表面等离激元共振技术提高AlGaN基紫外LED发光效率研究

AlGaN based UV-LED has attracted much attention due to the potential applications in white light stimulation, biochemical detection, and so on. However, low efficiency is the bottleneck for UV-LED. In this project, for the first time, we improve the efficiency of AlGaN based UV-LED by surface plasmon resonance (SPR) technology. First, through fundamental study, design metal/dielectric nano-material system that can enhance the light emission with wavelength ranging from ultraviolet to deep ultraviolet, reveal the physical coupling mechanism between nano-material systems and AlGaN based quantum wells, and get the fabrication process window for nano-material systems. Second, improve the efficiency of UV-LED with wavelength below 290 nm to above 2.5 mW by SPR technology through the design of fabrication process for the first time. Third, study the other properties of UV LED adopting SPR technology (reliability and efficiency droop) for the first time, to evaluate prospect of this technology in the field of AlGaN based UV-LED.

AlGaN基紫外LED因在激发白光、生化探测等领域的巨大应用前景而备受关注。但是，普遍较低的发光效率是紫外LED研究的瓶颈问题。本项目拟首次通过金属等离激元共振技术提高AlGaN基紫外LED的发光效率：第一，通过首次针对AlGaN材料体系紫外波段金属表面等离激元技术的基础问题开展系统研究，设计可有效增强紫外至深紫外波段紫外发光的金属/介质纳米材料系统，揭示此系统与AlGaN量子阱的物理耦合机制，并得到此系统的工艺制备窗口；第二，首次通过对倒装结构和垂直结构LED器件集成工艺进行设计，将金属/介质纳米材料系统集成到LED器件中，将波长为290nm以下的紫外LED的光功率提高到2.5毫瓦以上；第三，首次对采用表面等离激元共振技术的紫外LED的其它性质（可靠性、大电流注入下效率下降效应等）开展研究，全面评价这种技术在AlGaN基紫外LED器件的应用前景。

AlGaN 基紫外LED 因在激发白光、生化探测等领域的巨大应用前景而备受关注。但是，普遍较低的发光效率是紫外LED 研究的瓶颈问题。本项目执行期间的研究内容包括深紫外LED器件工艺的优化、纳米图形衬底上紫外LED的制备、纳米柱紫外LED、等离激元在紫外LED上的应用、面向医疗和杀菌等应用的深紫外LED光源模块、紫外LED相关的市场应用等方面开展了系统深入的研究，并取得了如下几个方面的研究进展：重点通过版图的设计，优化了芯片的形状，从而改善器件的电流分布；同时通过金属电极材料和退火条件等工艺参数，优化了电极接触特性，实现了电极良好的欧姆接触特性；通过纳米图形衬底上外延紫外LED器件，研制在20mA电流下发光波长293nm，输出功率超过3mW的紫外LED器件；通过优化纳米柱紫外LED工艺条件，金属电极材料和退火条件等工艺参数，成功制备了紫外纳米柱LED；针对紫外LED在杀菌消毒领域的应用，我们进行了紫外LED模块的开发，研制出功率4mW的紫外LED模块；同时通过优化外延材料结构和质量，在我们优化的器件工艺条件基础上研制出国内首支最短波长（265nm）的深紫外LED器件；总之以上的这些所有的研究都为更系统的研究等离激元在增强紫外LED发光上的应用奠定了基础。之后我们进行了等离激元的相关研究，找到了适合紫外LED等离激元用的金属体系，同时进行了侧壁等离激元的相关研究，虽然效果不是太明显，但是仍有很大的提升空间。此外，通过刻蚀的方法进行等离激元在紫外LED上的应用研究；通过版图设计，进行二次外延p-GaN从而进行等离激元在紫外LED上的应用研究；同时进行了侧壁等离激元的相关研究及二次外延等离激元的研究。通过对以上部分的系统研究，发表6篇SCI论文（Applied Physics Letters等），1篇国际会议论文（韩国2014CCMR）。申请专利15项。