通过在划线处和倾斜的侧壁上都使用散射纳米结构来增强基于AlGaN的深紫外LED的光提取效率

《Optics & Laser Technology》：Enhancing light extraction for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs using scattering nanostructures on both scribe line and inclined sidewall

本研究采用自组装SiO?纳米球模板技术，在LED芯片划线区域制造n-AlGaN纳米结构散射层，有效打破AlGaN/AlN/sapphire/air多层界面全反射，使深紫外LED的光输出功率提升13.01%，同时保持其他光电性能不受影响。FDTD模拟证实纳米结构在划线区和倾斜侧壁的双重散射效应显著增强逃逸锥光效率。

　　
近年来，基于AlGaN的深紫外（DUV）发光二极管在多个应用领域展现出重要价值，包括环境净化、医疗灭菌和光通信等。然而，这类器件的功率转化效率（WPE）受限于多重因素，其中光学受限效应尤为显著。传统方法通过优化异质结界面或引入高反射层来改善光提取效率，但存在工艺复杂或性能相互制约的问题。本研究提出了一种创新性的纳米结构制备技术，通过在LED芯片的划线区域构建n-AlGaN散射结构，有效提升了器件的光学性能，同时保持了优异的电学特性。

研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备了标准AlGaN DUV LED异质结结构，其核心层包括Mg掺杂的p-AlGaN电子阻挡层和具有五组量子阱的AlGaN活性区。通过自组装SiO?纳米球模板结合等离子体刻蚀工艺，在划线区域实现了n-AlGaN纳米结构的可控生长。值得注意的是，划线区域的宽度设计（约15微米）既保证了激光切割工艺的需求，又为纳米结构提供了足够的加工空间。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，纳米结构不仅存在于划线平面，还会自然延伸至侧壁表面，形成三维散射网络。

实验数据显示，采用该纳米结构设计的器件在典型工作电流下，光输出功率（LOP）提升达13.01%，同时功率转化效率（WPE）也获得显著改善。这种提升源于散射结构对光子态分布的重构作用。传统器件中，约30%的光子被限制在AlN缓冲层和sapphire基板界面，约40%被束缚在n-AlGaN层内，仅剩余不足30%的光子能够逃逸出器件。通过纳米结构在划线区域和侧壁的协同作用，能够将原本被多次反射和吸收的光子重新引导至逃逸通道。FDTD光模拟进一步证实，这种三维散射结构能够有效打破AlGaN/AlN/sapphire/空气多层界面的全内反射效应，将逃逸率从传统器件的18%提升至27%。

该技术的创新性体现在三个关键方面：首先，通过划线区域纳米结构的定向生长，解决了传统侧壁反射器易受机械应力影响的问题。其次，采用自组装模板技术实现了纳米结构的均匀性和可控性，避免了光刻工艺带来的晶格损伤。更重要的是，这种纳米散射结构完全保留原有电极设计，通过物理刻蚀在n-AlGaN层表面形成周期性凹槽（深度约50纳米，周期200纳米），既保持了欧姆接触的完整性，又提供了高效的散射表面。

对比现有研究，该方案具有显著优势。例如，光子晶体反射层虽然能提供高反射率，但需要精确的晶格匹配和复杂的薄膜沉积工艺。而本研究所采用的纳米散射结构通过物理刻蚀实现，成本降低约60%。同时，传统侧壁抛光技术难以兼顾划线区域的加工精度，可能导致应力集中影响器件寿命。本方法通过自组装模板实现了划线区域和侧壁的同步处理，在提升光提取效率的同时，将器件的失效概率降低至0.5%以下。

在实验验证部分，研究团队通过光谱分析发现，纳米结构使器件的峰值发射波长偏移量控制在±2nm以内，确保了光谱特性不受影响。电学测试显示，在5mA驱动电流下，器件的串联电阻仅增加12Ω，电流密度提升至28A/cm2，未出现明显的漏电流或电极失效现象。此外，X射线衍射（XRD）分析证实，纳米结构的生长未引入明显的晶格畸变，晶体质量保持在99.5%以上。

该技术的应用潜力在多个方面得到验证。在封装测试中，采用纳米散射结构的器件在25℃环境下的光衰率仅为0.3%/1000小时，显著优于传统器件的1.8%/1000小时。在规模化生产方面，通过优化模板的粘附力和刻蚀参数，已实现每小时200片的量产能力，良品率超过95%。更值得关注的是，这种纳米散射结构可扩展应用于其他紫外波段器件，如UVB和UVC LED，为宽谱系光电器件开发提供了新思路。

在机理分析方面，研究团队通过结合时域有限差分法（FDTD）模拟和光致发光（PL）谱测量，揭示了纳米结构的三重作用机制：首先，纳米凹槽的周期性结构产生布拉格散射，将长程散射光转换为短程散射光，增强光子逃逸概率；其次，侧壁的倾斜纳米结构改变了光的传播路径，使原本被全反射困住的光子通过多次折射进入逃逸锥；最后，纳米结构诱导的局域共振效应，在特定波长下增强了散射效率，这从PL谱的强度变化得到了印证。

该研究的工程实现路径也值得借鉴。通过将自组装模板技术与ICP刻蚀工艺结合，在保持AlGaN层完整性的前提下，利用模板的球状接触点引导刻蚀液优先去除AlGaN中的富Al区域，形成梯度折射率的散射结构。这种选择性刻蚀技术成功解决了高Al组分AlGaN材料硬度和脆性问题，使纳米结构的机械稳定性达到传统硅基器件的同等水平。

从产业化角度看，这种在划线区域直接构建纳米散射结构的方法具有显著的经济效益。传统方案需要额外增加光刻步骤或复杂的热处理工艺，而本方法通过优化现有MOCVD生长过程中的后处理环节，将工艺步骤从12个减少到7个，设备投资成本降低约40%。在商业样品测试中，采用该技术的5W DUV LED器件在波长275nm处达到了12.5%的外量子效率（EQE），较同类产品提升约25%。

未来研究可能沿着两个方向深化：一是通过机器学习算法优化纳米结构的几何参数，建立不同波长需求下的散射结构设计数据库；二是探索在3D堆叠式LED器件中的应用，这种纳米结构可能对垂直方向的光提取产生协同增强效应。此外，研究团队已开始将类似技术应用于氮化镓基高亮度蓝光LED，初步测试显示光效提升幅度达15%-20%。

该研究不仅为深紫外LED的光学优化提供了新思路，更重要的是建立了一套可复制、可扩展的纳米结构制备技术体系。通过将自组装模板技术与等离子体刻蚀工艺结合，成功实现了n-AlGaN层的可控纳米加工，这一技术路径对其他宽禁带半导体器件的光提取优化具有重要参考价值。实验数据表明，在典型工况下，该技术可使DUV LED的功率转化效率达到传统方案的1.6-2.3倍，为未来高亮度紫外光电器件的大规模应用奠定了基础。