氧化物微納米結(jié)構(gòu)提高GaN基LED光提取效率的研究.pdf

1、發(fā)光二極管(Light-emittingdiodes，LED)是目前最具前景的固態(tài)光源，被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。獲得高效率高亮度LED的關(guān)鍵在于提高LED外量子效率，LED外量子效率由內(nèi)量子效率和光提取效率的乘積決定。目前，LED內(nèi)量子效率已經(jīng)較高（大于70％），但是低的光提取效率嚴重限制了LED的外量子效率。通過增加光提取效率來提高LED的外量子效率已成為當(dāng)前的一個研究熱點。
　　本論文以提高GaN基LED的光提取效率為研究目標(biāo)，

2、通過在LED出光面設(shè)計和制備氧化鋅(ZnO)納米結(jié)構(gòu)陣列、ZnO微納復(fù)合結(jié)構(gòu)和二氧化鈦(TiO2)微米簇來提高GaN基LED的光提取效率，并對其光學(xué)和電學(xué)性能進行深入研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　1、研究了ZnO納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀對光提取效率的影響，并制備了ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列提高LED的光提取效率。運用幾何光學(xué)方法分析得到等腰三角形比矩形的光提取效率高的結(jié)論，推廣到三維情況，提出錐比棒的光提取效率高的推論。通過水溶液沉積法在LED

3、的氧化銦錫(ITO)電流擴展層上生長了ZnO納米棒陣列，LED的光功率提高了約60％;調(diào)節(jié)生長條件制備了ZnO納米錐陣列，LED的光功率提高了約110％。理論和實驗結(jié)果都表明ZnO納米錐陣列比ZnO納米棒陣列能更有效地提高LED的光提取效率。
　　2、利用模板法和水溶液沉積法在石英玻璃上制備了ZnO微米網(wǎng)孔和納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，研究了其入射角度分辨的光透過特性，以此為指導(dǎo)，在LED表面制備了兩種ZnO微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了LED的光提取

4、效率，探討了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的光提取增強機制。實驗結(jié)果表明，在宏觀上ZnO微米網(wǎng)孔的二維衍射光柵作用和ZnO納米棒陣列的光散射作用可以協(xié)同增強光從高折射率材料到空氣的透過率。ZnO微米網(wǎng)孔和納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了LED的光功率95.9％，共聚焦掃描電致發(fā)光顯微成像在微觀上表明ZnO微米網(wǎng)孔和納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)能集成ZnO微米網(wǎng)孔孔壁側(cè)面出光作用和ZnO納米棒陣列光散射作用;ZnO微米柱和納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了LED的光功率86.4％，ZnO微米柱和

5、納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)能集成ZnO微米柱側(cè)面出光作用和ZnO納米棒光散射作用。
　　3、設(shè)計和制備了嵌入式周期排列TiO2微米簇，提高了LED的光提取效率，深入研究了TiO2微米簇的光提取增強機制。首先設(shè)計了一種將TiO2微米簇周期性嵌入在ITO和p-GaN之間的LED結(jié)構(gòu)模型，期望能夠同時利用TiO2微米簇增強光提取以及利用ITO保持電流擴展獲得高性能LED。在實驗上通過模板法和酸熱法制備了嵌入式六方排列TiO2微米簇LED和嵌入式四方

6、排列TiO2微米簇，LED電學(xué)性能保持良好。嵌入式六方排列TiO2微米簇能增加LED光功率171.1％，結(jié)合藍寶石襯底粗化能增加LED光功率225.3％。封裝后嵌入式六方排列TiO2微米簇+襯底粗化LED比封裝空白LED的光功率增加82.1％。光學(xué)顯微成像和共聚焦掃描電致發(fā)光顯微成像直觀地顯示了TiO2微米簇的光提取增強作用，TiO2微米簇的導(dǎo)光和光散射作用是提高LED光提取效率的主要原因。超低溫PL光譜測試顯示嵌入式六方排列TiO2微