利用納米尺度金屬-介質(zhì)結(jié)構(gòu)增強GaN基藍(lán)光LED發(fā)光效率的研究.pdf

1、當(dāng)今世界，人類經(jīng)濟社會得到了飛速發(fā)展。然而，世界的能源形勢卻愈發(fā)嚴(yán)峻。在這同益緊缺的能源中，約占21％的電能被用在了照明領(lǐng)域。倘若在這一領(lǐng)域節(jié)省盡可能多的資源，勢必會對人類社會的經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。這其中，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）由于其壽命長、發(fā)熱小以及強大的節(jié)能潛力博得了國內(nèi)外的研究者的廣泛關(guān)注，并逐漸引領(lǐng)了人類第四代照明技術(shù)的革命。
　　 目前LED的研究及大規(guī)模的商業(yè)化還尚待實現(xiàn)。

2、這其中一個重要原因，便是器件中產(chǎn)生的光子不能被有效地提取，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可用的光功率，從而導(dǎo)致整個器件的出光效率很低。如何合理地設(shè)計LED的結(jié)構(gòu)，使其具有更高的出光效率，便成為了節(jié)能減排的大勢所趨，也是本論文研究的重要意義所在。
　　 我們知道，LED的出光效率具體可分為內(nèi)量子效率及外量子效率，其中外量子效率的提升主要可體現(xiàn)為光提取效率的提升。對于LED內(nèi)量子效率的提升，可以采取光子態(tài)密度工程的手段。通過引入金屬納米粒子改變LED有

3、源層附近的能量分布，可以一定程度上提升LED的內(nèi)量子效率。研究和掌握這種能量的耦合規(guī)律和調(diào)控LED內(nèi)量子效率增強的機制，可以為制各高性能LED提供重要的參考價值。此外，通過表面粗化、表面刻蝕光子晶體、掩埋低折射率限制層以及嵌入式光子晶體的方式均在一定程度上改變了LED結(jié)構(gòu)內(nèi)部能量分布，從而提升了LED的光提取效率。
　　 然而，目前國內(nèi)外的研究對于LED結(jié)構(gòu)優(yōu)化尚缺乏明確的理論指導(dǎo)，尤其在光提取效率提升方面，各種不同結(jié)構(gòu)的幾何參

4、數(shù)如何改變LED結(jié)構(gòu)內(nèi)的能量分布進(jìn)而如何最終影響LED的光提取效率，其機理尚不明確。迫切地需要我們通過研究去闡明。
　　 此外，當(dāng)前對于LED的電磁建模計算也缺乏一種高效的手段。傳統(tǒng)的時域有限差分方式在可見光頻率受到網(wǎng)格大小的限制，對每一個模型的計算都將耗費冗長的計算時間和龐大的計算空間，從而難以滿足人們對結(jié)構(gòu)快速掃描優(yōu)化的需要。因此，LED模型的快速參數(shù)優(yōu)化，需要我們提供一個更為高效的研究方法，并做到在節(jié)省計算量的同時能夠較為

5、清晰地闡明LED結(jié)構(gòu)參數(shù)對于其光提取效率的控制機制，從而為LED結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)。
　　 本論文選取納米尺度的金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)，以提高LED的出光效率為最終目的，通過電磁場數(shù)值分析并結(jié)合模式分析手段，對上述科學(xué)問題進(jìn)行了細(xì)致地研究。論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　 1)對GaN基藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)的發(fā)光機理和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，詳細(xì)說明了GaN基藍(lán)光LED有源層發(fā)光可通過偶極子源等效的原理，并完成相關(guān)的計算機數(shù)值仿真

6、。
　　 2)對金屬納米粒子結(jié)構(gòu)形成的局域化表面等離激元(Localizedsufaceplasmon，LSP)對偶極子源自發(fā)輻射，也即LED有源層自發(fā)輻射的影響進(jìn)行了詳細(xì)地分析并優(yōu)化了金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)。
　　 3)研究了金屬納米粒子結(jié)構(gòu)形成的LSP對偶極子源輻射方向性的影響，建立了LSP模式近場和偶極子源自發(fā)輻射遠(yuǎn)場二者間的聯(lián)系。
　　 4)研究了金屬薄層平板結(jié)構(gòu)形成的表面等離激元(Surfaceplasmo

7、nploaritons，SPPs)對改變LED內(nèi)量子效率的影響。優(yōu)化了金屬薄層平板的結(jié)構(gòu)尺寸。
　　 5)探索了同時增強LED內(nèi)量子效率和光提取效率的機制。提出了補償SPPs動量損失的結(jié)構(gòu)，并在獲得LED內(nèi)量子效率提升的同時也獲得了較為可觀的LED光提取效率的提升。
　　 6)通過等效折射率近似的方式，將光子晶體LED結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡化。從而建立并完善了LED結(jié)構(gòu)模型的模式分析理論，并通過相應(yīng)的數(shù)值計算驗證，為LED結(jié)構(gòu)

8、的快速優(yōu)化提供了一個切實可行的方法。
　　 7)詳細(xì)分析了二維光子晶體結(jié)構(gòu)（包括表層深度刻蝕光子晶體、嵌入式光子晶體以及雙層光子晶體結(jié)構(gòu)）以及AlxGa1-xN低折射率限制層結(jié)構(gòu)對GaN基藍(lán)光LED光提取效率的優(yōu)化準(zhǔn)則。并對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　 本論文的研究工作主要圍繞納米尺度人工光學(xué)結(jié)構(gòu)增強LED出光效率的電磁仿真進(jìn)行。研究緊密結(jié)合當(dāng)今國民經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中與節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，通過相關(guān)的電

9、磁場數(shù)值分析和優(yōu)化，深入探討了金屬/介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)對GaN基藍(lán)光LED光提取效率改變的機制，為高性能GaN基藍(lán)光LED的分析、設(shè)計和制造提供了重要的理論參考價值。
　　 論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　 (Ⅰ)論文闡明了LED中量子阱有源層的電磁模型可以用電偶極子源替代的原因。并詳細(xì)分析了LSP、SPPs模式對LED內(nèi)量子效率提升的機制。通過相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬納米粒子長短軸比接近4∶1時，可使得相應(yīng)系統(tǒng)的偶極子源自發(fā)輻射

10、獲得近5000倍的增強效果;并同時發(fā)現(xiàn)了偶極子源自發(fā)輻射諧振波長隨納米粒子減小的藍(lán)移現(xiàn)象，使得在不同波長下獲得偶極子源自發(fā)輻射諧振變?yōu)榭尚小?br>　　 (Ⅱ)論文發(fā)現(xiàn)了LSP的高階模式會使得偶極子源的原偶極輻射圖樣消失，主瓣方向性發(fā)生改變的現(xiàn)象。并首次建立了LSP高階模式的近場分布和偶極子源自發(fā)輻射遠(yuǎn)場方向性二者的聯(lián)系。
　　 (Ⅲ)論文探討了在增強LED內(nèi)量子效率同時增強LED外量子效率的機制。通過文章提出的在p-GaN層

11、中掩埋金屬納米粒子陣列結(jié)構(gòu)的方式，在獲得3.6倍內(nèi)量子效率增強的基礎(chǔ)上，通過引入倒晶格矢量抵消SPPs動量的方式，使得整個結(jié)構(gòu)的光提取效率獲得了接近2倍的增強。從而為同時增強LED內(nèi)外量子效率的機制提供了一定的參考價值。
　　 (Ⅳ)論文對傳統(tǒng)的時域有限差分方法分析LED的形式進(jìn)行了創(chuàng)新。通過等效折射率近似，首次提出將LED模型看作多層介質(zhì)波導(dǎo)進(jìn)行模式分析的理論。并通過相關(guān)的數(shù)值仿真驗證，完善了LED中的模式分析方法，從而為LE

12、D的建模仿真及相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供了更為便利的手段，免除了傳統(tǒng)的數(shù)值分析算法所要面臨的巨大的存儲空間和冗長的計算時間的問題。同時，論文提出的方法更加直觀，能夠在一定程度上闡明LED各層結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對LED光提取效率影響的物理機制。
　　 (Ⅴ)論文分析指出，LED光提取效率的提升受到低階導(dǎo)模影響最大，降低低階導(dǎo)模從有源層中獲取能量所占的比例是能夠顯著提升該效率的最為有效的手段。論文的這一結(jié)論為GaN基藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)優(yōu)化指

13、明了基本理論依據(jù)，在一定程度上消除了后續(xù)仿真優(yōu)化工作的盲目性。
　　 (Ⅵ)論文詳細(xì)優(yōu)化了光子晶體LED結(jié)構(gòu)，含低折射率限制層的LED結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。首次提出了在雙層光子晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入薄層低折射率限制層，在不明顯增加晶格位錯和降低低階導(dǎo)模攜帶能量的同時調(diào)制布洛赫模式分布，最終使得整個GaN基藍(lán)光LED的光提取效率獲得了八倍增強。
　　 本論文的選題來源于國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目:金屬/介質(zhì)納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的局域耦合