AlGaN基UV LED器件的发光偏振调控及光效提升研究

AlGaN based UV LEDs have great potential applications in sterilization and disinfection, water purification and biochemical detection. However, due to the inherent light polarization property of high Al content AlGaN materials, most of output light of UV LEDs is transverse magnetic (TM) mode light, which propagates along the lateral face and results in low light extraction efficiency. To improve the light extraction efficiency, superlattices strain modification technology and surface plasmon (SP)-light coupling technology will be used to modify the polarization of light emitted from AlGaN based UV LEDs. This program will detailedly investigate influence of different superlattices inserting layer on the strain in multiquantum wells, and the modification of polarization of light emitted from multiquantum wells. Meanwhile, physical mechanism of SP-light coupling and the preparation technology of metal nanoparticles will be also investigated and explored. And, to make an effective modification of polarization, the influence of different size, content and profile of metal nanoparticles on the polarization of light will be also investigated. Finally, through superlattices strain modification technology and the SP-light coupling technology, AlGaN based UV LEDs with high light extraction efficiency will be fabricated.

AlGaN基紫外UV LED在杀菌消毒、水净化、生化探测等领域有着重要的应用前景。然而由于高Al组分AlGaN材料特有的发光偏振特性，UV LED出射光很大一部分为侧面出射的横磁(TM)模式光，导致器件表面光提取效率很低。本课题创新性地提出和采用超晶格应力调控技术和表面等离激元(SP)光耦合技术对UV LED发光的偏振性质进行有效调控，实现提高器件表面光提取效率和发光效率目的。深入研究不同结构的超晶格插入层对量子阱有源区应力的影响，以及应力对量子阱发光偏振性质的调控规律。同时研究金属纳米颗粒SP光耦合的物理机制及其制备工艺。探索不同尺寸、成分、形状的金属纳米颗粒SP对UV LED出射光偏振的影响规律。最终，利用超晶格应力调控技术和金属纳米颗粒SP光耦合技术，制备出高发光效率的AlGaN基UV LED器件。

AlGaN基紫外发光二极管（UV LED）在杀菌消毒、水净化、生化探测等领域有着重要的应用前景。然而由于高Al组分AlGaN材料特有的发光偏振特性，对于在c面外延的UV LED，出射光占主导地位的为侧面传播的横磁(TM)模式光，导致器件表面光提取效率很低。本课题创新性地提出和采用超晶格应力调控技术和表面等离激元(SP)光耦合技术对UV LED发光的偏振性质进行有效调控，实现了提高器件表面光提取效率和发光效率。课题首先研究了不同Al组分AlGaN模板层对单一AlGaN薄膜材料发光偏振性质的影响。利用透射谱，透射电镜（TEM），X射线衍射仪（XRD），倒易空间图谱（RSM）和光致发光（PL）测试系统等测试手段表征AlGaN材料的组分，晶体质量，应力状态以及光学偏振度等关键性能指标。实验结果表明，当AlGaN薄膜的应力状态由张应力（1.19%）变为压应力（-0.70%）时，发光偏振度由-0.69提高到-0.24，证明外延片内部的压应力对于增强AlGaN薄膜的TE模式发光有明显的促进作用。在此工作基础上，外延生长了界面陡峭的应变量子阱有源区结构，实现了本质上对UV LED偏振特性的有效调控。将偏振度变化规律结合变温PL测试数据分析，得到在压应变量子阱中获得了最高40%的光子提取效率提升。在此基础上，利用FDTD计算了在不同介质环境中、不同尺寸的Al纳米颗粒对偶极子光源的发光特性影响，研究表明Al纳米颗粒的尺寸介于50-60nm之间对280nm附近的发光有明显的增强。实验采用纳米球自组装的方法，通过调节PS微球溶液的浓度以及活性剂的浓度，获得了大面积尺寸均匀的PS微球阵列，并以此为掩膜版在量子阱上制备了Al NPs/SiO2复合结构，利用SiO2的相对低折射率实现金属纳米颗粒与AlGaN量子阱的有效表面等离激元共振，得到量子阱总的PL强度提高了1.6倍。偏振PL测试显示侧面TE、TM模式的光强度均得到了提高，表明更多大角度的TE模式的光被Al NPs/SiO2复合结构耦合至表面出射，提高了量子阱区域的光提取效率。结合利用应力调控技术和金属纳米颗粒SP 与TM 模式光的耦合原理，研制出了高发光效率的AlGaN 基UV LED 器件。在300mA电流下，UV LED发光峰值波长为281nm，半高宽为10nm，工作电压8V，光功率达到18mW。