近年来，由于对下一代高分辨率显示器和光电子应用的需求，发光二极管（LED）的微型化和集成技术取得了快速进展。特别是横向尺寸在几十到几百纳米范围内的纳米LED因其优越的电流扩散特性、较低的缺陷敏感性和高空间分辨率而受到广泛关注。这些特性使它们成为微型显示器、AR/VR设备的高亮度光源、生物传感平台和光通信技术的有前景的选择[1]、[2]。
传统的LED通常基于平面薄膜结构；然而，由于垂直排列的纳米棒或纳米线结构具有结构自由度，因此成为替代方案，它们可以实现更高的效率、更好的色彩再现性和高速调制。基于纳米棒的LED特别具有优势，因为它们可以（1）增强光散射，（2）缓解光学模式限制，（3）提高光提取效率[3]、[4]、[5]。此外，自下而上的纳米棒生长方法通过应变松弛显著降低了 threading 位错密度，从而提高了晶体质量[6]。这一特性还有助于稳定高铟含量，这对于长波长发射至关重要[7]、[8]。
纳米棒的结构多样性还允许波长可调，并实现无荧光粉的白光LED，为固态照明提供了有吸引力的替代方案[9]、[10]。此外，研究表明，纳米结构的形成可以部分抑制InGaN/GaN多量子阱（MQWs）中的量子限制斯塔克效应（QCSE），从而改善电子-空穴波函数的重叠并提高内部量子效率（IQE）[11]。
纳米棒结构可以通过自下而上或自上而下的方法制造。在自下而上的方法中，纳米结构是通过分子束外延（MBE）等技术直接生长的。尽管这种方法在应变松弛和组成可调性方面具有优势，但通常成本较高且晶圆尺寸有限。此外，它们需要较低的生长温度和狭窄的V/III比率，这限制了工艺窗口，并且常常导致杂质掺入和点缺陷的增加[12]、[13]。相反，自上而下的方法依赖于对预先生长的平面LED晶圆的刻蚀，从而保留了优化的外延生长优势，同时实现了大面积和均匀的纳米结构制造。然而，基于等离子体的自上而下工艺通常会导致侧壁损伤，形成非刻面结构，并增加泄漏电流[14]、[15]。
为了克服这些限制，最近提出了一种两步自上而下的策略，结合了初始的等离子体刻蚀和随后的各向异性湿法刻蚀。这种方法有效地去除了刻蚀引起的损伤，产生了具有光滑的垂直{10?10} m平面侧壁的纳米棒，并对纳米棒直径提供了稳健的控制[14]、[16]。值得注意的是，桑迪亚国家实验室证明，通过这种方法制造的纳米棒中有超过94%是无位错的，表现出较低的QCSE和载流子屏蔽效应，以及减少的蓝移现象[14]。
在这项工作中，我们使用纳米压印光刻（NIL）技术制造了直径为550纳米、高度为1.5微米的圆柱形纳米棒，然后通过各向异性的KOH湿法刻蚀实现了直径约为370纳米的锥形结构。与平面LED相比，所得到的纳米LED的发射强度提高了15倍以上。这种改进不能仅仅归因于表面积与体积比的增加，而是由多种协同效应共同作用的结果：
(1) 去除了侧壁损伤并减少了非辐射复合中心，显著抑制了黄色发光；
(2) 由于应变松弛，抑制了QCSE，减少了蓝移并改善了载流子重叠；
(3) 通过导模共振或耳语廊模式（WGM）增强了光学限制，有利于提高光提取效率。
因此，这项研究表明，将大面积纳米压印光刻与各向异性KOH湿法刻蚀相结合，为实现高效、精确控制的纳米棒LED结构提供了一条可行的途径。光发射效率的显著提高突显了这种方法作为先进纳米光源的多功能平台的潜力，对AR/VR显示器、光通信和生物光学技术具有广泛的应用前景。
