GaN基Micro-LED（μLED）具有高亮度、響應(yīng)速度快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在顯示技術(shù)、光通信等各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。然而，由于GaN的高折射率，在有源區(qū)產(chǎn)生的光子可能在出射界面發(fā)生全內(nèi)反射，限制了光提取效率（LEE）。此外，GaN自發(fā)極化和GaN/InGaN晶格失配引起的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）也限制了GaN器件的發(fā)光效率。在μLED中，側(cè)壁面積比例比大尺寸的LED更大，側(cè)壁缺陷對(duì)μLED的性能有更嚴(yán)重的影響。這阻礙了μLED的LEE，隨著μLED的尺寸減小，這一影響將更加明顯。μLED的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高其發(fā)光效率的關(guān)鍵。此外，納米材料的引入具有增強(qiáng)μLED的光發(fā)射的潛力。由金屬納米材料引入的局域表面等離子體共振（LSPR）已多次被證明可以有效提升μLED發(fā)光效率。

近日，北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭偉玲教授和閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院孫捷教授在國(guó)際知名期刊《Applied Physics Letters》上聯(lián)合發(fā)表題目為“Localized surface plasmon-enhanced nanorod micro-LEDs with Ag nanoparticles embedded in insulating and planarizing spin-on glass”的論文，第一作者為北京工業(yè)大學(xué)光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生方奧琪。該論文闡述了在Micro-LED的發(fā)光臺(tái)面上刻蝕納米柱（NR）陣列，并將混合有銀納米顆粒（AgNPs）的旋涂玻璃（SOG）填充到納米柱縫隙中。納米柱結(jié)構(gòu)可以使AgNPs與有源區(qū)直接或近距離接觸，從而利用局域表面等離子體共振（LSPR）的機(jī)制顯著提升了Micro-LED的發(fā)光效率。其中，SOG既可作為平坦化材料以制備ITO透明電極，又可以作為絕緣材料防止QW-Ag、Ag-Ag之間由于電子隧穿導(dǎo)致的能量損耗，還可以作為GaN和空氣之間的梯度折射率材料，提升納米柱的光提取效率。這篇文章從器件制備、光電性能測(cè)試分析以及仿真模擬等多個(gè)角度闡述了納米柱、AgNPs以及SOG的結(jié)合對(duì)μLED性能的提升效果，將為L(zhǎng)SPR在μLEDs中的應(yīng)用開辟更廣泛的前景。

圖1.器件制備流程。(a)外延示意圖；(b)刻蝕外延到達(dá)N-GaN層形成發(fā)光臺(tái)面；(c)在臺(tái)面上排列二氧化硅納米球作為納米柱刻蝕掩膜；(d)刻蝕納米柱；(e)去除納米球，磁控濺射P/N電極；(f)用Ag NPs和SOG的混合物填充納米柱間隙；(g)刻蝕臺(tái)面上方的SOG露出納米柱頂部。(h)磁控濺射ITO；(i)刻蝕電極表面的SOG，形成最終的器件結(jié)構(gòu)。

圖2. 掃描電子顯微鏡圖像(a)NR-μLED；(b)臺(tái)面；填充AgNPs和SOG（c）前（d）后的納米柱。

圖3. (a)ITO和SOG的透射光譜；直徑為70nm的Ag NPs的(b)透射電子顯微鏡圖像；(c)吸收光譜；(d)QW-LSP耦合原理圖。

圖4. 幾種樣品的光致發(fā)光光譜圖以及時(shí)間分辨光致發(fā)光譜。

圖5. (a) NR；(b) NR+Ag NPs；(c) NR+SOG；(d) NR+SOG+Ag NPs的有限元仿真模型以及相對(duì)應(yīng)的光提取效率。

圖6. 不同μLED樣品的光電學(xué)特性。（a）I-V特性；（b）在20 mA處的EL光譜；（c）光通量；（d）光輸出功率。

本文用混合有Ag NPs的SOG填充NR-LED的間隙，在納米柱結(jié)構(gòu)的幫助下，Ag NPs作為與QW進(jìn)行近場(chǎng)耦合的LSP，充分發(fā)揮了LSPR的作用，顯著增強(qiáng)QW中的載流子復(fù)合效率并促進(jìn)了光子發(fā)射。SOG作為絕緣材料，有效地防止了QW-Ag NP和Ag NP-Ag NP之間由于電子隧穿引起的能量損失。它還起到平坦化材料的作用，以確保ITO透明電極可以連接獨(dú)立的納米柱而不會(huì)引起短路。此外， SOG作為梯度折射率材料對(duì)納米柱光提取的正效應(yīng)。與傳統(tǒng)的平面LED相比，所提出的NR-μLED+SOG+Ag NPs的結(jié)構(gòu)將電致發(fā)光強(qiáng)度提高了50%，光輸出功率和光通量分別提高了36%和41%。這項(xiàng)工作有助于通過Micro LED的結(jié)構(gòu)和納米材料兩個(gè)方面提高M(jìn)icro LED的光學(xué)性能，可以為L(zhǎng)SP在LED中的應(yīng)用開辟更廣闊的前景。

團(tuán)隊(duì)介紹郭偉玲，北京工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室教授、副主任。研究重點(diǎn)是多活性層激光二極管、GaN相關(guān)材料和器件，如：GaN基LED、GaN基Micro-LED、GaN功率器件以及通過化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)的石墨烯及其在LED中的應(yīng)用。作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)863、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃多個(gè)項(xiàng)目，已在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表了110余篇相關(guān)論文，獲得了20多項(xiàng)專利。先后獲國(guó)家級(jí)重點(diǎn)新產(chǎn)品獎(jiǎng)1項(xiàng)、北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)目。

孫捷，國(guó)家級(jí)青年人才，閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、福州大學(xué)平板顯示技術(shù)國(guó)家與地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室教授，北京工業(yè)大學(xué)和瑞典查爾姆斯理工大學(xué)客座教授。長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體材料和器件、2D材料和器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，發(fā)表被SCI收錄的論文150余篇，授權(quán)專利12項(xiàng)，承擔(dān)多個(gè)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目。主要研究方向：1、氮化鎵Micro LED及其在下一代顯示技術(shù)中的應(yīng)用；2、新型2D材料的大面積MOCVD生長(zhǎng)及其在納電子學(xué)中的應(yīng)用；3、其他半導(dǎo)體材料和器件（電子束光刻研制納米電子器件）。

文章信息Localized surface plasmon-enhanced nanorod micro-LEDs with Ag nanoparticles embedded in insulating and planarizing spin-on glassAoqi Fang; Jixin Liu; Zaifa Du; Penghao Tang; Yiyang Xie; Weiling Guo; Hao Xu; Jie SunAppl. Phys. Lett.?125, 021102 (2024)https://doi.org/10.1063/5.0211870