AlGaN纳米柱的光场分布及提取效率研究

发布时间：2020-09-02 14:56

　　 AlGaN材料可以通过调节铝组分使其禁带宽度从3.4eV(GaN)连续变化到6.2 eV(AlN),覆盖了从近紫外到深紫外波段,因此被广泛应用于LED、激光器、光电探测器等器件。然而,较高的折射率使AlGaN材料具有较小的出射角,使得传统的平板结构器件存在大量的全反射从而外量子效率很低。为了改变出射角提高光提取效率,人们提出了多种表面结构,其中,纳米柱结构广受关注。研究表明,纳米柱结构改变了器件的出射角度,增大了结构的表面积,从而提高了外量子效率。AlGaN的折射率随着铝组分的变化而变化,铝组分越高,材料的禁带宽度越大,折射率越小。铝组分以及纳米柱的尺寸参数对纳米柱光学性能的影响需要进一步深入研究。近年来,金属与电磁波相互作用产生的等离激元备受关注。当金属中的自由电子与入射电磁波发生共振时,电磁波的电场分量被限制在金属附近的极小区域,这一特性可突破光学几何极限。等离激元与金属的形状尺寸以及周围介质密切相关,薄膜金属作为典型的纳米结构,其对氮化物半导体的光学性质的影响需要进一步深入研究。本文围绕AlGaN纳米柱结构的光场分布及提取效率,采用时域有限差分法分别研究了纳米柱光场分布随铝组分、纳米柱高度以及纳米柱直径的变化规律,计算了直径、高度、周期对纳米柱结构提取效率的影响。此外,在原有的纳米柱结构上均匀附加铝金属薄膜来研究金属薄膜对纳米柱光场分布的影响。研究的主要内容和获得的主要结果如下:一、研究了 AlGaN纳米柱的光场分布及电场强度。首先给出了 AlGaN材料的折射率和铝组分的关系,并通过计算得到了电场强度和铝组分的关系。结果表明,在不同的组分下纳米柱场强显著不同最大相差一倍。随后分析了不同高度直径下纳米柱内外场强的变化规律,总体上,场强随直径高度振荡变化,直径的影响比高度更为显著。针对直径研究了纳米圆柱波导的波导模式和直径的关系,得到了三个波长下AlGaN圆柱波导基模出现的直径,计算出了 60-240 nm直径范围内基模的有效折射率。二、计算了附加金属铝薄膜的AlGaN纳米柱结构的光场分布以及电场强度。研究了铝金属薄膜厚度对于纳米柱内外光场强度的影响。结果表明,随着金属薄膜厚度的增加,纳米柱结构的内部电场强度总体上是减小的,外部场强在大多数波长下也随着铝薄膜厚度增加而减小。在波长490 nm,薄膜厚度10 nm处,纳米柱上方场强存在极值,该电场分布在金属薄膜边缘的微小区域,这可能是金属对光的局域增强效果。此外,本章还计算了金属薄膜纳米柱电场强度与纳米柱直径高度的关系,结果表明,有10 nm铝薄膜的纳米柱电场强度分布与没有铝薄膜的纳米柱大致相同,电场强度有所减小,这是金属对电场的吸收造成的。三、研究了周期性AlGaN纳米柱阵列结构的提取效率相对于平面结构的提升,分析了高度、直径、周期和直径周期比对纳米柱结构提取效率的影响。结果表明,总体上纳米柱结构在TM模式与TE模式下对提取效率均有显著提升,其中TM模式的提升效果更为明显最大达到8.08倍,而TE模式的提取效率是平面结构的1.6倍或更低。对于TM模式的光,高度并没有显著影响提取效率;对于TE模式,提取效率随着高度的增加而增大,当高度在100-300nm时,TE模式的提取效率仅是平面结构的1.1倍以下,表明纳米柱结构的高度至少应为300nm。直径与周期对提取效率的影响实质上是通过改变直径周期比实现的。对于TM和TE两种偏振模式,固定周期增大直径会使提取效率显著提高,固定直径增大周期会使得提取效率显著减小。当固定占空比时,除部分区域,总体上提取效率随直径的变化并不显著。当直径周期比达到1:1时,TM模式下的提取效率提升反而更低,表明占空比存在极大值,纳米柱的提取效率高于纳米坑结构。对于TM偏振光,纳米柱结构的提取效率提升幅度在短波长更大;对于TE偏振光,纳米柱结构的提取效率提升幅度在长波长端更大。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

图１－１邋ＧａＮ纤锌矿结构图逡逑ＡｌＧａＮ、１丨ｉＧａＮ、ＩｎＡＩＮ三三Ｖｅａｒｄ１１

逦＇逡逑图１－２纳米柱结构的光线出射示意图逡逑纳米柱结构的光线出射示意图如图１－２所示，由图可知，纳米柱结构增大了材料逡逑的侧壁面积，从而增大了结构的可出射角度，同时还改变了部分光线的出射方向。因逡逑此研宄纳米柱结构有助于提高半导体发光器件的出光效率。逡逑１．５论文结构和研究内容逡逑为了提高ＩＩＩ族氮化物发光器件的外量子效率，改善其光场分布，本研究主要围绕逡逑纳米柱结构进行。使用时域有限差分法对ＡｌＧａＮ纳米柱结构的光场分布和提取效率逡逑进行计算分析。本文的主要内容如下：逡逑第一章首先介绍了邋１丨１族氮化物的材料结构及性质，包括三元合金材料的性质？，其逡逑次介绍了ＩＩＩ族氮化物发光器件，注重介绍了邋ＬＥＤ器件的发光效率以及提高ＬＥＤ发逡逑光效率的相关研宄进展。最后引出了ＨＩ族氮化物纳米柱结构，简述了其对提高ＬＥＤ逡逑器件出光效率的作用。逡逑第二章是本文的研宄方法，即时域有限差分算法。首先简要介绍了该方法的相关逡逑理论基础。其次介绍了邋ＦＤＴＤ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ软件的仿真光源及其边界条件。逡逑第三章通过ＦＤＴＤ计算了纳米柱结构的光场分布及电场强度。首先给出了邋ＡｌＧａＮ逡逑纳米柱折射率与铝组分及波长之间的关系，通过计算得到了铝组分对纳米柱内外电逡逑场强度的影响。其次计算了纳米柱直径高度对ＡｌＧａＮ纳米柱内外电场强度的影响。逡逑为了研究直径对纳米圆柱波导的影响

．逡逑图２－１邋Ｙｅｅ氏元胞模型逡逑图２－１为Ｙｅｅ氏元胞模型。将格点位置用（／，／）来表示，将麦克斯韦方程组转化为逡逑差分形式如式２－７表不。用Ａｘ和Ａｙ表７Ｆ空间步长，Ａ／表不时间步长。逡逑对于ＴＥ模式，其描述方程可改写为下式形式：逡逑￣邋ＨＴ０５０邋＋邋０．５，邋ｙ邋＋邋０．５）邋－邋ＨＴ０５（ｉ邋＋邋０－５，邋ｊ邋＋邋０．５）逡逑Ａｔ逡逑１邋ｆ邋￡：（／邋＋０－５，邋ｊ＋邋0－￡；0？＋邋０．５，邋ｙ）邋￡；（／邋＋１，邋ｙ邋＋０．５）－￡；（／，；邋＋０．５）＇逡逑Ｍ0＼＿逦Ａｙ逦心逦＿逡逑￡－＋１（／邋＋邋０．５，，／）－￡：（／邋＋０－５，７）逡逑＜逦Ａ／逦（２－７）逡逑１逦ＨＴ0ｓＱ邋＋邋０－５，邋ｊ邋＋邋０－５）邋－邋ＨＴ０Ｓ0邋＋邋０－５，邋ｊ邋￣邋Ｑ－５）逡逑ｓ（ｉ邋＋邋０．５，ｊ）逦Ａｙ逡逑Ｅ；＋＼ｉ

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 冯德山;陈承申;戴前伟;;基于UPML边界条件的交替方向隐式有限差分法GPR全波场数值模拟[J];地球物理学报;2010年10期

本文编号：2810749