近日，西安交通大学电子科学与工程学院先进光电所云峰教授团队实现了一种集成Al纳米光栅和特殊设计的Ag/GaN超构光栅的GaN基蓝色Micro-LED，利用模式选择和损耗模式能量回收的协同作用，解决了发光效率和偏振度之间的矛盾，实现了偏振消光比和发光效率的同步提升，从而为加密、显示、光通信和医学领域中的下一代高效低成本光电器件开辟了道路。该研究成果以“High-efficient and linearly polarized light emission of Micro-LED integrated with double-functioned meta-grating”为题，发表于国际著名期刊《Nano Letters》上。论文第一作者为西安交通大学电子科学与工程学院博士生王旭正，田振寰副教授、李峰教授及云峰教授为论文共同通讯作者。
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。
该论文通过创新设计，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Micro-LED的测试性能。(a)器件结构示意图。(b)电流-电压曲线。(c) TM模式电致发光强度。(d)偏振消光比。(e)文献对比结果。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04914
