等离激元结构在提高AlGaInP发光二极管光提取效率中的应用

等离激元结构具有丰富的近场电磁效应，能够有效调制近场下量子系统辐射跃迁和光散射过程。项目针对目前AlGaInP发光二极管还存在光提取效率较低的不足之处，从等离激元纳米结构在AlGaInP四元系统上的可控制备出发，提出从内量子效率和外量子效率两个方面系统研究利用等离激元纳米结构提升器件光提取效率的可能性及其内在物理机制。在研究过程中既注重器件光提取效率的提高也注重器件电传导性质的平衡，以期在器件开发过程中引入等离激元贡献，开发出若干原创性工艺技术和方法，提高现有AlGaInP发光二极管的发光效率，为我国半导体照明产业的发展做出贡献。

等离激元结构在亚波长范围具有独特的光学特征，能够在很小的尺度范围内有效调控光的吸收、散射、传播过程，临近半导体材料的等离激元结构还具有调控电荷产生、分离和复合过程的特性，往往能够有效提高光电转换器件效率。项目针对提高LED器件发光效率的重大需求，利用金属纳米等离激元结构从近场和远场两个角度研究等离激元与半导体的耦合机制和调控方法。取得的代表性研究成果包括：1）探讨了等离激元和半导体的耦合机理和方法：利用等离激元结构提升了间接带隙半导体磷化镓（GaP）的光致发光效率，发现了等离激元与GaP缺陷能级的耦合机制并提高了其光化学反应活性；2）丰富了等离激元结构在光电转换器件中的应用方法：利用原位反应技术制备的Ag等离激元结构将GaInP太阳能电池的量子效率提高了20%，利用三明治型夹层等离激元结构将光电探测器的量子效率提高了200%，利用等离激元和缺陷能级耦合开发了双带光电探测器，利用悬臂梁微结构研究等离激元结构的光热效应；3）自主开发了两种无掩模、无光刻胶的光提取结构的制备方法：利用激光干涉腐蚀法将AlGaInP LED的发光效率提高了70%，利用纳米压痕法将LED的发光效率提高了155%。该两种方法具有普适性，可以应用于大面积的图形结构制备。