表面等离激元耦合增强深紫外LED量子阱热激子发光

AlGaN基深紫外LED在日常生活中具有广泛的应用前景,如白光照明、空气和水的消毒净化、医学光治疗、紫外光固化、光通信等。然而,相比于目前已大规模商业化InGaN量子阱基蓝绿光LED,AlGaN基深紫外LED器件的外量子效率相对低得多(典型的在5%以下),限制了其在实际生活中的大规模应用。其中导致外量子效率低的一个重要原因是AlGaN材料生长过程中会产生大量的缺陷,这些缺陷起着非辐射复合中心的作用,极大地限制了量子阱发光的内量子效率。近年来,表面等离激元(SP)与半导体材料激子的耦合效应在增强激子自发辐射复合速率、提高半导体LED发光器件性能方面展现出独特优势和重要的应用前景。对于内量子效率较低的AlGaN深紫外LED,表面等离激元的发光增强效应在性能改善方面有着更为重要的应用价值。然而,当前制备出在深紫外区域具有良好局域表面等离激元(LSP)共振的金属纳米颗粒还存在较大的困难,限制了表面等离激元在深紫外LED发光增强方面的应用。

近日,华中科技大学武汉光电国家实验室(WNLO)陈长清教授、吴志浩副教授领导的研究团队,同厦门大学康俊勇教授、李静副教授的团队开展合作,创新性地利用纳米球刻蚀结合模板调控技术成功制备了亚波长尺寸可控的Al纳米颗粒阵列;实现了LSP共振频率在深紫外区域的可控调节和局域场的显著增强,将该SP载体应用在AlGaN基深紫外LED发光量子阱上,获得了显著的发光增强效果,最强增强因子可达3.2倍。相关成果发表在近期出版的Advanced Optical Materials上:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201300463/full.

研究人员通过采用尺寸可调的Al纳米颗粒修饰量子阱样品,观察到了SP增强发光特征与LSP共振峰之间的联系。通过变温PL和时分辨PL等光谱表征手段,对量子阱的发光性质及SP耦合后量子阱激子复合通道、复合速率的变化做了系统的研究。证实了SP引入后量子阱发光强度的增强及辐射复合通道的改变(基态发光为主导向高能态发光为主导的转变)来自于被显著提高的激子辐射复合速率。值得一提的是,该工作中所获得的研究结果不仅证实AlGaN基深紫外LED可以通过局域表面等离激元与激子的有效耦合来增强发光效率,也表明了量子阱结构中位于高能子带的热激子(高能态激子)可以通过能量匹配的SP-激子耦合机制被有效地增强。研究过程中引入的基于纳米球刻蚀技术的晶圆级、大面积Al纳米颗粒制备方法,在构建实用的SP增强型高效AlGaN基深紫外LED方面也展现出极大的应用潜力。

研究工作得到了国家重点基础研究发展计划(973)项目“全组分可调III族氮化物半导体光电功能材料及其器件应用(2012CB619300)”,国家自然科学基金的支持,厦门大学福建省半导体材料及应用重点实验室和中科院北京半导体研究所半导体材料科学重点实验室为课题的研究提供了测试平台支持。