《AlGaN基UV LED器件的發光偏振調控及光效提升研究》是依託華中科技大學，由陳長清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：AlGaN基UV LED器件的發光偏振調控及光效提升研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳長清
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
AlGaN基紫外UV LED在殺菌消毒、水淨化、生化探測等領域有著重要的套用前景。然而由於高Al組分AlGaN材料特有的發光偏振特性，UV LED出射光很大一部分為側面出射的橫磁(TM)模式光，導致器件表面光提取效率很低。本課題創新性地提出和採用超晶格應力調控技術和表面等離激元(SP)光耦合技術對UV LED發光的偏振性質進行有效調控，實現提高器件表面光提取效率和發光效率目的。深入研究不同結構的超晶格插入層對量子阱有源區應力的影響，以及應力對量子阱發光偏振性質的調控規律。同時研究金屬納米顆粒SP光耦合的物理機制及其製備工藝。探索不同尺寸、成分、形狀的金屬納米顆粒SP對UV LED出射光偏振的影響規律。最終，利用超晶格應力調控技術和金屬納米顆粒SP光耦合技術，製備出高發光效率的AlGaN基UV LED器件。
結題摘要
AlGaN基紫外發光二極體（UV LED）在殺菌消毒、水淨化、生化探測等領域有著重要的套用前景。然而由於高Al組分AlGaN材料特有的發光偏振特性，對於在c面外延的UV LED，出射光占主導地位的為側面傳播的橫磁(TM)模式光，導致器件表面光提取效率很低。本課題創新性地提出和採用超晶格應力調控技術和表面等離激元(SP)光耦合技術對UV LED發光的偏振性質進行有效調控，實現了提高器件表面光提取效率和發光效率。課題首先研究了不同Al組分AlGaN模板層對單一AlGaN薄膜材料發光偏振性質的影響。利用透射譜，透射電鏡（TEM），X射線衍射儀（XRD），倒易空間圖譜（RSM）和光致發光（PL）測試系統等測試手段表征AlGaN材料的組分，晶體質量，應力狀態以及光學偏振度等關鍵性能指標。實驗結果表明，當AlGaN薄膜的應力狀態由張應力（1.19%）變為壓應力（-0.70%）時，發光偏振度由-0.69提高到-0.24，證明外延片內部的壓應力對於增強AlGaN薄膜的TE模式發光有明顯的促進作用。在此工作基礎上，外延生長了界面陡峭的應變數子阱有源區結構，實現了本質上對UV LED偏振特性的有效調控。將偏振度變化規律結合變溫PL測試數據分析，得到在壓應變數子阱中獲得了最高40%的光子提取效率提升。在此基礎上，利用FDTD計算了在不同介質環境中、不同尺寸的Al納米顆粒對偶極子光源的發光特性影響，研究表明Al納米顆粒的尺寸介於50-60nm之間對280nm附近的發光有明顯的增強。實驗採用納米球自組裝的方法，通過調節PS微球溶液的濃度以及活性劑的濃度，獲得了大面積尺寸均勻的PS微球陣列，並以此為掩膜版在量子阱上製備了Al NPs/SiO2複合結構，利用SiO2的相對低折射率實現金屬納米顆粒與AlGaN量子阱的有效表面等離激元共振，得到量子阱總的PL強度提高了1.6倍。偏振PL測試顯示側面TE、TM模式的光強度均得到了提高，表明更多大角度的TE模式的光被Al NPs/SiO2複合結構耦合至表面出射，提高了量子阱區域的光提取效率。結合利用應力調控技術和金屬納米顆粒SP 與TM 模式光的耦合原理，研製出了高發光效率的AlGaN 基UV LED 器件。在300mA電流下，UV LED發光峰值波長為281nm，半高寬為10nm，工作電壓8V，光功率達到18mW。
