ACS Nano: 用納米球透鏡光刻法制備的偏振選擇III族氮化物橢圓納米棒發光二極管

cc 5年前 (2018-08-19) 2929瀏覽

【前言】

在IIIA族氮化物藍色發光二極管出現后的二十年中，發光二極管經歷了重大的研究進步。目前LEDs非常高效明亮，使用壽命相對較長，并且已經成為幾種照明技術中最重要的組件，包括普通室內照明、汽車前燈和液晶顯示器(LCDs)背光照明。發光二極管的一個主要缺陷是發射的光是非偏振的，這不能直接用于需要偏振光的應用，例如LCD背光照明。在這些應用中，需要外部偏振器來吸收具有不需要的偏振光。大約50 %的光在這個過程中丟失，導致相當低的能量效率。因此，找到一種制造發射偏振光的發光二極管的方法將有助于解決許多現存的問題。此外，與LEDs的尺寸相比，外部偏振器通常相當大，并且使用一個偏振器只能定義一個偏振。因此，具有嵌入偏振選擇性的單個LED將允許設計具有各種優選偏振方向的光源。

目前科研人員已經提出了幾種從單個III族氮化物LED獲得偏振光的方法。例如，據報道，從生長在c面藍寶石上的常規III族氮化物LED側面發射的光是高度偏振的。然而，這需要專門設計的包裝來確保光只從側面出來。類似地，生長在非極性或半極性襯底上的III -氮化物多量子阱也可以發射高偏振光。但是非極性或半極性襯底仍然非常昂貴，并且在這些襯底上生長的薄膜質量仍然非常差。此外，研究人員還展示了嵌入線柵偏振器的發光二極管，并顯示出高偏振選擇性。由III族氮化物半導體制成的不對稱納米結構，如納米線或納米光柵，也被證明能發射偏振光。這些納米結構是通過自下而上或自上而下的方法制造的。對于自下而上的方法，納米線通常用等離子體輔助分子束外延(PAMBE)系統生長。這些納米線通常直徑很小(30 nm)，通常呈現對稱的橫截面。為了從頂部觀察極化發射，這些納米線必須水平放置，這表明這些納米線必須從生長的襯底上移除并放置在目標襯底上。然而，這很難將高產率的納米線的兩端進行電接觸，因為這通常是納米線重新定位的隨機過程。自上而下的方法通常包括金屬硬掩模的納米圖案化和隨后的干蝕刻。然而，干法蝕刻通常會在蝕刻面上產生缺陷，并降低器件的性能。科研人員提出濕法刻蝕可以有效地去除由干蝕刻產生的這些缺陷。自上而下的方法可以用來制造不對稱納米棒，最小的特征通常在100 nm左右。這些相對較大的納米棒的物理強度足以保留在生長襯底上，這意味著只需要一次電接觸。此外，納米棒的位置是預先定義的，因此可以制造頂部觸點。因此，如果納米發光二極管打算大規模生產，采用自上而下的方法進行納米制造是有利的方法。找到可靠的方法來制造電觸點并獲得電致發光(EL)將有助于這些特殊的發光二極管找到合適的工業應用。科研人員已經證明了幾種連接各個垂直排列納米棒的頂部電極的方法。然而，不管制造方法如何，來自這些納米結構的極化發射大多是在光學上而非電學上激發的。對于工業應用來說，大規模和高通量的制造技術也是非常重要的。因此，諸如電子束光刻(EBL)和聚焦離子束研磨(FIB)之類的精密納米制造方法是不利的。

【成果簡介】

近日， 來自國立臺灣大學的教授Yun-Chorng Chang教授（通訊作者）等人在ACS Nano上發表文章，題為: Polarization-Selecting III-Nitride Elliptical Nanorod Light-Emitting Diodes Fabricated with Nanospherical-Lens Lithography。電流注入的橢圓形納米棒發光二極管(LEDs)被證明發射具有底部發射結構的偏振光。當橢圓納米棒的短軸長度小到150 nm時，電致發光的偏振比達到3.17。電磁模擬證實了極化選擇性的出現，特別是當短軸長度降至150 nm時。不同偏振的光在這些不對稱橢圓納米棒中以不同的速度傳播。只有一種偏振直接來自光源的光和頂部金屬界面反射的光之間的相消干涉。加入薄的遮光層以增加偏振選擇性。作者也不建議用二氧化硅填充間隙，因為極化選擇性會降低。所提出的納米棒LEDs是通過結合納米球透鏡光刻和兩步蝕刻工藝使用自上而下納米制造方法制造的，這兩種工藝都與當前的半導體制造工藝完全兼容。這項研究的結果將有助于開發芯片級偏振選擇LED，這對于需要偏振光的應用非常有用。對于不適合使用外部偏振器或需要在單個芯片級偏振光的應用來說，這是特別有益的。

【圖文導讀】

圖1. 制備示意圖以及微觀形貌

(a–d) 各制造步驟后樣品的示意圖；

在干ICP蝕刻之后，截頭圓錐形納米棒的(e)頂視圖和(g)傾斜視圖SEM圖像；

(f) 濕法蝕刻后納米棒的頂視圖和(h)傾斜視圖SEM圖像；

圖2. PL 表征

(a) PL測量的各種配置的示意圖；

(b) 納米棒LED的結構；

(c) 納米棒的標準PL光譜；

(d) 激發光束偏振方向與PL峰值關系

(e) PL峰值的偏振依賴性；

圖3.納米棒LED的完整結構示意圖

電流注入納米棒LED的完整結構示意圖

圖4. EL 表征

(a) 電流注入納米棒發光二極管的標稱LIV曲線；

(b) 當偏振器處于0°和90°時測量的450 nm EL；

圖5. 沒有Ni光阻擋層的納米棒LED的結構EL表征

(a) 沒有Ni光阻擋層的納米棒LED的結構;

(b) 當偏振器在0°和90°時，在450 nm測量的EL;

(c) 激發光束偏振方向與PL峰值關系;

(d) PL峰值的偏振依賴性；

圖6. 偏振光偏振強度的等高線圖

(a, b) 用于模擬的樣品結構示意圖。Da和Db表示納米橢圓的長軸和短軸；

(c, d) 從樣品底部測量的x偏振光和y偏振光偏振強度的等高線圖；

(e, f) 偏振比，由Ix/Iy定義，分別作為改變Db、HT和HB時波長的函數；

圖7. 極化的模擬平均場能量分布

(a, b) x和(c, d) y極化的模擬平均場能量分布;(a)和(c)說明了xz平面上的分布；(b)和(d)說明了yz平面上的分布；

圖8. 沒有Ni阻光層的納米棒發光二極管的模擬結果

(a, b) 從樣品底部測量的x偏振光和y偏振光偏振強度的等高線圖；

(c) 由Ix/Iy定義的極化率；

圖9. 制造程序示意圖

(a-l)整個制造程序的示意圖

【總結】

總之，作者成功地展示了電流注入的橢圓形納米棒發光二極管，它可以向襯底的背面發射偏振光。當短軸長度接近150 nm時，偏振比達到3.17。底部發射結構是必要的，因為與每個納米棒的頂部接觸是通過在納米棒頂部放置厚金屬墊來實現的。作者提出了一種薄的Ni阻光層來顯著增加偏振選擇性。理論電磁模擬表明，來自光源的光和來自頂部Ni電極的反射光之間的干涉光是偏振選擇性的原因。在用介電材料填充間隙時也不佳，因為這會降低極化選擇性。改變納米棒的結構參數也可以提高選擇性。作者所提出的納米棒LEDs是用自上而下納米制造方法制造的，這種方法成本低并且與當前的半導體制造工藝兼容。這項研究的結果對于需要偏振光的應用或不適合與外部偏振器一起使用的設備特別有益。相信這些結果將在一些顯示技術中找到合適的應用，例如微型發光二極管，并且應該吸引全世界的研究人員，吸引更多的工業注意力。

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

本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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