n-AlGaN表面粗糙度调控对紫外Mini-LED光电性能的影响机制研究

为解决AlGaN基紫外Mini-LED光提取效率(LEE)低、外量子效率(EQE)受限等问题，研究人员通过化学蚀刻调控n-AlGaN表面粗糙度，结合FDTD模拟和电光测试，证实粗糙化处理可同步提升LEE（提升300%）与EQE，并优化热性能，为垂直结构器件工艺优化提供关键依据。

　　

紫外光发光二极管（UV LED）因其无汞环保、波长可调等优势，在消毒、光刻等领域展现出巨大潜力。然而，AlGaN基紫外Mini-LED的发展长期受困于低光提取效率（LEE）和显著的全内反射（TIR）效应。由于AlGaN与空气间的高折射率差，大部分光子被限制在器件内部形成波导模式，最终被材料重新吸收。尽管已有研究通过表面粗糙化、纳米图案化等手段改善LEE，但针对垂直结构中n-AlGaN层的粗糙度调控机制仍缺乏系统研究。

厦门大学的研究团队在《Journal of Luminescence》发表论文，通过激光剥离（LLO）技术去除蓝宝石衬底后，采用不同时长KOH溶液蚀刻n-AlGaN表面，制备了四种粗糙度的300×300 μm²紫外Mini-LED。结合原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）表征和有限时域差分法（FDTD）模拟，揭示了表面形貌与光电性能的构效关系。

关键技术包括：1）金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长AlGaN外延结构；2）激光剥离去除蓝宝石衬底；3）KOH溶液梯度时间蚀刻（0/3/6/9分钟）调控粗糙度；4）AFM/SEM定量表征表面形貌；5）FDTD模拟光子散射路径。

实验结果

1. 电学特性：所有器件开启电压均为3.3 V，但9分钟蚀刻样品在100 mA电流下正向电压（V_f）升高至4.2 V，表明过度蚀刻可能损伤电极接触。
2. 光学性能：6分钟蚀刻样品LEE提升最显著，因粗糙表面打破TIR临界角限制，FDTD模拟显示光子逃逸概率增加47%。
3. 热管理：红外热成像显示粗糙表面器件温度降低8°C，源于波导模式减少导致的非辐射复合热耗散下降。

结论与意义
该研究首次阐明n-AlGaN表面粗糙度与垂直结构Mini-LED性能的定量关系：适度粗糙化（蚀刻6分钟）可使EQE提升至未处理样品的1.8倍，但过度处理会劣化电学性能。通过建立"蚀刻时长-形貌特征-光电响应"关联模型，为高亮度紫外Mini-LED的工艺优化提供了普适性指导。研究团队特别指出，未来需平衡蚀刻工艺对欧姆接触与光提取的差异化影响，这一发现对实现5G光通信、深紫外杀菌等应用具有重要工程价值。