利用浸提法制备聚苯乙烯纳米球阵列提升 InGaN/GaN LED 光提取效率

摘要

本文演示了一种结合后沉积刻蚀的低成本浸提法，在氧化铟锡（ITO）玻璃上制备周期性聚苯乙烯纳米球（PS NS）单层阵列。该单层阵列作为光子晶体窗口，提升 InGaN/GaN 发光二极管（LED）的光提取效率（LEE）。通过调节浸提速度和 PS NS 悬浮液浓度，实现了 100 nm 直径、x 和 y 方向均为 100 nm 周期的阵列。优化结构在 20 mA 下使 LED 输出功率提升 38%，验证了该方法在可扩展 LED 制造中的有效性。

背景

光子晶体（PCs）常用于提升 LED、太阳能电池、光电探测器等光电器件性能。PCs 在波长尺度创建周期性折射率调制，可将导引模式衍射为辐射模式。虽然高折射率对比 PCs 可开启全带隙，但制造复杂性和材料限制阻碍了其在 LED 中的实际应用。另一策略是利用 PCs 的周期性将导引光的面内波矢移入逃逸锥，从而提高光提取效率（LEE）。

GaN 基 LED 面临严重的光困住问题，因 GaN/空气界面全全反射（TIR）临界角仅约 23°。因此，外量子效率（EQE）主要受 LEE 限制。包括纹理蓝宝石衬底、图案化 GaN 表面、侧壁粗糙化等多种方法已被探索，但各面临化学损伤或扩展性受限等实际挑战。

自组装 PS NS 涂层提供了一种有前景的低成本替代方案。它们可在大面积上以最少设备沉积，无需高温处理或强腐蚀刻蚀。本工作系统研究了 PS NS 单层在 ITO 上的浸提沉积，优化悬浮液浓度和浸提速度，并在 InGaN/GaN LED 中实现了 38% 的 LEE 提升。

实验部分

浸提法

浸提装置由带可控出口阀的玻璃储液器组成。去离子水-PS NS 胶体混合液搅拌至目标浓度，ITO 包覆基底以规定速度降入液面。典型 PS NS 尺寸为 100、200、500 nm，稀释浓度分别为 4.1×10¹¹、5.1×10¹⁰、3.2×10⁹ 个/cm³。

沉积后，基底室温干燥约 1.5 小时。采用氧等离子体处理（0-10 秒）使表面亲水化，优化 PS NS 附着同时避免过度损伤 ITO。

LED 制备

InGaN/GaN 蓝光 LED 通过 MOCVD 在 c 面蓝宝石上生长。结构包括低温 GaN 缓冲层、重硅掺杂 n-GaN、InGaN/GaN 多量子阱（MQWs）、镁掺杂 p-GaN。ITO 沉积在 p-GaN 层上作为透明导电层。通过光刻定义 mesa 隔离（300×300 µm²），Ti/Pt/Au 接触电极在 450 °C 合金化 5 分钟。完成的晶圆随后浸入 PS NS 悬浮液形成单层阵列。

结果与讨论

扫描电镜（SEM）显示 PS NS 排列对浸提速度高度敏感。高速（0.05 mL/s）下颗粒分散；降速至 0.01 mL/s 得到疏松层；0.005 mL/s 产生紧密单层。同速度下大尺寸球体（200-500 nm）因更强毛细力更易自组装。

悬浮液浓度也决定覆盖度。100 nm PS NS 浓度低于 4.1×10¹¹ 个/cm³ 留有空隙；高于 5.4×10¹¹ 个/cm³ 形成多层，降低透射率。因此，紧密单层的最佳条件为：100 nm PS NS 速度 0.005 mL/s、浓度 4.1×10¹¹ 个/cm³；200 nm 为 5.1×10¹⁰ 个/cm³；500 nm 为 3.2×10⁹ 个/cm³。

有限差分时域（FDTD）模拟显示，100 nm 周期、100 nm 直径的 PS NS 单层提供最高提取光强，模拟 LEE 相对裸 LED 提升约 40%。增强源于面内波矢衍射移入逃逸锥。

实验上，优化 PS NS 窗口的 LED 在 20 mA 下光输出提升 38%（从 112.9 mcd 至 148.0 mcd）。I-V 特性不变，确认沉积工艺不改变电学行为。无序或多层 PS NS 阵列的 LED 仅略优于或劣于裸器件，凸显规则单层的重要性。

晶圆级均匀性优异：LEE 增强标准差 1.4%，正向电压和光输出变异均 <3%。电致发光光谱显示 PS NS 增强 LED 在 465.5 nm 处峰值更强、更窄，反映再吸收减少和出射耦合改善。

结论

我们建立了一种简单、可扩展的浸提协议，在 ITO 上制备周期性 PS NS 单层，作为 InGaN/GaN LED 的有效光子晶体窗口。优化浸提速度（0.005 mL/s）和悬浮液浓度（100 nm PS NS 为 4.1×10¹¹ 个/cm³）可获得 100 nm 周期阵列，在 20 mA 下将 LEE 提升 38%。该方法兼容标准 LED 工艺，无需高温步骤，适合大面积生产。

缩略语

EQE

外量子效率

FDTD

有限差分时域

ITO

氧化铟锡

I-V

电流-电压

LED

发光二极管

LEE

光提取效率

L-I

光输出-电流

PCs

光子晶体

PS NS

聚苯乙烯纳米球

SEM

扫描电子显微镜

TIR

全反射