氮化物基發(fā)光二極管（LED）可廣泛應(yīng)用于照明、顯示及通信領(lǐng)域。其中，光源的線偏振特性作為一項(xiàng)關(guān)鍵的功能擴(kuò)展，為顯示背光、3D成像、信息加密和生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域開辟了全新的應(yīng)用路徑。然而，現(xiàn)有的在c平面藍(lán)寶石襯底上外延生長的LED普遍被視為非偏振光源，偏振消光比（ER）極低，難以滿足應(yīng)用需求。研究發(fā)現(xiàn)，通過在LED表面集成線偏振光學(xué)結(jié)構(gòu)可以提高ER，這些結(jié)構(gòu)作為模式選擇層提取橫向磁（TM）模式，實(shí)現(xiàn)偏振發(fā)射。然而，由于橫向電（TE）模式被吸收或反射，不可避免地導(dǎo)致至少50%的效率損失。這種偏振發(fā)射與發(fā)光效率之間的矛盾制約了線偏振LED的發(fā)展和應(yīng)用。

針對這一難題，西安交大電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)光電所云峰教授團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成功引入了具有損耗模式回收機(jī)制的Ag/GaN超構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)，解決了線偏振LED中偏振與效率之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了發(fā)光效率與偏振度的雙重提升。特殊設(shè)計(jì)的超構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)采用低成本的激光干涉光刻技術(shù)制造，通過雙折射效應(yīng)誘導(dǎo)TE/TM模式轉(zhuǎn)換，同時借助Bragg散射建立動量補(bǔ)償，促進(jìn)被捕獲TM模式的解耦合出射。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步集成了Al納米光柵的模式選擇層，成功實(shí)現(xiàn)了基于氮化鎵的藍(lán)色線偏振Micro-LED。該Micro-LED在±60°的視角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了21.92 dB的平均偏振消光比（ER），與傳統(tǒng)Ag反射器設(shè)計(jì)相比，其發(fā)光效率提升了2.04倍，ER提高了1.32倍。這一研究成果顯著降低了能量損失，成功突破了偏振發(fā)射光源的效率瓶頸，為應(yīng)用于信息加密、未來顯示、光通信及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的下一代高效低成本光電器件開辟了道路。

高效線偏振微型發(fā)光二極管的性能

該成果以《集成雙功能超構(gòu)光柵的高效線偏振微型發(fā)光二極管》（High-efficient and linearly polarized light emission of Micro-LED integrated with double-functioned meta-grating）為題，在國際權(quán)威期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）上發(fā)表。論文第一作者為電子學(xué)院博士生王旭正，其前期工作榮獲第十屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS&SSLCHINA2024）最佳poster一等獎。電子學(xué)院云峰教授、李峰教授及田振寰副教授為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)為第一作者單位和唯一通訊作者單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，論文的表征及測試工作得到了賈春林科學(xué)家工作室研究人員的支持。

云峰教授課題組近年來致力于推進(jìn)超表面在第三代半導(dǎo)體材料及光電器件中的應(yīng)用。前期工作已獲10余項(xiàng)國家發(fā)明專利，并在Photonics Research、Optics Express、Journal of Applied Physics等最具影響力期刊上發(fā)表了一系列研究成果。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04914

來源：西安交通大學(xué)交大新聞網(wǎng)