GaN基Micro-LED（μLED）具有高亮度、响应速度快、低功耗等优点，在显示技术、光通信等各个领域都有应用。然而，由于GaN的高折射率，在有源区产生的光子可能在出射界面发生全内反射，限制了光提取效率（LEE）。此外，GaN自发极化和GaN/InGaN晶格失配引起的量子限制斯塔克效应（QCSE）也限制了GaN器件的发光效率。在μLED中，侧壁面积比例比大尺寸的LED更大，侧壁缺陷对μLED的性能有更严重的影响。这阻碍了μLED的LEE，随着μLED的尺寸减小，这一影响将更加明显。μLED的特殊结构设计是提高其发光效率的关键。此外，纳米材料的引入具有增强μLED的光发射的潜力。由金属纳米材料引入的局域表面等离子体共振（LSPR）已多次被证明可以有效提升μLED发光效率。
近日，北京工业大学光电子技术教育部重点实验室郭伟玲教授和闽都创新实验室、福州大学物理与信息工程学院孙捷教授在国际知名期刊《Applied Physics Letters》上联合发表题目为“Localized surface plasmon-enhanced nanorod micro-LEDs with Ag nanoparticles embedded in insulating and planarizing spin-on glass”的论文，第一作者为北京工业大学光电子技术教育部重点实验室博士研究生方奥琪。该论文阐述了在Micro-LED的发光台面上刻蚀纳米柱（NR）阵列，并将混合有银纳米颗粒（AgNPs）的旋涂玻璃（SOG）填充到纳米柱缝隙中。纳米柱结构可以使AgNPs与有源区直接或近距离接触，从而利用局域表面等离子体共振（LSPR）的机制显著提升了Micro-LED的发光效率。其中，SOG既可作为平坦化材料以制备ITO透明电极，又可以作为绝缘材料防止QW-Ag、Ag-Ag之间由于电子隧穿导致的能量损耗，还可以作为GaN和空气之间的梯度折射率材料，提升纳米柱的光提取效率。这篇文章从器件制备、光电性能测试分析以及仿真模拟等多个角度阐述了纳米柱、AgNPs以及SOG的结合对μLED性能的提升效果，将为LSPR在μLEDs中的应用开辟更广泛的前景。
图1.器件制备流程。(a)外延示意图；(b)刻蚀外延到达N-GaN层形成发光台面；(c)在台面上排列二氧化硅纳米球作为纳米柱刻蚀掩膜；(d)刻蚀纳米柱；(e)去除纳米球，磁控溅射P/N电极；(f)用Ag NPs和SOG的混合物填充纳米柱间隙；(g)刻蚀台面上方的SOG露出纳米柱顶部。(h)磁控溅射ITO；(i)刻蚀电极表面的SOG，形成最终的器件结构。
图2. 扫描电子显微镜图像(a)NR-μLED；(b)台面；填充AgNPs和SOG（c）前（d）后的纳米柱。
图3. (a)ITO和SOG的透射光谱；直径为70nm的Ag NPs的(b)透射电子显微镜图像；(c)吸收光谱；(d)QW-LSP耦合原理图。
图4. 几种样品的光致发光光谱图以及时间分辨光致发光谱。
图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对应的光提取效率。
图6. 不同μLED样品的光电学特性。（a）I-V特性；（b）在20 mA处的EL光谱；（c）光通量；（d）光输出功率。
本文用混合有Ag NPs的SOG填充NR-LED的间隙，在纳米柱结构的帮助下，Ag NPs作为与QW进行近场耦合的LSP，充分发挥了LSPR的作用，显著增强QW中的载流子复合效率并促进了光子发射。SOG作为绝缘材料，有效地防止了QW-Ag NP和Ag NP-Ag NP之间由于电子隧穿引起的能量损失。它还起到平坦化材料的作用，以确保ITO透明电极可以连接独立的纳米柱而不会引起短路。此外， SOG作为梯度折射率材料对纳米柱光提取的正效应。与传统的平面LED相比，所提出的NR-μLED+SOG+Ag NPs的结构将电致发光强度提高了50%，光输出功率和光通量分别提高了36%和41%。这项工作有助于通过Micro LED的结构和纳米材料两个方面提高Micro LED的光学性能，可以为LSP在LED中的应用开辟更广阔的前景。
团队介绍郭伟玲，北京工业大学光电技术实验室教授、副主任。研究重点是多活性层激光二极管、GaN相关材料和器件，如：GaN基LED、GaN基Micro-LED、GaN功率器件以及通过化学气相沉积法生长的石墨烯及其在LED中的应用。作为负责人承担863、国家科技支撑计划、国家重点研发计划多个项目，已在相关领域发表了110余篇相关论文，获得了20多项专利。先后获国家级重点新产品奖1项、北京市科技进步一等奖1项，省部级科技进步二等奖3项目。
孙捷，国家级青年人才，闽都创新实验室、福州大学平板显示技术国家与地方联合工程实验室教授，北京工业大学和瑞典查尔姆斯理工大学客座教授。长期从事半导体材料和器件、2D材料和器件的应用基础研究，发表被SCI收录的论文150余篇，授权专利12项，承担多个国家级、省部级项目。主要研究方向：1、氮化镓Micro LED及其在下一代显示技术中的应用；2、新型2D材料的大面积MOCVD生长及其在纳电子学中的应用；3、其他半导体材料和器件（电子束光刻研制纳米电子器件）。
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
