GaN基纳米柱LED中压电光电子学效应及其可视化压力成像的应用

High resolution, high sensitivity and integration of visualized pressure mapping is the key technology in the development areas of electronic skin, human-machine interface, intelligent touch-screen. However, the existing pressure sensors are based on the change of the resistance or capacitance when subjected to stress, the spatial resolution is only in millimeter level and far less than the tactility of human skin. Therefore, the research objective of this project is the piezo-phototronic effect in GaN based nanocolumn LED. Interfacial strain induced polarization can effectively modulate the electro-optical properties of the GaN based nanocolumn LED. The high resolution, high sensitivity of visualized pressure mapping is achieved through the emission intensity of GaN based nanocolumn LED modulated by the local strain owing to the piezo-phototronic effect. The main contents include: The preparation of large area, vertical and orderly GaN based nanocolumn LED and its electro-optical properties; the piezo-phototronic effect in GaN based nanocolumn LED and numerical calculation; the influences of different diameter、spacing in GaN based nanocolumn LED are investigated to optimize the resolution and sensitivity of visualized pressure mapping.The research of this project provides the related theory basis and technology solutions to the Multiphysics coupling (piezoelectric, semiconductor, optical excitation, quantum effects) of piezo-phototronic effect in GaN based nanocolumn LED and the application of visualized pressure mapping.

高分辨、高灵敏、集成化的可视化压力成像传感器是电子皮肤、人机交互界面、智能触屏领域发展的关键技术。目前现有的压力传感器是基于遭受应力时电容或电阻的变化，其空间分辨率在毫米级别，远不及人类的触感皮肤。因此，本项目以压电光电子学效应调制的GaN基纳米柱LED为研究对象，通过外界应力诱导的界面极化电荷来调控GaN基纳米柱LED的光电性质；根据GaN基纳米柱LED电致发光强度随外界应力变化的机理实现高分辨、高灵敏的可视化压力成像。具体内容包括：大面积、垂直、有序GaN基纳米柱LED的制备及其光电性质的研究；压电光电子效应调制GaN基纳米柱LED的光电机理以及理论模拟；GaN基纳米柱LED的直径、间距物理参数对可视化压力传感器的灵敏度、分辨率的影响。本项目的研究为GaN基LED中压电光电子学效应的多物理场耦合(压电、半导体、光激发、量子效应)及其可视化压力成像奠定了相关理论基础和技术方案。

高分辨率触觉/压力传感器对于力/机械刺激（如电子皮肤、生物力学成像、个性化签名）是非常关键的技术。在这里，我们提出了一种基于压电光电子学效应调制的光致发光/电致发光成像的压力传感器阵列。首先采用Langmuir-Blodgett方法将不同直径的氧化硅球或者聚苯乙烯微球单层平铺到GaN LED外延片上。结合ICP-RIE反应离子干法刻蚀和AZ400K（KOH溶液）湿法刻蚀在外延片上实现不同直径的纳米柱LED结构。通过刻蚀温度和刻蚀时间的精确调控实现对干法刻蚀过程中造成的GaN纳米柱表面缺陷有效钝化，并实现恢复干法蚀刻步骤损失的高达80%的光致发光峰值强度，在GaN基纳米柱LED中发现了光致发光强度随KOH刻蚀时间的振荡行为，这将为微/纳显示器的设计和钝化提供依据。 利用XRD倒格空间成像技术和拉曼技术定量分析不同直径InGaN/GaN纳米柱中的应力释放程度。发现最小直径GaN基纳米柱LED（130 nm）的应力弛豫为28%，光致发光在弛豫过程中表现出蓝移发射现象，这是由于III族氮化物中固有压电极化场的减少所致。在此基础研究压电光电子学效应调制的GaN基纳米柱LED的光致发光，它的光致发光强度可以通过小应变（0–4 MPa）进行显著的线性调节。传感器阵列具有极高的高像素密度和非常均匀的发光强度。并研究不同直径GaN基纳米柱LED的PL随外界应力的传感关系，发现直径比较小的GaN基纳米柱LED的PL对外界应力具有更好的敏感性。最后，通过半导体工艺技术制备电致发光的GaN基纳米柱LED阵列器件，并研究压电光电子学效应对其光电特性的影响；发现在一系列外部应变下GaN基纳米柱LED的电致发光强度、外量子效率变强，开启电压变小。这是因为外界应变工程在InGaN/GaN量子阱中促使空穴和电子的波函数更多地重叠，从而导致复合率的增加以及GaN基纳米柱LED的发射效率的增加。这些研究结果证明了通过压电效应对GaN基纳米柱 LED的发光特性能够有效调制。基于GaN基纳米柱LED压力传感器阵列在触觉传感领域取得了一些技术创新，在智能皮肤、生物医学、光学MEMS和触摸技术等领域具有潜在的应用前景。