ACS Nano: 用纳米球透镜光刻法制备的偏振选择III族氮化物椭圆纳米棒发光二极管

【前言】

在IIIA族氮化物蓝色发光二极管出现后的二十年中，发光二极管经历了重大的研究进步。目前LEDs非常高效明亮，使用寿命相对较长，并且已经成为几种照明技术中最重要的组件，包括普通室内照明、汽车前灯和液晶显示器(LCDs)背光照明。发光二极管的一个主要缺陷是发射的光是非偏振的，这不能直接用于需要偏振光的应用，例如LCD背光照明。在这些应用中，需要外部偏振器来吸收具有不需要的偏振光。大约50 %的光在这个过程中丢失，导致相当低的能量效率。因此，找到一种制造发射偏振光的发光二极管的方法将有助于解决许多现存的问题。此外，与LEDs的尺寸相比，外部偏振器通常相当大，并且使用一个偏振器只能定义一个偏振。因此，具有嵌入偏振选择性的单个LED将允许设计具有各种优选偏振方向的光源。

目前科研人员已经提出了几种从单个III族氮化物LED获得偏振光的方法。例如，据报道，从生长在c面蓝宝石上的常规III族氮化物LED侧面发射的光是高度偏振的。然而，这需要专门设计的包装来确保光只从侧面出来。类似地，生长在非极性或半极性衬底上的III -氮化物多量子阱也可以发射高偏振光。但是非极性或半极性衬底仍然非常昂贵，并且在这些衬底上生长的薄膜质量仍然非常差。此外，研究人员还展示了嵌入线栅偏振器的发光二极管，并显示出高偏振选择性。由III族氮化物半导体制成的不对称纳米结构，如纳米线或纳米光栅，也被证明能发射偏振光。这些纳米结构是通过自下而上或自上而下的方法制造的。对于自下而上的方法，纳米线通常用等离子体辅助分子束外延(PAMBE)系统生长。这些纳米线通常直径很小(30 nm)，通常呈现对称的横截面。为了从顶部观察极化发射，这些纳米线必须水平放置，这表明这些纳米线必须从生长的衬底上移除并放置在目标衬底上。然而，这很难将高产率的纳米线的两端进行电接触，因为这通常是纳米线重新定位的随机过程。自上而下的方法通常包括金属硬掩模的纳米图案化和随后的干蚀刻。然而，干法蚀刻通常会在蚀刻面上产生缺陷，并降低器件的性能。科研人员提出湿法刻蚀可以有效地去除由干蚀刻产生的这些缺陷。自上而下的方法可以用来制造不对称纳米棒，最小的特征通常在100 nm左右。这些相对较大的纳米棒的物理强度足以保留在生长衬底上，这意味着只需要一次电接触。此外，纳米棒的位置是预先定义的，因此可以制造顶部触点。因此，如果纳米发光二极管打算大规模生产，采用自上而下的方法进行纳米制造是有利的方法。找到可靠的方法来制造电触点并获得电致发光(EL)将有助于这些特殊的发光二极管找到合适的工业应用。科研人员已经证明了几种连接各个垂直排列纳米棒的顶部电极的方法。然而，不管制造方法如何，来自这些纳米结构的极化发射大多是在光学上而非电学上激发的。对于工业应用来说，大规模和高通量的制造技术也是非常重要的。因此，诸如电子束光刻(EBL)和聚焦离子束研磨(FIB)之类的精密纳米制造方法是不利的。

【成果简介】

近日， 来自国立台湾大学的教授Yun-Chorng Chang教授（通讯作者）等人在ACS Nano上发表文章，题为: Polarization-Selecting III-Nitride Elliptical Nanorod Light-Emitting Diodes Fabricated with Nanospherical-Lens Lithography。电流注入的椭圆形纳米棒发光二极管(LEDs)被证明发射具有底部发射结构的偏振光。当椭圆纳米棒的短轴长度小到150 nm时，电致发光的偏振比达到3.17。电磁模拟证实了极化选择性的出现，特别是当短轴长度降至150 nm时。不同偏振的光在这些不对称椭圆纳米棒中以不同的速度传播。只有一种偏振直接来自光源的光和顶部金属界面反射的光之间的相消干涉。加入薄的遮光层以增加偏振选择性。作者也不建议用二氧化硅填充间隙，因为极化选择性会降低。所提出的纳米棒LEDs是通过结合纳米球透镜光刻和两步蚀刻工艺使用自上而下纳米制造方法制造的，这两种工艺都与当前的半导体制造工艺完全兼容。这项研究的结果将有助于开发芯片级偏振选择LED，这对于需要偏振光的应用非常有用。对于不适合使用外部偏振器或需要在单个芯片级偏振光的应用来说，这是特别有益的。

【图文导读】

图1. 制备示意图以及微观形貌

(a–d) 各制造步骤后样品的示意图；

在干ICP蚀刻之后，截头圆锥形纳米棒的(e)顶视图和(g)倾斜视图SEM图像；

(f) 湿法蚀刻后纳米棒的顶视图和(h)倾斜视图SEM图像；

图2. PL 表征

(a) PL测量的各种配置的示意图；

(b) 纳米棒LED的结构；

(c) 纳米棒的标准PL光谱；

(d) 激发光束偏振方向与PL峰值关系

(e) PL峰值的偏振依赖性；

图3.纳米棒LED的完整结构示意图

电流注入纳米棒LED的完整结构示意图

图4. EL 表征

(a) 电流注入纳米棒发光二极管的标称LIV曲线；

(b) 当偏振器处于0°和90°时测量的450 nm EL；

图5. 没有Ni光阻挡层的纳米棒LED的结构EL表征

(a) 没有Ni光阻挡层的纳米棒LED的结构;

(b) 当偏振器在0°和90°时，在450 nm测量的EL;

(c) 激发光束偏振方向与PL峰值关系;

(d) PL峰值的偏振依赖性；

图6. 偏振光偏振强度的等高线图

(a, b) 用于模拟的样品结构示意图。D_a和D_b表示纳米椭圆的长轴和短轴；

(c, d) 从样品底部测量的x偏振光和y偏振光偏振强度的等高线图；

(e, f) 偏振比，由I_x/I_y定义，分别作为改变D_b、H_T和H_B时波长的函数；

图7. 极化的模拟平均场能量分布

(a, b) x和(c, d) y极化的模拟平均场能量分布;(a)和(c)说明了xz平面上的分布；(b)和(d)说明了yz平面上的分布；

图8. 没有Ni阻光层的纳米棒发光二极管的模拟结果

(a, b) 从样品底部测量的x偏振光和y偏振光偏振强度的等高线图；

(c) 由I_x/I_y定义的极化率；

图9. 制造程序示意图

(a-l)整个制造程序的示意图

【总结】

总之，作者成功地展示了电流注入的椭圆形纳米棒发光二极管，它可以向衬底的背面发射偏振光。当短轴长度接近150 nm时，偏振比达到3.17。底部发射结构是必要的，因为与每个纳米棒的顶部接触是通过在纳米棒顶部放置厚金属垫来实现的。作者提出了一种薄的Ni阻光层来显著增加偏振选择性。理论电磁模拟表明，来自光源的光和来自顶部Ni电极的反射光之间的干涉光是偏振选择性的原因。在用介电材料填充间隙时也不佳，因为这会降低极化选择性。改变纳米棒的结构参数也可以提高选择性。作者所提出的纳米棒LEDs是用自上而下纳米制造方法制造的，这种方法成本低并且与当前的半导体制造工艺兼容。这项研究的结果对于需要偏振光的应用或不适合与外部偏振器一起使用的设备特别有益。相信这些结果将在一些显示技术中找到合适的应用，例如微型发光二极管，并且应该吸引全世界的研究人员，吸引更多的工业注意力。

文献链接：Polarization-Selecting III-Nitride Elliptical Nanorod Light-Emitting Diodes Fabricated with Nanospherical-Lens Lithography, (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04933)

本文由材料人电子电工学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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