基于纳米压印技术类多孔阳级氧化铝纳米结构LED的研究

The study of high power nanostructure light-emitting diodes (LEDs) with self-dependent innovation is of great significance to solve the block of foreign patents. However, the fabrication cost has become the bottleneck of nanostructured LED application. In this project, we will propose a new way to fabricate LEDs with the nanostructure such as the similar AAO nanopore, nanopillar and circular truncated cone by nano-imprint lithography (NIL) technology combined with anodic aluminum oxide (AAO) mask. Based on the Rsoft simulator and finite-different time-domain (FDTD) analysis method, we will study the influence of the similar AAO structure parameters on LED performance, the theory of the improvement of LED quantum efficiency base on the non-periodicity of the similar AAO nanostructures, the optimization of the similar AAO nanostructures. A multi-mask-layer NIL will be proposed to fabricate the similar AAO nanostructures on the nonflat surfaces with large scale pattern area. The key technology that nano-patterned sapphire substrate (NPSS) LED and photonic crystal (PC) LED on p-GaN layer are fabricated by NIL based on the similar AAO nanopore and nanopillar shaped Si molds will be studied. The epitaxy lateral overgrowth technology on the NPSS substrate and test evaluation will be also investigated. We will finally fabricate the NPSS-PC-LED devices with improved performance in both the internal quantum efficiency and the external quantum efficiency.

研究自主创新的大功率纳米结构发光二极管(LED)芯片技术，对解决国外专利封锁具有积极意义。实现纳米结构LED器件的最大挑战是如何低成本制备。我们基于纳米压印技术和阳极氧化铝(AAO)纳米结构，提出实现类AAO纳米孔、纳米柱和纳米圆台等结构LED新方案。采用Rsoft软件和时域有限差分等方法，建立数学模型研究类AAO纳米结构参数对LED器件性能的影响规律，探索类AAO非严格周期结构提升LED量子效率理论机制，解决类AAO纳米结构参数的优化设计问题；研究多层掩膜纳米压印技术，实现非平整表面大面积类AAO纳米结构的制备；研究以类AAO纳米孔和纳米柱结构硅模板为原始模板，纳米图形化蓝宝石衬底(NPSS)LED和p-GaN层表面光子晶体(PC)LED压印制备关键技术；研究NPSS衬底表面横向外延生长工艺及测试评价，最终制备出内外量子效率同时得以提升的NPSS-PC-LED器件。

研究自主创新的大功率纳米结构发光二极管(LED)芯片技术，对解决国外专利封锁具有积极意义。实现纳米结构LED器件的最大挑战是如何低成本制备。我们基于纳米压印技术和阳极氧化铝(AAO)纳米结构，提出实现类AAO纳米孔、纳米柱和纳米圆台等结构LED新方案。. 系统研究了：（1）类AAO纳米结构初始模板的制备及其转移工艺。获得了一定范围内尺寸可调的大小孔径AAO模板，并将类AAO纳米结构成功转移到硅衬底上，得到了类AAO纳米结构孔状与柱状阵列，工艺简单、成本低、易于复制。针对表面微米级粗糙度的AAO原始模板，进一步制备了纳米级粗糙度的类AAO纳米结构硅衬底作为原始模板。首次提出三层掩模(three-mask-layer, TML)NIL技术来实现非平整表面大面积均匀的高深宽比纳米结构的制备；（2）对类AAO纳米结构LED器件的各项参数进行理论仿真及其优化，并对优化后的类AAO纳米结构LED器件的光效等性能参数进行预测和评估，在加快科研进度的同时减少了科研成本，为后述类AAO纳米结构LED器件的制备提供了理论指导。研究表明，采用了纳米结构的圆柱、圆孔、圆台柱、圆锥、曲面锥图形衬底后，LED的光提取效率分别提高了29.7%、27.5%、51.1%、47.1%、41%。其中纳米结构的圆台柱图形衬底LED的光提取效率最高；（3）采用新方案，制备了类AAO纳米结构LED芯片。同时研究了类AAO纳米结构NPSS衬底及其外延横向生长技术，获得了高晶体质量、低位错密度的GaN外延层。研究中制备了两种类型的类AAO纳米结构即纳米孔结构和纳米柱结构LED衬底，孔深100 nm和150 nm的LED器件与常规LED器件相比，其PL强度增加率分别为约35%和45%。其正向电压的平均方差均低于0.1%，因而没有额外的接触电阻被引入，所制备的p-GaN多孔LED器件的I-V性能并没有改变，相关的光效提高并非建立在更高的电注入功率之上。当20 mA电流注入下时，孔深100 nm和150 nm的LED器件与常规LED器件相比，其EL强度增加率分别为7.8%和11.4%。. 在本基金项目的支持下， 2014.1～2018.12 期间发表论文 19篇，申报和授权发明专利6项。