提高光提取效率。主要研究内容如下：.1. 研究了多功能的纳米球光刻技术。通过组合纳米球透镜光刻技术和纳米球模板光刻技术，制作出了各种纳米结构，包括纳米环，纳米月亮，纳米组合图形等，进一步丰富了纳米球光刻技术领域。.2. 研究了图形衬底上的LED全反射镜的设计。提出针对平面衬底上的LED的设计原理，即采用四分之一波长厚度的介质具备最高的反射率，不在适合图形衬底结构。图形衬底结构应该采用的介质层厚度要大于一个波长，从而最大化的利用全反射效应提高大角度的反射率。由于大角度的反射光大部分依然会被图形衬底散射进入逃离锥。.3. 提出了倾斜侧壁式的空腔型反射镜提高深紫外LED的光提取效率的新途径。深紫外LED中的TM光提取效率非常低，而倾斜侧壁对TM光具备非常强的散射作用。但常规都是采用金属反射镜做为倾斜侧壁的反射结构，但是其研究发现，其反射特性完全可以通过倾斜侧壁的全内反射进行替代，从而可以避免金属反射镜的金属吸收，进一步的提高倾斜侧壁结构的深紫外LED的光提取效率。.4. 针对深紫外LED中TM光提取效率低的问题，提出一种简单的纳米图形化的方案，即图形化表面的p型接触层，但是下面的pAlGaN的倾斜角度必须尽量小，从而提高对光的散射能力。.以上研究内容，为深紫外LED光提取效率的增加提供了全新的技术路线和理论依据，可以为深紫外LED的技术发展提供参考。