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

时间：2026年3月23日

来源：Micro and Nanostructures

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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