氮化物基发光二极管（LED）可广泛应用于照明、显示及通信领域。其中，光源的线偏振特性作为一项关键的功能扩展，为显示背光、3D成像、信息加密和生物医学诊断等领域开辟了全新的应用路径。然而，现有的在c平面蓝宝石衬底上外延生长的LED普遍被视为非偏振光源，偏振消光比（ER）极低，难以满足应用需求。研究发现，通过在LED表面集成线偏振光学结构可以提高ER，这些结构作为模式选择层提取横向磁（TM）模式，实现偏振发射。然而，由于横向电（TE）模式被吸收或反射，不可避免地导致至少50%的效率损失。这种偏振发射与发光效率之间的矛盾制约了线偏振LED的发展和应用。
针对这一难题，西安交大电信学部电子科学与工程学院先进光电所云峰教授团队通过创新设计，成功引入了具有损耗模式回收机制的Ag/GaN超构光栅结构，解决了线偏振LED中偏振与效率之间的矛盾，实现了发光效率与偏振度的双重提升。特殊设计的超构光栅结构采用低成本的激光干涉光刻技术制造，通过双折射效应诱导TE/TM模式转换，同时借助Bragg散射建立动量补偿，促进被捕获TM模式的解耦合出射。在此基础上，团队进一步集成了Al纳米光栅的模式选择层，成功实现了基于氮化镓的蓝色线偏振Micro-LED。该Micro-LED在±60°的视角范围内实现了21.92 dB的平均偏振消光比（ER），与传统Ag反射器设计相比，其发光效率提升了2.04倍，ER提高了1.32倍。这一研究成果显著降低了能量损失，成功突破了偏振发射光源的效率瓶颈，为应用于信息加密、未来显示、光通信及医学等领域的下一代高效低成本光电器件开辟了道路。
高效线偏振微型发光二极管的性能
该成果以《集成双功能超构光栅的高效线偏振微型发光二极管》（High-efficient and linearly polarized light emission of Micro-LED integrated with double-functioned meta-grating）为题，在国际权威期刊《纳米快报》（Nano Letters）上发表。论文第一作者为电子学院博士生王旭正，其前期工作荣获第十届国际第三代半导体论坛（IFWS&SSLCHINA2024）最佳poster一等奖。电子学院云峰教授、李峰教授及田振寰副教授为论文共同通讯作者。西安交通大学为第一作者单位和唯一通讯作者单位。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持，论文的表征及测试工作得到了贾春林科学家工作室研究人员的支持。
云峰教授课题组近年来致力于推进超表面在第三代半导体材料及光电器件中的应用。前期工作已获10余项国家发明专利，并在Photonics Research、Optics Express、Journal of Applied Physics等最具影响力期刊上发表了一系列研究成果。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04914
来源：西安交通大学交大新闻网
