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利用纳米尺度金属/介质结构增强GaN基蓝光LED发光效率的研究

高晖  
【摘要】:当今世界,人类经济社会得到了飞速发展。然而,世界的能源形势却愈发严峻。在这日益紧缺的能源中,约占21%的电能被用在了照明领域。倘若在这一领域节省尽可能多的资源,势必会对人类社会的经济发展做出巨大贡献。这其中,半导体发光二极管(Light Emitting Diode, LED)由于其寿命长、发热小以及强大的节能潜力博得了国内外的研究者的广泛关注,并逐渐引领了人类第四代照明技术的革命。 目前LED的研究及大规模的商业化还尚待实现。这其中一个重要原因,便是器件中产生的光子不能被有效地提取,进而转化为可用的光功率,从而导致整个器件的出光效率很低。如何合理地设计LED的结构,使其具有更高的出光效率,便成为了节能减排的大势所趋,也是本论文研究的重要意义所在。 我们知道,LED的出光效率具体可分为内量子效率及外量子效率,其中外量子效率的提升主要可体现为光提取效率的提升。对于LED内量子效率的提升,可以采取光子态密度工程的手段。通过引入金属纳米粒子改变LED有源层附近的能量分布,可以一定程度上提升LED的内量子效率。研究和掌握这种能量的耦合规律和调控LED内量子效率增强的机制,可以为制备高性能LED提供重要的参考价值。此外,通过表面粗化、表面刻蚀光子晶体、掩埋低折射率限制层以及嵌入式光子晶体的方式均在一定程度上改变了LED结构内部能量分布,从而提升了LED的光提取效率 然而,目前国内外的研究对于LED结构优化尚缺乏明确的理论指导,尤其在光提取效率提升方面,各种不同结构的几何参数如何改变LED结构内的能量分布进而如何最终影响LED的光提取效率,其机理尚不明确。迫切地需要我们通过研究去阐明。 此外,当前对于LED的电磁建模计算也缺乏一种高效的手段。传统的时域有限差分方式在可见光频率受到网格大小的限制,对每一个模型的计算都将耗费冗长的计算时间和庞大的计算空间,从而难以满足人们对结构快速扫描优化的需要。因此,LED模型的快速参数优化,需要我们提供一个更为高效的研究方法,并做到在节省计算量的同时能够较为清晰地阐明LED结构参数对于其光提取效率的控制机制,从而为LED结构的优化提供重要的理论指导。 本论文选取纳米尺度的金属/介质结构,以提高LED的出光效率为最终目的,通过电磁场数值分析并结合模式分析手段,对上述科学问题进行了细致地研究。论文的主要研究内容包括: 1)对GaN基蓝光LED结构的发光机理和结构特性进行了分析,详细说明了GaN基蓝光LED有源层发光可通过偶极子源等效的原理,并完成相关的计算机数值仿真。 2)对金属纳米粒子结构形成的局域化表面等离激元(Localized suface plasmon, LSP)对偶极子源自发辐射,也即LED有源层自发辐射的影响进行了详细地分析并优化了金属纳米粒子的结构。 3)研究了金属纳米粒子结构形成的LSP对偶极子源辐射方向性的影响,建立了LSP模式近场和偶极子源自发辐射远场二者间的联系。 4)研究了金属薄层平板结构形成的表面等离激元(Surface plasmon ploaritons, SPPs)对改变LED内量子效率的影响。优化了金属薄层平板的结构尺寸。 5)探索了同时增强LED内量子效率和光提取效率的机制。提出了补偿SPPs动量损失的结构,并在获得LED内量子效率提升的同时也获得了较为可观的LED光提取效率的提升。 6)通过等效折射率近似的方式,将光子晶体LED结构模型进行了简化。从而建立并完善了LED结构模型的模式分析理论,并通过相应的数值计算验证,为LED结构的快速优化提供了一个切实可行的方法。 7)详细分析了二维光子晶体结构(包括表层深度刻蚀光子晶体、嵌入式光子晶体以及双层光子晶体结构)以及AlxGa1-xN低折射率限制层结构对GaN基蓝光LED光提取效率的优化准则。并对相应的结构参数进行了优化。 本论文的研究工作主要围绕纳米尺度人工光学结构增强LED出光效率的电磁仿真进行。研究紧密结合当今国民经济和社会发展过程中与节能减排、环境保护相关的关键技术,通过相关的电磁场数值分析和优化,深入探讨了金属/介质纳米结构对GaN基蓝光LED光提取效率改变的机制,为高性能GaN基蓝光LED的分析、设计和制造提供了重要的理论参考价值。 论文的主要创新点如下: (Ⅰ)论文阐明了LED中量子阱有源层的电磁模型可以用电偶极子源替代的原因。并详细分析了LSP、SPPs模式对LED内量子效率提升的机制。通过相关结构优化发现,当金属纳米粒子长短轴比接近4:1时,可使得相应系统的偶极子源自发辐射获得近5000倍的增强效果;并同时发现了偶极子源自发辐射谐振波长随纳米粒子减小的蓝移现象,使得在不同波长下获得偶极子源自发辐射谐振变为可行。 (Ⅱ)论文发现了LSP的高阶模式会使得偶极子源的原偶极辐射图样消失,主瓣方向性发生改变的现象。并首次建立了LSP高阶模式的近场分布和偶极子源自发辐射远场方向性二者的联系。 (Ⅲ)论文探讨了在增强LED内量子效率同时增强LED外量子效率的机制。通过文章提出的在p-GaN层中掩埋金属纳米粒子阵列结构的方式,在获得3.6倍内量子效率增强的基础上,通过引入倒晶格矢量抵消SPPs动量的方式,使得整个结构的光提取效率获得了接近2倍的增强。从而为同时增强LED内外量子效率的机制提供了一定的参考价值。 (Ⅳ)论文对传统的时域有限差分方法分析LED的形式进行了创新。通过等效折射率近似,首次提出将LED模型看作多层介质波导进行模式分析的理论。并通过相关的数值仿真验证,完善了LED中的模式分析方法,从而为LED的建模仿真及相应结构参数的优化提供了更为便利的手段,免除了传统的数值分析算法所要面临的巨大的存储空间和冗长的计算时间的问题。同时,论文提出的方法更加直观,能够在一定程度上阐明LED各层结构中的结构参数对LED光提取效率影响的物理机制。 (Ⅴ)论文分析指出,LED光提取效率的提升受到低阶导模影响最大,降低低阶导模从有源层中获取能量所占的比例是能够显著提升该效率的最为有效的手段。论文的这一结论为GaN基蓝光LED的结构优化指明了基本理论依据,在一定程度上消除了后续仿真优化工作的盲目性。 (Ⅵ)论文详细优化了光子晶体LED结构,含低折射率限制层的LED结构的几何尺寸。首次提出了在双层光子晶体结构基础上引入薄层低折射率限制层,在不明显增加晶格位错和降低低阶导模携带能量的同时调制布洛赫模式分布,最终使得整个GaN基蓝光LED的光提取效率获得了八倍增强。 本论文的选题来源于国家重点基础研究发展计划项目:金属/介质纳米异质结构中的局域耦合效应及其在光电转换器件中的应用。通过论文的研究,阐明了金属/介质纳米异质结构在LED中的局域耦合效应的物理机制,为GaN基蓝光LED的结构优化探寻了高效的电磁分析方法,并且论文优化的模型为高性能GaN基蓝光LED的设计制造提供了重要的理论参考。


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