納米結構增強倒置薄膜發(fā)光二極管發(fā)光效率的研究.pdf

1、半導體發(fā)光二極管(light-emitting diodes，LEDs)，通常稱之為LED，是一種具有高電光轉換效率的新型固態(tài)照明器件，其中GaN基藍光LED是制備照明白光LED的基礎，那么提高其發(fā)光效率對發(fā)展高效的白光LED就具有重要的價值和意義。相比傳統(tǒng)的白熾燈以及熒光燈照明設備，目前LED的電光轉換效率分別提高了約15倍和4倍。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界大概總耗電量的20％用來照明，以中國每年約3000億度照明用電量來算，如果全部采用L

2、ED照明最少也可以節(jié)約大概2000億度電，等同于減少大約2億噸的碳排放。另外LED除了具有壽命長、易維護以及發(fā)熱小等優(yōu)點之外，還具有許多更適合實際應用的特點，比如體積小、重量輕、抗震、耐碰撞、不易碎以及響應時間短等。
　　然而，除了價格因素之外，較低的LED發(fā)光效率卻大大限制了其替代傳統(tǒng)照明光源的進度。LED發(fā)光效率主要由內(nèi)量子效率和外量子效率這兩個因素決定，其中內(nèi)量子效率已經(jīng)超過70％，甚至在一定條件下接近理論極限值。如何把高內(nèi)

3、量子效率激發(fā)出來的光從LED結構中提取出來，成為了突破LED發(fā)光效率的關鍵因素。因為LED結構中的半導體材料與空氣之間存在較大的折射率差，由此引來的全反射和菲涅爾反射現(xiàn)象限制了大部分輻射光到空氣中的逃逸，只有入射角小于全反射角的輻射光才能通過逃逸角錐上交界面逃逸到空氣中，而位于逃逸角錐之外的輻射光全被反射回LED結構中損耗掉。世界上許多國家和組織相繼提出了有關增強LED發(fā)光效率的計劃和方案，比如美國能源部國家半導體照明計劃(Nation

4、al research program on semiconductor lighting)、歐盟的彩虹方案(Rainbowproject brings color to LEDs)以及中國的“半導體照明產(chǎn)業(yè)化技術開發(fā)”重大項目（簡稱國家半導體照明工程）等。因此如何提高LED光提取效率成為研究LED發(fā)光效率的熱點和難點，也是本文研究的重點。
　　增強LED光提取效率的方法和技術手段非常多，歸納起來主要包括兩種思路:第一種就是把向四

5、周以及底面輻射光最大化的向頂端出光面反射匯聚，然后利用表面處理技術把光從頂端出光面提取出來;另外一種思路就是讓輻射光最大化向逃逸角錐空間內(nèi)自動匯聚，并自發(fā)的輻射到空氣中。本文就是把這兩種思路結合起來研究倒置薄膜LED光提取效率，首先利用倒置薄膜LED的微腔效應把輻射光最大化向逃逸角錐內(nèi)匯聚，使得輻射光最大程度自動逃逸到空氣中;而對于逃逸角錐之外并在LED結構中形成的導模光，利用二維光子晶體對光全向提取特性來提取到空氣中。通過這兩種技術手

6、段的優(yōu)勢結合來實現(xiàn)增強LED光提取效率的效果。
　　把電磁理論分析和數(shù)值計算結合起來分析LED結構以及光子晶體結構對光提取效率的影響，可以為LED設計、實驗以及生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)。本文以增強LED光提取效率為目的，采用時域有限差分(Finite difference time domainmethod，F(xiàn)DTD)電磁數(shù)值計算仿真和理論分析相結合的方法，對LED光提取效率以及相關問題進行了仔細研究。本文主要研究內(nèi)容包括以下五

7、個方面:
　?。ㄒ唬ED的發(fā)光機制與發(fā)光效率進行了分析， LED的PN結輻射發(fā)光與電偶極子具有類似的輻射模式，這為電磁數(shù)值仿真計算中對LED有源層的電偶極子近似提供了理論依據(jù)。結合LED結構特點和光提取效率分析，建立了FDTD數(shù)值計算模型并完成了算法所需的設置。
　?。ǘ┩ㄟ^對無源和有源法布里微腔結構諧振原理分析，解釋了倒置薄膜LED中微腔效應對微腔模式數(shù)量以及輻射光在逃逸角錐內(nèi)的匯聚特性，利用FDTD計算結果分析了微

8、腔厚度以及輻射源相對位置對光提取效率的影響。
　?。ㄈ┓治隽斯庾泳w對輻射光的提取機制，從光波導理論上分析了光子晶體把逃逸角錐之外的導模轉化成可以輻射到空氣中的泄露模的衍射條件，這也為光子晶體結構參數(shù)選擇和優(yōu)化提供了依據(jù)。
　　（四）研究了p-GaN層深度刻蝕光子晶體對倒置薄膜LED光提取效率的影響。詳細討論了有源層相對位置、光子晶體刻蝕深度、深度刻蝕光子晶體中有源層相對位置以及光子晶體晶格常數(shù)和填充率對光提取效率的影響，

9、并對深度刻蝕光子晶體結構參數(shù)進行了優(yōu)化。
　?。ㄎ澹┭芯苛穗p嵌入光子晶體對倒置薄膜LED光提取效率的影響。詳細分析了倒置薄膜垂直結構和光子晶體參數(shù)對光提取效率的影響，其中垂直結構主要包括p-GaN層光子晶體底部到反射鏡距離、刻蝕深度、頂部到有源層的距離以及n-GaN層光子晶體底部到有源層的距離和刻蝕深度;光子晶體參數(shù)主要包括晶格常數(shù)和填充率，并對雙嵌入光子晶體結構參數(shù)進行了優(yōu)化。
　　本文主要研究具有高發(fā)光效率的納米結構Ga

10、N基倒置薄膜LED模型，分析倒置薄膜LED垂直結構和光子晶體納米結構對其光提取效率的影響。根據(jù)仿真計算結果，分析和討論影響到增強LED光提取效率的結構參數(shù)以及相關物理機制，來獲得優(yōu)化模型結構。這些研究結果和數(shù)據(jù)可以為LED的實際實驗、生產(chǎn)和制作提供理論和參數(shù)依據(jù)。主要創(chuàng)新點包括以下三個方面:
　?。ㄒ唬┌延脕碓鰪妭鹘y(tǒng)頂端輻射LED光提取效率的p-GaN層深度刻蝕光子晶體以及嵌入光子晶體這兩種技術手段，應用到倒置薄膜LED結構中，結

11、合光子晶體全向提取特性和倒置薄膜LED微腔效應二者優(yōu)勢增強LED光提取效率。通過與平板倒置薄膜LED光提取效率的比較，計算結果表明深度刻蝕光子晶體以及嵌入式光子晶體并沒有對微腔效應造成明顯破壞作用，而且還降低了光提取效率對有源層相對位置的依賴性。
　?。ǘ┰O計了具有p-GaN層深度刻蝕光子晶體的倒置薄膜LED模型，通過掃描光子晶體結構參數(shù)對光提取效率的影響，參數(shù)優(yōu)化的結構可以把光提取效率提高到～65％。在研究中，利用內(nèi)部輻射方向

12、圖在法向匯聚程度解釋了形成峰值光提取效率的現(xiàn)象，也對不同結構參數(shù)對應的內(nèi)部強度輻射方向圖進行了對比分析，并利用光子晶體對導模的衍射理論進行了解釋。
　　（三）設計了具有雙嵌入光子晶體的倒置薄膜LED模型，雙嵌入光子晶體分別位于有源層下面的p-GaN以及有源層上面的n-GaN中。主要分析了垂直結構和光子晶體參數(shù)對光提取效率的影響，其中垂直結構主要包括p-GaN層光子晶體底部到反射鏡距離、刻蝕深度、頂部到有源層的距離以及n-GaN層光

13、子晶體底部到有源層的距離和刻蝕深度;光子晶體參數(shù)主要包括晶格常數(shù)和填充率。結構優(yōu)化計算順序從下向上依次進行，雙層光子晶體之間波導厚度越薄對光提取效率越有利，經(jīng)過優(yōu)化參數(shù)的雙嵌入光子晶體結構相比平板倒置薄膜LED，光提取效率增強了約1.8倍。
　　本論文分析和討論了影響到倒置薄膜LED光提取效率增強的結構參數(shù)以及相關物理機制，并得到了最大化提取效率的優(yōu)化結構。這些研究和數(shù)據(jù)可以為大電流和高功率LED的實際生產(chǎn)和制作提供理論和參數(shù)依據(jù)