微納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)藍(lán)光LED發(fā)光效率的研究.pdf

1、在世界范圍處于能源危機(jī)的當(dāng)今社會(huì)，LED作為一種新型的綠色光源，具有環(huán)保節(jié)能、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域?qū)⒁I(lǐng)未來發(fā)展的趨勢(shì)，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的“第四代光源”。世界各國政府已開始重視LED的研究和開發(fā)，爭(zhēng)相提出各自的發(fā)展計(jì)劃或出臺(tái)一些扶持措施。
　　自LED問世以來，固體白光照明光源是人們一直努力追尋的目標(biāo)。目前藍(lán)光LED是制造白光LED的基礎(chǔ)，藍(lán)光LED主要是由GaN材料制成的，所以研究

2、GaN基藍(lán)光LED對(duì)發(fā)展白光LED有重要意義。LED的發(fā)光效率是衡量LED性能的重要指標(biāo)，目前LED發(fā)光效率還存在很大的提升空間，特別是GaN基LED。由于GaN材料和空氣之間大的折射率差異，使得大部分光在分界面處產(chǎn)生全內(nèi)反射和菲涅爾反射而陷落在材料中。目前圍繞如何提高GaN基LED光提取效率的問題開展了大量工作。多種方法已被提出來提高GaN基LED的光提取效率，如表面粗化、倒裝芯片結(jié)構(gòu)、光子晶體、圖形化襯底技術(shù)、微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等。在制

3、作微納米結(jié)構(gòu)增加LED發(fā)光效率的電磁場(chǎng)特性的研究中，LED樣品的生長(zhǎng)和微納米結(jié)構(gòu)的制作都是一個(gè)非常耗時(shí)、耗力和耗財(cái)?shù)倪^程。為了節(jié)約光電器件制作成本，可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來加快設(shè)計(jì)過程并且降低開發(fā)成本。
　　本論文圍繞提高藍(lán)光LED發(fā)光效率為目的，采用微納米GaN圖形結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)模擬和理論分析相結(jié)合的方法研究了微納米圖形結(jié)構(gòu)對(duì)藍(lán)光LED光提取效率的影響?；舅悸肥遣捎脭?shù)值仿真技術(shù)通過對(duì)藍(lán)光LED結(jié)構(gòu)建模，研究了微納米圖形結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

4、參數(shù)對(duì)藍(lán)光LED光提取效率的影響，通過對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合理論分析，最終獲得具有高提取效率的LED優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)高效藍(lán)光LED提供理論指導(dǎo)。
　　本論文開展的主要研究工作有以下幾點(diǎn):
　　(1)分析并研究了FDTD算法和蒙特卡洛射線追蹤法在進(jìn)行LED光提取效率計(jì)算時(shí)的適用性。FDTD算法以將麥克斯韋旋度方程直接在時(shí)域-空域進(jìn)行差分離散，通過逐步推進(jìn)的方法求解空間電磁場(chǎng)。針對(duì)具有納米圖形結(jié)構(gòu)的LED數(shù)值仿真是非常有效的

5、。蒙特卡洛射線追蹤法是依據(jù)光在均勻媒質(zhì)中的直線傳播定律以及光在兩種不同媒質(zhì)界面上的反射和折射定律為基礎(chǔ)，把光看作為光能量傳播方向上的幾何線。運(yùn)用此方法很容易模擬LED有源層電子-空穴對(duì)的自發(fā)輻射過程，并且適用于任何形狀和尺度的結(jié)構(gòu)。這種方法對(duì)具有微米量級(jí)圖型結(jié)構(gòu)的LED仿真是可行并可靠的。
　　(2)通過數(shù)值建模，運(yùn)用FDTD算法計(jì)算了光子晶體LED，特別是嵌入式光子晶體對(duì)LED的光提取效率的影響。重點(diǎn)研究了嵌入式光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

6、（如填充因子、位置、厚度）對(duì)藍(lán)光LED光提取效率的影響，同時(shí)與表面光子晶體對(duì)LED光提取效率的影響進(jìn)行了比較。結(jié)果表明嵌入式光子晶體的填充因子和位置對(duì)光提取效率影響較大，而厚度對(duì)其影響較小。光子晶體厚度對(duì)LED光提取效率的影響呈現(xiàn)一種震蕩狀態(tài)。在表面光子晶體深度刻蝕（深度250nm）時(shí)可使光提取效率有5倍以上的增加。表面光子晶體和嵌入式光子晶體在對(duì)LED進(jìn)行光提取上起的作用不同。頂端光子晶體主要是通過對(duì)導(dǎo)模的衍射作用增加光提取效率，而嵌

7、入式光子晶體主要貢獻(xiàn)是改變LED中導(dǎo)模的分布。通過對(duì)嵌入式光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，更進(jìn)一步通過雙光晶體增加LED光提取效率提供了理論指導(dǎo)。
　　(3)在光子晶體的制作過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的缺陷和無序，而這些缺陷或無序會(huì)嚴(yán)重影響光子晶體的性能。本文通過程序設(shè)計(jì)產(chǎn)生了具有一定容差的光子晶體，即無序光子晶體。結(jié)合FDTD方法通過數(shù)值建模得到具有無序光子晶體結(jié)構(gòu)的LED模型。同時(shí)研究了無序光子晶體LED有源層位置對(duì)光提取的影響。

8、研究發(fā)現(xiàn)，無序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)并未改變有源層位置隨光提取效率的影響，與平板結(jié)構(gòu)相同。
　　(4)為了進(jìn)一步得到光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的無序變化對(duì)藍(lán)光LED光提取效率的影響，分別選取了具有優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體和非優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體進(jìn)行研究對(duì)比。主要研究了光子晶體空氣孔位置、半徑和刻蝕深度的無序變化對(duì)藍(lán)光LED光提取效率的影響。研究表明，空氣孔位置的無序變化一般呈現(xiàn)弱無序狀態(tài)，對(duì)光提取效率的影響不顯著;空氣孔半徑的無序變化可以顯著的影響藍(lán)光

9、LED的光提取效率，最大變化幅度可達(dá)54％;空氣孔在深度刻蝕情況下，刻蝕深度在20％的容差變化范圍內(nèi)，對(duì)光提取效率的影響可以忽略。對(duì)于優(yōu)化的光子晶體結(jié)構(gòu)，任何的無序變化都會(huì)使光提取效率下降，而對(duì)于非優(yōu)化的光子晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的無序變化反而會(huì)使光提取效率增加。這部分研究結(jié)果說明不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光子晶體LED受結(jié)構(gòu)參數(shù)無序變化的影響不同，但每個(gè)光子晶體LED會(huì)存在一組優(yōu)化參數(shù)，使光提取效率達(dá)到最大，其它光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的無序變化，都會(huì)使光提

10、取效率減小。
　　(5)在LED表面制作微表面結(jié)構(gòu)，一是可以增加光的散射，二是會(huì)起到一定抗反射的作用。利用蒙特卡洛射線追蹤法研究了各種不同的周期圖形陣列對(duì)藍(lán)光倒裝LED光提取效率的影響。并結(jié)合表面抗反射理論和等效折射率理論對(duì)數(shù)值研究結(jié)果給出了詳盡的理論分析。結(jié)果表明，在四種不同的周期陣列中，微錐陣列可以提供最好的光提取效率，錐陣列結(jié)構(gòu)要優(yōu)于柱陣列結(jié)構(gòu)，凸起結(jié)構(gòu)要優(yōu)于孔狀結(jié)構(gòu)。為了找到利于光提取效率增加的優(yōu)化微結(jié)構(gòu)，比較了微錐陣列結(jié)