通过表面等离子体共振增强极性/半极性 InGaN/GaN 发射的空间和时间分辨特性

        可供极性与半极性InGaN/GaN量子阱发光二极管（LED）外延片，具体规格信息请联系销售团队：vp@honestgroup.cn

1. 概述

        发光二极管（LED）由于其各种优点而被广泛用作下一代光源。然而，它们的发光效率在绿色发射波长下非常低。InGaN/GaN量子阱（QW）的发光效率随着绿色波长区铟含量的增加而显著降低，这主要是由于量子约束斯塔克效应（QCSE）。这个绿隙问题可以使用生长在半极性氮化镓（GaN）衬底（如{11–22}平面）上的QW来解决，以降低QCSE。研究者提出，表面等离子体（SP）的使用是提高InGaN/GaN量子阱等发光材料发光效率的一种很有前途的方法。表面等离子体共振增加了激发态的自发发射率，导致非辐射弛豫的相对减少，并最终增加了内部量子效率。

        在本研究中，使用微光致发光（PL）研究了在极性和半极性GaN上生长的InGaN/GaN量子阱的发光。成功地通过表面等离子体共振增强了半极性氮化镓的发光。绘制并比较PL峰值强度和波长，以确定潜在的机制。我们还通过时间分辨PL测量了发射寿命，并解释了表面等离子体增强发射的详细机制。研究发现，表面等离子体共振不仅可以控制发射效率，还可以控制激子动力学，如激子局域化效应、QCSE屏蔽和缺陷能级饱和。因而，研究人员推断半极性InGaN/GaN中的表面等离子体增强发光可以解决绿隙问题。

2. 样品制备

        极性和半极性 InGaN/GaN 单量子阱通过金属有机气相外延 (MOVPE) 生长。图 1显示了极性 (a) 和半极性 (b) InGaN/GaN LED结构的示意图。InGaN/GaN层的厚度对于极性样品为2.5nm/12.5nm，对于半极性样品为3.5nm/14.2nm；两者的未掺杂GaN层的厚度均为2.5μm。极性{0001}样品生长在锥形图案化c面蓝宝石衬底上，该衬底通常用于提高光提取效率。半极性{11-22}样品生长在m面蓝宝石衬底上。在蓝宝石衬底上的 GaN 层上生长了 3 nm 厚的单 InGaN 量子阱层。由于当金属薄膜沉积到样品上时，激光无法从正面激发量子阱层，因此蓝宝石衬底的背面经过抛光，形成镜面抛光的平坦表面，抑制光散射，从而有效地激发和检测来自背部。使用四种类型的样品：极性/半极性、蓝光发射和绿光发射。对于蓝光和绿光发射，InGaN阱层的 In 成分分别为 10% 和 25%。

图1：(a) 极性 InGaN/GaN量子阱 LED外延结构；(b) 半极性InGaN/GaN量子阱LED结构示意图

        LED外延片表面的一半用耐热胶带覆盖。将腔室内的压力降至2.0×10 ^-3  Pa以下后，通过高真空热蒸发沉积50nm厚的Ag或Al。采用1.2–2.0 Å s ^-1的沉积速率来形成晶粒尺寸有望提高发光效率的金属薄膜。它们都具有 50-100nm的晶粒结构，有助于从表面等离子体中提取光。

图2 InGaN/GaN 量子阱基（a）极性蓝光LED、（b）半极性蓝光LED、（c）极性蓝光LED和（d）半极性绿光LED的PL时间分布图

 3. 结论

        在这项研究中，研究人员发现Ag和Al涂层增强了每种组合的极性和半极性InGaN/GaN量子阱的蓝光和绿光发射。因此，提出的表面等离子体共振高效发光对半极性InGaN/GaN有效，有望应用于高效LED。Ag/GaN界面处的表面等离子体共振波长在蓝色到绿色区域，这与发射过程共振并增加发射速率。

        此外，Al/GaN界面处的表面等离子体共振位于紫外区域，这不仅与发射共振，而且与激发光共振，并增强了产生的激子的密度。这影响了激子局域化效应、QCSE屏蔽和缺陷能级饱和，表明表面等离子体共振不仅可以控制发射效率，还可以控制激子动力学。特别是，半极性InGaN/GaN 量子阱的发射的绿光适合于表面等离子体增强，因为其具有高的增强水平和减少缺陷效应的可能性。

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