利用纳米孔（柱）阵列同时提高LED内、外量子效率的研究

LED structures have been widely used in many areas of lighting, traffic, backlight, full-color display and so on because of their many advantages. Therefore, exploring the effect of the surface- and interface-structure as well as the micro- and nano-structure on LED PL efficiency has important theoretical and practical significance. In this project, a nanohole (or nanorod) array structure with a spatial periodicity will be formed from the top surface of the LED toward the n-typed GaN layer by dry etching; The effects of the nanohole (or nanorod) array structures formed by different etching processes (such as FIB, ICP), structural parameters (depth, diameter, density and shape of the nanohole or nanorod) and subsequent treatment processes (annealing, passivation) on the LED PL efficiency are investigated. Particularly notice the effects of nanohole (nanorod) depth parameter on LED PL efficiency when the depth varies from the p-type layer to active region and to n-type layer. Based on the experimental results mentioned above, select the appropriate fabrication process and structural parameter to achieve the enhancements both in the internal quantum efficiency by decreasing the stresses and defects within LED, and in the external quantum efficiency (i.e. enhancing light extraction efficiency) by reducing the internal reflection of the emitted light caused by LED surface, and finally obtain a new technology, new structure and new principle for fabricating the high efficient and stable LED devices.

LED因其诸多优点已经被广泛应用于照明、交通、背光源、全彩显示屏等许多领域。因此，探讨表面界面结构、微纳结构对LED发光效率的影响规律，具有重要的理论价值和现实意义。本项目拟采用干法刻蚀工艺，从InGaN/GaN多量子阱基蓝绿光LED表面自上而下刻蚀、形成具有周期性排列的纳米孔（或柱）阵列结构；研究、分析不同刻蚀工艺（如FIB、ICP）、结构参数（如孔或柱的深度、直径、密度及形状）和后续处理工艺（如退火、钝化）对LED发光效率的影响规律。特别关注将纳米孔（柱）的深度分别扩展至p-GaN层、有源区及n-GaN层时，对LED发光效率的影响规律和作用机制。根据上述实验结果，选取合适的制备工艺和结构参数，来达到既能降低LED的应力和缺陷以提高内量子效率、同时又能有效降低LED表面对出射光的内反射（即增强光的提取效率）以提高外量子效率的目的，从而探索出制备高效稳定LED器件的新工艺、新结构和新原理。

作为新一代绿色光源，InGaN/GaN多量子阱基发光二极管（LED）因其光效高、寿命长、启动快、无频闪、抗震性强、安全可靠（低电压）、有利于环保等诸多优点而被广泛地应用于全彩显示、背光、一般照明灯等领域。然而，由于在蓝宝石衬底与外延层之间、InGaN阱层与GaN垒层之间以及在InN与GaN之间存在着较大的晶格失配或热失配，所以在LED结构中不可避免的存在一些结构缺陷、极化电场和线位错。此外，因为大多数商用LED都具有传统的平面表面结构，所以存在着严重的内反射。上述这些因素严重地制约了LED的发光效率。为了解决上述困难、进一步挖掘LED冷光源光效高的潜力，本研究项目首先制备了具有相分离的蓝绿双波长InGaN/GaN多量子阱基、具有传统平面结构的LED样品，然后利用不同的、自上而下的干法刻蚀工艺（聚焦离子束方法和感应耦合等离子体反应离子刻蚀）将其加工成具有不同刻蚀深度（部分样品的刻蚀深度小于p-GaN层厚度，另一些样品的刻蚀深度则穿过有源区）、不同纳米柱直径和不同纳米柱密度的纳米柱LED阵列结构。这些纳米柱LED阵列结构的PL谱的激发功率和温度依赖性测试结果显示，纳米结构的构建不仅降低了有源区（包括InGaN母体和富铟量子点）的量子限制斯塔克效应，也增强了其局域效应，并因此提高了其内量子效率。此外，由于纳米结构的构建还增加了光的提取表面积、增强了光的导向性，因此也提高了光的提取效率。这些结果也与最终测得的外量子效率想吻合。该项目所取得的研究成果解释了纳米柱LED阵列结构辐射过程所涉及的相关光电子现象。