表面等离激元增强型非极性面AlGaN基深紫外LED器件的基础研究

The present project will develop surface plasmon enhanced non-polar AlGaN-based Deep UV LEDs, aimed to eliminate the negative effects of strong polarization fields on the internal quantum efficiency and of the luminescence polarization on the light extraction efficiency in traditional c-plane AlGaN-based Deep UV LED, and at the same time to take advanges of the coupling effects between surface plasmon (SP) and light emitter in improving the external quantum efficiency of light emitting devices. We will first design device structures of non-polar AlGaN-based DUV LEDs suitable for the effective coupling between the SP and quantum well emission, and complete the the epitaxial growth of the whole structures on the r-plane sapphire substrates by MOCVD growth method. Then nanospheres lithography will be used to prepare uniform metal nanostructures with periodic distribution, deep UV SP resonance frequency and high photon emission efficiency. We will elucidate the SP properties of metal nanostructures, and its coupling effects with deep UV emitting quantum well. Eventually, through optimization of the preparation process of the device, high performance SP enhanced non-polar AlGaN based deep UV LEDs will be fabricated.

为了消除传统c面AlGaN基深紫外LED中强极化电场对内量子效率和发光偏振性对出光效率的致命影响，以及发挥表面等离激元（SP）发光增强效应在提高发光器件效率方面的潜在优势，本项目拟在非极性面AlGaN基深紫外LED的外延生长基础上，利用纳米金属结构的SP与量子阱发光的相互耦合作用来提高深紫外LED的外量子效率。 设计出满足SP耦合发光增强要求而又不会对器件性能有较大损害的非极性面AlGaN基深紫外LED外延结构，并利用MOCVD生长技术在r面蓝宝石衬底上完成外延生长。然后采用纳米球刻蚀技术制备尺寸均匀、周期分布的纳米金属结构，获得SP共振频率在深紫外波段、单一性好且出射光子效率高的纳米金属结构。深入研究纳米金属颗结构SP的物理性质，及其与非极性面AlGaN基深紫外LED量子阱发光的耦合机理。完善器件制备工艺，最终研制出具有一定实用价值的SP增强型非极性面AlGaN基深紫外LED器件。

研究、开发半导体深紫外发光二极管（LED）无论在民用和军用方面都有重大需求。AlGaN材料禁带宽度可通过改变Al元素的掺入量从3.4 eV (GaN )到6.2 eV (AlN)连续可调，实现365 nm到200 nm光谱范围内的发光，是公认的半导体紫外激光器的最佳候选材料。然而目前AlGaN基深紫外LED的外量子效率很低，其主要原因是：①纤锌矿结构的 III 族氮化物在传统[0001]生长方向上（c面氮化物）具有很强的自发极化和压电极化，降低了电子和空穴波函数的重叠率。②衬底和外延层的的晶格常数、热膨胀系数不同，其上生长的外延层晶体质量很差，大量位错贯穿到有源区，构成非辐射复合中心。③ 随着Al 组分的升高，AlGaN材料的出光模式也发生变化，因此器件的光提取效率也很低。针对以上问题，本课题采用非极性面生长AlGaN基深紫外外延结构，避免了极化效应带来的影响。同时在生长a-AlGaN时加入SiNx插入层，通过调节SiNx插入层的生长时间既可以提高a-AlGaN的晶体质量，又可以改善样品的表面形貌。我们采用Raman，偏振PL等手段深入分析了SiNx小岛密度对于后续外延层生长模式和应力状态的影响。另一方面，为了提高AlGaN基深紫外器件的光提取效率，我们研究了采用表面等离激元与半导体材料激子的耦合效应在增强激子的自发辐射复合速率、提高氮化物半导体发光器件性能。实现了局域表面等离激元在紫外深紫外区域的显著增强；借助于纳米球刻蚀技术等微纳制造工艺制备出不同材料、结构、形貌的金属纳米颗粒阵列；优化工艺参数，调控纳米颗粒的尺寸、周期性等与表面等离激元共振特性密切相关的参数；实现所制备的金属纳米颗粒LSP共振频率在近紫外、深紫外到可见光以及多模式共振的调节。通过光学表征手段结合FDTD模拟，深入研究其表面等离激元共振及光场调控特性。我们还探索制备了非极性a面n-ZnO/i-ZnO/p-AlGaN异质结紫外LED器件；详细研究了i型ZnO插入层对器件性能的影响；分析了在反向驱动下异质结紫外LED器件发光机制。同时成功外延c面蓝宝石上外延出了深紫外 LED器件全结构，在350 mA的工作电流下，深紫外LED的峰值波长280 nm，输出功率17 mW。