InGaN/GaN纳米线网中的矩形腔体诱导光致发光增强：频率选择性、载流子限制与更高活性区域的完美结合

《ACS Applied Electronic Materials》：Rectangular Cavity-Induced Photoluminescence Enhancement in InGaN/GaN Nanowire Mesh: A Combination of Frequency Selectivity, Carrier Confinement, and Higher Active Volume

量子受限结构在发光器件中可优化载流子和光子动力学，但纳米结构增多会压缩有效发光面积。本研究采用互连纳米线网格设计，在维持极强量子限制效应和形成横向光学腔的同时扩展有效发光区。实验显示纳米线网格相比平面量子阱结构发光强度提升近一个数量级，归因于增强的载流子约束、光子提取效率及光学腔谐振效应。飞秒微分吸收光谱证实载流子捕获效率提升，时间分辨荧光光谱显示辐射复合速率提高，阿伦尼乌斯分析表明非辐射复合通道被有效抑制。FDTD模拟揭示了纳米线网格形成的横向光学腔对特定波长光强的增强作用，且通过调节腔体间距可实现发射波长的可调谐，为高效率光电器件开发提供了新思路。

　　

用于发光设备的量子限制结构能够改善载流子和光子的动力学特性。然而，通过纳米结构增加限制程度会减小器件的有效面积，从而导致发光强度降低。尽管发光效率较高，但实际的有效发光效果却减弱了。本研究通过采用相互连接的纳米线结构（呈网状）来解决这一问题，这种结构在不丧失极端量子限制优势的同时扩大了有效发光区域，并形成了一个横向光学腔体。该光学腔体增强了频率选择性，使其与纳米线的发射特性相匹配。我们采用了InGaN/GaN多量子阱（MQW）异质结构，并将其转化为矩形纳米线网状结构以提高发光效率。利用电子束光刻和干法/湿法刻蚀技术将MQW区域重构为矩形纳米线网状结构。光致发光（PL）测量结果显示，与平面MQW结构相比，纳米线网状结构的发射强度提高了一个数量级，这归因于载流子限制的增强、光子提取效率的提升以及光学腔体的作用。飞秒差分吸收光谱实验表明，载流子更快地被捕获到网状区域，并为活性区域提供了更多的载流子。通过时间相关单光子计数（TCSPC）进行的时间分辨PL测量证实，网状结构中的辐射复合速率更高。阿伦尼乌斯分析显示，网状结构的热激活能更高，表明非辐射途径受到了抑制。有限差分时域（FDTD）模拟结果证实纳米线网状结构内存在光学腔体共振现象，这与实验获得的PL峰值非常吻合。通过调节腔体间距来实现发射波长的可调性，为开发波长选择性器件提供了可行的途径。我们的研究结果共同表明，纳米线网状结构能够同时提升载流子注入效率、辐射效率和光子提取效率，为高效光电器件（如发光二极管和激光器）的开发提供了一个有前景的平台。