采用纳米线结构的AlGaN基深紫外LEDs在偏振依赖性光提取效率方面的提升

《Micro and Nanostructures》：Enhanced polarization-dependent light extraction efficiency of AlGaN- based deep ultraviolet LEDs with nanowire structures

本研究通过对比AlGaN基纳米线阵列与平面结构LEDs在275nm波长下的光提取效率（LEE），发现纳米线结构在TE极化下效率达93.7%，较平面结构提升20%；在TM极化下效率达91.8%，提升27%。通过优化纳米线直径和间距，抑制导模并引导光子至辐射模式，显著提高光提取效率，为设计高效深紫外光电器件提供指导。

　　

Kui-Ying Nie|Zonghua Hu|Chaofeng Wang|Fang-Fang Ren

中国兴义民族师范学院物理与工程技术学院，兴义562400

摘要

基于AlGaN的深紫外（DUV）发光二极管（LED）的性能受到低光提取效率（LEE）的制约。在这项研究中，我们比较了具有方形棱柱结构的AlGaN纳米线（NW）阵列与平面结构LED在275纳米波长下的横向电（TE）和横向磁（TM）偏振下的LEE。通过优化NW阵列的直径和间距，我们发现TE偏振下的LEE可达到93.7%，TM偏振下的LEE可达到91.8%，而相同尺寸的平面结构LED的LEE分别为78.2%和72.3%，因此LEE分别提高了20%和27%。我们证明了NW阵列可以设计用来抑制引导模式的发射，并将捕获的光重新导向辐射模式，从而从NW结构中提取更多的光子。最后，我们研究了在所有角度激发下，相同尺寸的NW结构与平面结构的LEE，发现NW结构的LEE明显高于平面结构。本研究的结果可以为设计其他纳米光子器件提供指导。

引言

在过去的十年中，由于AlGaN基DUV LED具有高发光效率、低功耗、长寿命、可调波长和环保特性[1]、[2]，它们在水和空气消毒、气体传感、生化检测、光通信等领域找到了许多有前景的应用[3]、[4]、[5]、[6]，并受到了越来越多的关注。尽管近年来在DUV LED方面做出了许多努力[7]、[8]、[9]，但其性能仍然不佳，特别是外部量子效率（EQE）较低，大多数报道的平面结构DUV LED的EQE在275纳米波长区域低于10%[5]。导致EQE低的原因除了注入效率低外，还包括p型掺杂困难以及内部量子效率（IQE）低，这归因于AlGaN材料中存在大量的缺陷和位错。另一个重要原因是光提取效率（LEE）低，这主要是由于电极和p-Ga(Al)N接触层的吸收[10]，AlGaN外延层与空气之间的高折射率差导致的严重全内反射，以及高Al成分AlGaN量子阱的独特光学偏振特性[11]。

为了提高AlGaN基DUV LED的性能，大幅提高LEE非常重要。为了获得高LEE，已经开发了几种光提取技术，如侧壁角度设计[12]、微腔[13]、倒装芯片封装技术[14]、图案化蓝宝石衬底[15]、局域表面等离子体（LSPs）共振耦合[16]和光子晶体图案[17]、[18]。尽管付出了这些努力，但实现具有平面结构的高EQE AlGaN基DUV LED仍然非常具有挑战性。最近，纳米线（NW）结构被用于实现高效AlGaN基LED[19]、[20]，它们具有较大的表面积与体积比、低缺陷密度以及突破衍射极限等优点。提高AlGaN基NW结构LEE的一种方法是利用TM偏振下的侧向提取[11]、[21]。另一种方法是利用光子晶体理论通过周期性NW阵列来增强垂直LEE[17]、[22]。然而，在TE照明和TM照明下，如何显著提高AlGaN基LED的整体LEE仍然是一个未解决的问题。

在这项工作中，我们对AlGaN NW LED结构的LEE进行了详细研究。我们表明，在设计良好的AlGaN NW结构中，原则上在275纳米波长下TE和TM照明下的LEE可以超过90%。通过优化NW的尺寸和间距，可以设计出抑制引导模式发射并将捕获的光重新导向辐射模式的NW结构[11]。为了实际应用，我们进一步研究了AlGaN NW结构的偏振响应。这项研究为实现高效DUV LED和其他DUV光电器件提供了一种替代方法。

仿真设置

如图1所示，所设计的AlGaN基NW DUV LED的结构由c面蓝宝石衬底上的方形NW阵列组成。NW外延层的设计基于我们之前的研究，也是为了使发射波长约为275纳米[23]、[24]。每个NW包括2微米厚的AlN缓冲层、1微米厚的Si掺杂n-Al_0.65Ga_0.35N缓冲层、0.6微米厚的n-Al_0.5Ga₅N接触层，以及三对Al_0.4Ga₆N (2.5纳米) /Al_0.6Ga₄N (10纳米)多量子阱

结果与讨论

在这项研究中，我们研究了有序NW阵列LED的LEE随直径和间距的变化情况。NW具有圆形横截面，其直径指的是圆形横截面的直径。间距指的是两个相邻NW之间的边距，如图1(b)所示。首先，NW的间距固定为50纳米，然后在不同NW直径（d）范围内（从60纳米到300纳米）研究了LEE的变化

结论

对于具有方形棱柱结构的有序NW阵列，我们模拟了在275纳米波长下发射的AlGaN基NW LED的LEE。与相同尺寸的平面结构相比，使用最佳尺寸的NW阵列时，TE偏振下的总LEE从78.2%提高到了93.7%，TM偏振下的LEE从72.3%提高到了91.8%。特别值得注意的是，TM偏振下的LEE提高了27%，这一提升非常显著，因为AlGaN基DUV LED的发射特性

作者贡献声明

Chaofeng Wang：监督、方法论、研究、概念化。Zonghua Hu：研究、概念化。Kui-Ying Nie：写作——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源获取、方法论、研究、资金申请、正式分析、数据管理、概念化。Fang-Fang Ren：写作——审阅与编辑、监督、软件使用、资源管理、方法论、正式分析、数据管理、概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了兴义民族师范学院学术学科建设项目和黔西南市科技规划项目（Qiankehe平台，2025-2）的支持。