氮化物基發(fā)光二極管（LED）可廣泛應用于照明、顯示及通信領(lǐng)域。其中，光源的線偏振特性作為一項關(guān)鍵的功能擴展，為顯示背光、3D成像、信息加密和生物醫(yī)學診斷等領(lǐng)域開辟了全新的應用路徑。然而，現(xiàn)有的在c平面藍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，難以滿足應用需求。研究發(fā)現(xiàn)，通過在LED表面集成線偏振光學結(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)展和應用。

針對這一難題，西安交大電信學部電子科學與工程學院先進光電所云峰教授團隊通過創(chuàng)新設計，成功引入了具有損耗模式回收機制的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，實現(xiàn)了發(fā)光效率與偏振度的雙重提升。特殊設計的超構(gòu)光柵結(jié)構(gòu)采用低成本的激光干涉光刻技術(shù)制造，通過雙折射效應誘導TE/TM模式轉(zhuǎn)換，同時借助Bragg散射建立動量補償，促進被捕獲TM模式的解耦合出射。在此基礎(chǔ)上，團隊進一步集成了Al納米光柵的模式選擇層，成功實現(xiàn)了基于氮化鎵的藍色線偏振Micro-LED。該Micro-LED在±60°的視角范圍內(nèi)實現(xiàn)了21.92 dB的平均偏振消光比（ER），與傳統(tǒng)Ag反射器設計相比，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，為應用于信息加密、未來顯示、光通信及醫(yī)學等領(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》（Nano Letters）上發(fā)表。論文第一作者為電子學院博士生王旭正，其前期工作榮獲第十屆國際第三代半導體論壇（IFWS&SSLCHINA2024）最佳poster一等獎。電子學院云峰教授、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基金項目的支持，論文的表征及測試工作得到了賈春林科學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超表面在第三代半導體材料及光電器件中的應用。前期工作已獲10余項國家發(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：西安交通大學交大新聞網(wǎng)