納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率機制的研究.pdf

1、隨著全世界范圍能源危機和環(huán)境污染的日益加劇，節(jié)能減排成為解決當前能源和環(huán)境問題的重要手段。而發(fā)光二極管（Light-emitting diode，LED）作為一種新型綠色照明光源已逐漸引領了照明領域未來發(fā)展的趨勢。因此，針對LED的研究尤其是作為白光LED基礎的GaN基藍光LED的研究引起了世界范圍內(nèi)研究者的高度關注。
　　隨著半導體器件制備工藝水平的不斷提高，當前針對LED的研究取得了一些進展，但是要實現(xiàn)全面取代現(xiàn)有傳統(tǒng)照明光源

2、的目標仍然需要大幅度提高LED的發(fā)光效率。LED的發(fā)光效率主要包括兩個方面:一個是內(nèi)量子效率(Internal quantumefficiency，IQE)，即電子轉(zhuǎn)化為光子的效率;一個是光提取效率(Light-extractionefficiency，LEE)，也就是光子從LED芯片內(nèi)部發(fā)射出來的效率。當前，隨著半導體材料質(zhì)量的不斷提高和生長工藝水平的不斷進步，GaN基藍光LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)超過了70％，并逐漸趨于理論上的極限值，

3、而光提取效率卻由于LED表面的全反射(Total internal reflection，TIR)和Fresnel反射等原因仍然非常低。為此，通過合理設計并優(yōu)化LED的外延結(jié)構(gòu)來提高其光提取效率就非常有意義。
　　當前，已經(jīng)有很多種方法如表面粗化、光子晶體(Photonic crystals，PhCs)等被用來提高LED的光提取效率，并取得了一定的效果。然而，我們?nèi)匀恍枰粩嗵剿餍碌挠行ЫY(jié)構(gòu)并進行優(yōu)化以進一步提高LED的光提取效率

4、。同時，目前國內(nèi)外針對提高LED光提取效率方法的研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化尚缺少明確的理論指導，而單純通過樣品的設計和制備來優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)無疑會耗費大量的時間和財力。近年來，計算機硬件水平的不斷提高和仿真算法的不斷改進為以上問題的解決提供了有效的手段，大大提高了設計效率，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
　　同時，盡管當前人們在提高LED光提取效率的研究方面取得了一些進展，然而，關于這些方法對LED內(nèi)部電性能和熱性能的影響卻很少被研究，而這些性質(zhì)對于LE

5、D的設計和制造卻是非常重要的。首先，當前LED隨著注入電流密度的增大出現(xiàn)了效率迅速下降的現(xiàn)象，也即所謂的“Droop”效應，這嚴重制約了大功率LED的發(fā)展。其次，LED有源層內(nèi)的溫度分布不均勻也嚴重影響了LED的發(fā)光效率和使用壽命，這些問題都迫切需要我們?nèi)パ芯亢徒鉀Q。近來，有相關研究已經(jīng)表明LED有源層內(nèi)均勻的電流密度分布有利于降低其“Droop”效應，同時，均勻的電流密度分布也非常有利于獲得均勻的溫度分布。為此，在實現(xiàn)提高LED光提取

6、效率的同時進一步探討如何獲得更加均勻的電流密度分布和溫度分布也具有非常重要的意義。
　　針對上述存在的問題，本文主要通過理論分析和電磁場數(shù)值計算的方法探索采用多種納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率的方法?；跁r域有限差分方法（Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD）建立了LED的光學模型，分別研究了表面復合光子晶體、嵌入式光子晶體、ZnO納米管以及三層復合結(jié)構(gòu)在改善LED光提取效率中的作用，深入分析了

7、這些結(jié)構(gòu)的相關參數(shù)影響LED光提取效率的物理機制，得到了相應的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型。在對LED光學特性研究的基礎上，基于有限元方法(Finite element method，F(xiàn)EM)建立了光子晶體結(jié)構(gòu)LED的電學和熱學模型，系統(tǒng)研究了普通表面光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光電特性以及SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學、電學以及熱學性質(zhì)，深入分析了光子晶體對LED的光提取效率、有源層內(nèi)的電流密度分布以及溫度分布的影響，以期為大功率、高效率LED的設計和優(yōu)化

8、提供有益的指導和參考。本文的主要研究工作包括以下幾個方面:
　　(1)針對提高LED光提取效率的方法中廣泛采用的光子晶體結(jié)構(gòu)LED，為了在不刻穿有源層的情況下盡可能的提高LED的光提取效率，提出了一種利用LED表面不同刻蝕深度的復合光子晶體結(jié)構(gòu)增強LED光提取效率的方法。由于該結(jié)構(gòu)能夠同時減小LED表面的全反射和Fresnel反射，使得LED的光提取效率得到了更大程度的提高。通過優(yōu)化，復合光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光提取效率與普通平板結(jié)

9、構(gòu)LED相比得到了超過30％的提高。此外，我們還進一步研究了部分刻穿有源層的復合光子晶體結(jié)構(gòu)影響LED光提取效率的情況。
　　(2)針對SiC襯底倒裝結(jié)構(gòu)LED的光提取效率不高，并且SiC襯底不易被加工的情況，將嵌入式光子晶體引入到LED的n-GaN層以增強SiC襯底倒裝結(jié)構(gòu)LED的光提取效率。系統(tǒng)分析了嵌入式光子晶體與有源層之間的距離、刻蝕深度、填充率等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響LED光提取效率的物理機制，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，得出LED內(nèi)的微

10、腔結(jié)構(gòu)效應以及嵌入式光子晶體通過控制光的出射方向和改變光波導模式的分布使LED的光提取效率得到了很大的提高。經(jīng)過優(yōu)化后的嵌入式光子晶體結(jié)構(gòu)使SiC襯底倒裝結(jié)構(gòu)LED的光提取效率達到了20％。作為對比，我們還進一步研究了普通表面刻蝕光子晶體結(jié)構(gòu)LED以及雙層刻蝕光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光提取效率。
　　(3)鑒于ZnO納米管在LED發(fā)光方面所具有的天然優(yōu)勢，針對當前ZnO納米管制備過程復雜，不同研究人員制備出的納米管結(jié)構(gòu)差別較大，對LE

11、D的發(fā)光效率的改善程度也存在很大差別的問題，采用FDTD方法研究了ZnO納米管結(jié)構(gòu)LED的光提取效率，分析了ZnO納米管提高LED光提取效率的物理機制。討論了ZnO納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如高度、內(nèi)徑、壁厚以及納米管陣列周期對LED光提取效率的影響，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的ZnO納米管結(jié)構(gòu)LED的光提取效率達到了普通平板結(jié)構(gòu)LED光提取效率的4倍。完整起見，我們還討論了仿真得到的最佳結(jié)構(gòu)在整個可見光譜范圍內(nèi)的光提取效率。
　　(4)針

12、對當前RGB三基色白光LED光提取效率較低的問題，采用三層復合結(jié)構(gòu)分別來提高RGB三基色白光LED中的紅光(R)、綠光(G)以及藍光(B)的提取效率，進而提高三基色白光LED的整體光提取效率。詳細分析了嵌入式光子晶體、表面光子晶體以及納米棒分別對綠光、藍光以及紅光的提取作用。通過FDTD方法進行計算得到，該復合結(jié)構(gòu)對紅光、綠光以及藍光的提取效率分別達到了普通平板結(jié)構(gòu)LED提取效率的2.05，4.27和3.84倍。完整起見，我們還在整個可

13、見光譜范圍內(nèi)對該結(jié)構(gòu)LED的光提取效率進行了研究，并與普通表面光子晶體結(jié)構(gòu)LED作了比較。
　　(5)光子晶體被廣泛用來提高LED的光提取效率，而關于光子晶體對LED有源層內(nèi)的電流密度分布的影響卻很少被研究。針對當前大功率LED普遍存在的“Droop”效應以及“Droop”效應與LED有源層內(nèi)的電流密度分布之間的關系，同時討論了大電流注入下，光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光特性和電特性，分析了光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對LED有源層內(nèi)的電流密度分布

14、和LED外量子效率的影響。
　　(6)針對當前關于光子晶體結(jié)構(gòu)LED的研究中，對空氣孔光子晶體研究較多而對介質(zhì)材料光子晶體研究較少，對光子晶體結(jié)構(gòu)LED光提取性能的研究較多而對其電性能和熱性能研究較少的情況，我們對SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光、電、熱性能進行了系統(tǒng)的研究。通過三維FDTD方法系統(tǒng)研究了SiO2光子晶體的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)影響LED光提取效率的物理機制。經(jīng)過優(yōu)化，SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光提取效率比普通平板結(jié)構(gòu)LED

15、得到了超過37％的提高。同時，采用嚴格的耦合波方法(Rigorous coupled waves approach，RCWA)驗證了FDTD算法的仿真結(jié)果。作為對比，我們還對常規(guī)空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光提取效率進行了研究，結(jié)果表明，SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED比常規(guī)空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)LED具有更高的光提取效率。討論了優(yōu)化后的SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)對LED電性能以及熱性能的影響并與普通平板結(jié)構(gòu)LED進行了比較。
　　綜上所述，論文主

16、要圍繞如何提高LED發(fā)光效率的問題，提出了幾種采用納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED光提取效率的方法，并且針對當前研究中對于納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED光提取效率的研究較多，而關于這些結(jié)構(gòu)對LED電性能與熱性能研究較少的情況，建立了被廣泛用來提高LED光提取效率的光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學、電學以及熱學模型，系統(tǒng)研究了光子晶體結(jié)構(gòu)對LED光學、電學以及熱學性能的影響，以更加全面深入的了解納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率的物理機制。同時，論文還對這

17、些結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化以作為大功率、高效率LED設計和制備的參考。論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　(1)論文提出了利用表面復合光子晶體、嵌入式光子晶體、ZnO納米管以及三層復合結(jié)構(gòu)等納米尺度周期結(jié)構(gòu)提高LED光提取效率的方法并研究了其物理機制，系統(tǒng)研究了這些結(jié)構(gòu)的相關參數(shù)對LED光提取效率的影響，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化以后的結(jié)構(gòu)使得LED的光提取效率得到了有效的提高。
　　(2)論文建立了光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學和電學模型同時研究了

18、光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光性能和電性能，詳細討論了光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對LED有源層內(nèi)的電流密度分布以及外量子效率的影響。通過優(yōu)化使得LED有源層內(nèi)的電流密度分布更加均勻的同時獲得了更高的外量子效率。
　　(3)論文建立了SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學、電學以及熱學模型，系統(tǒng)研究了SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學、電學以及熱學性能，全面討論了SiO2光子晶體對LED的光提取效率以及有源層內(nèi)的電流密度分布和溫度分布的影響，得出優(yōu)化后的S