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

1、隨著全世界范圍能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇，節(jié)能減排成為解決當(dāng)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(lǐng)了照明領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢。因此，針對(duì)LED的研究尤其是作為白光LED基礎(chǔ)的GaN基藍(lán)光LED的研究引起了世界范圍內(nèi)研究者的高度關(guān)注。
　　隨著半導(dǎo)體器件制備工藝水平的不斷提高，當(dāng)前針對(duì)LED的研究取得了一些進(jìn)展，但是要實(shí)現(xiàn)全面取代現(xiàn)有傳統(tǒng)照明光源

2、的目標(biāo)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(gè)方面:一個(gè)是內(nèi)量子效率(Internal quantumefficiency，IQE)，即電子轉(zhuǎn)化為光子的效率;一個(gè)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(dāng)前，隨著半導(dǎo)體材料質(zhì)量的不斷提高和生長工藝水平的不斷進(jìn)步，GaN基藍(lán)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(shè)計(jì)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(dāng)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(jìn)行優(yōu)化以進(jìn)一步提高LED的光提取效率

4、。同時(shí)，目前國內(nèi)外針對(duì)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(dǎo)，而單純通過樣品的設(shè)計(jì)和制備來優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)無疑會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)力。近年來，計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高和仿真算法的不斷改進(jìn)為以上問題的解決提供了有效的手段，大大提高了設(shè)計(jì)效率，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本。
　　同時(shí)，盡管當(dāng)前人們?cè)谔岣週ED光提取效率的研究方面取得了一些進(jìn)展，然而，關(guān)于這些方法對(duì)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(duì)于LE

5、D的設(shè)計(jì)和制造卻是非常重要的。首先，當(dāng)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(yīng)，這嚴(yán)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(yán)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(guān)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(yīng)，同時(shí)，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(shí)現(xiàn)提高LED光提取

6、效率的同時(shí)進(jìn)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(duì)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(jì)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。基于時(shí)域有限差分方法（Finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD）建立了LED的光學(xué)模型，分別研究了表面復(fù)合光子晶體、嵌入式光子晶體、ZnO納米管以及三層復(fù)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(guān)參數(shù)影響LED光提取效率的物理機(jī)制，得到了相應(yīng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型。在對(duì)LED光學(xué)特性研究的基礎(chǔ)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(xué)和熱學(xué)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(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性質(zhì)，深入分析了光子晶體對(duì)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(shè)計(jì)和優(yōu)化

8、提供有益的指導(dǎo)和參考。本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:
　　(1)針對(duì)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(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)LED光提取效率的方法。由于該結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)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(fù)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(jìn)一步研究了部分刻穿有源層的復(fù)合光子晶體結(jié)構(gòu)影響LED光提取效率的情況。
　　(2)針對(duì)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(qiáng)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(jī)制，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出LED內(nèi)的微

10、腔結(jié)構(gòu)效應(yīng)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(dǎo)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(dá)到了20％。作為對(duì)比，我們還進(jìn)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(duì)當(dāng)前ZnO納米管制備過程復(fù)雜，不同研究人員制備出的納米管結(jié)構(gòu)差別較大，對(duì)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(jī)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(duì)LED光提取效率的影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dá)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(gè)可見光譜范圍內(nèi)的光提取效率。
　　(4)針

12、對(duì)當(dāng)前RGB三基色白光LED光提取效率較低的問題，采用三層復(fù)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(lán)光(B)的提取效率，進(jìn)而提高三基色白光LED的整體光提取效率。詳細(xì)分析了嵌入式光子晶體、表面光子晶體以及納米棒分別對(duì)綠光、藍(lán)光以及紅光的提取作用。通過FDTD方法進(jìn)行計(jì)算得到，該復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)紅光、綠光以及藍(lán)光的提取效率分別達(dá)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(gè)可

13、見光譜范圍內(nèi)對(duì)該結(jié)構(gòu)LED的光提取效率進(jìn)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(guān)于光子晶體對(duì)LED有源層內(nèi)的電流密度分布的影響卻很少被研究。針對(duì)當(dāng)前大功率LED普遍存在的“Droop”效應(yīng)以及“Droop”效應(yīng)與LED有源層內(nèi)的電流密度分布之間的關(guān)系，同時(shí)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(duì)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(duì)當(dāng)前關(guān)于光子晶體結(jié)構(gòu)LED的研究中，對(duì)空氣孔光子晶體研究較多而對(duì)介質(zhì)材料光子晶體研究較少，對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)LED光提取性能的研究較多而對(duì)其電性能和熱性能研究較少的情況，我們對(duì)SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光、電、熱性能進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響LED光提取效率的物理機(jī)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(shí)，采用嚴(yán)格的耦合波方法(Rigorous coupled waves approach，RCWA)驗(yàn)證了FDTD算法的仿真結(jié)果。作為對(duì)比，我們還對(duì)常規(guī)空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光提取效率進(jìn)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(duì)LED電性能以及熱性能的影響并與普通平板結(jié)構(gòu)LED進(jìn)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(duì)當(dāng)前研究中對(duì)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(guān)于這些結(jié)構(gòu)對(duì)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(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)模型，系統(tǒng)研究了光子晶體結(jié)構(gòu)對(duì)LED光學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)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(jī)制。同時(shí)，論文還對(duì)這

17、些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化以作為大功率、高效率LED設(shè)計(jì)和制備的參考。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)論文提出了利用表面復(fù)合光子晶體、嵌入式光子晶體、ZnO納米管以及三層復(fù)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(jī)制，系統(tǒng)研究了這些結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)對(duì)LED光提取效率的影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)和電學(xué)模型同時(shí)研究了

18、光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光性能和電性能，詳細(xì)討論了光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí)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(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)模型，系統(tǒng)研究了SiO2光子晶體結(jié)構(gòu)LED的光學(xué)、電學(xué)以及熱學(xué)性能，全面討論了SiO2光子晶體對(duì)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