AlGaN基深紫外倒装LED光提取效率的研究

发布时间：2020-07-14 14:43

【摘要】：在紫外半导体光源研究领域,紫外发光二极管(Ultraviolet Light-Emitting Diodes—UV LED)的发展是一个重要的课题。其影响及应用非常广泛:UV LED在生物医学领域,紫外线与皮肤免疫系统的功能、电离DNA等有着千丝万缕的联系;UV LED在杀菌、水或空气净化有非常重要的应用,紫外光对多种致病性微生物具有很高的灭活能力;另外UV LED的紫外光在高密度光记录光源、荧光分析系统和相关信息传感、紫外通讯系统等领域也有非常广泛的应用。目前研究表明基于AlGaN基的深紫外发光二极管(DUV LED)的光提取效率(Light Extraction Efficiency——LEE)是相当低的。基于AlGaN基的DUV LED具有独特的光学偏振特性,尤其是A1组份不断上升(波长变短),光的偏振从横电(Transverse-Electric,TE)变为横磁(Transverse-Magnetic,TM)模式。AlGaN的折射率(n约为2.5)与空气的折射率(n=1)相差巨大,TM偏振光主要沿横向传播,由于界面入射角较大,在不同材料界面处发生全反射作用导致LEE很低。在本研究中,我们使用了数值模拟方法对AlGaN基深紫外LED的LEE进行了研究。本论文的主要工作内容和成果如下:1)倒装深紫外LED TM模的LEE很低,效率不足1%,要比TE模的LEE低十倍以上,这主要是由LED芯片结构材料与空气折射率存在巨大差异造成的。2)对提升深紫外LED LEE的方式做了系统的仿真,提升LEE方式包括图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate——PSS)、刻蚀AlN和n-AlGaN、去除蓝宝石和AlN、透镜封装。其中对同一个LED进行去除蓝宝石和AlN,在n-AlGaN表面刻蚀(刻蚀形状为四棱锥)、并加以透镜封装的LED LEE最高,TM模的LEE高达47.9%,TE模的LEE高达83.9%。另外对同一个LED进行PSS(刻蚀形状为四棱锥)、氮化铝刻蚀(图形化形状为四棱锥)并加以透镜封装得到的两种模式LEE同样很高,TM模的LEE高达43.1%,TE模的LEE高达54.7%。3)通过改变DUV LED蓝宝石和氮化铝两层刻蚀的形状进而提升LED的LEE。仿真图形的形状包括三棱柱、四棱锥、六棱锥、圆锥、圆柱、半球、圆柱和圆锥组合体、圆柱和半球组合体。其中三棱柱、四棱锥和六棱锥都是可以达到覆盖率100%的效果,并且对LEE的提升呈现递增趋势。六棱锥的刻蚀形状对UV-LED的LEE效果最显著,在p-GaN厚度为零时,TM模的光提取效率高达53.1%,TE模的光提取效率同样较高达到70.4%。而其他几种底面图形为圆形的形状无法实现100%覆盖材料界面,覆盖率会对光提取效率造成一定的影响。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312.8
【图文】：

主要是ＵＶＡ波段紫外光会到达地球表面，ＵＶＢ波段的紫外光则会导致晒伤，至逡逑于ＵＶＣ深紫外的光波几乎很难到达地球表面。尤其对于２４０－２８０ｎｍ邋（￣４．７５ｅｖ）逡逑波段光几乎被大气层吸收殆尽。如图１．１ａ为电磁波谱图，图１．１ｂ显示了紫外线逡逑对大气的穿透情况。逡逑频率长（ｍ）逡逑Ａ邋ＰＨｌｉｏ－＇２逡逑＾邋ｒ邋ｉ邋ｎ邋逦逡逑１邋２00ｎｍ逦．．．．．逦－逡逑１。ＨＩ，，邋■逦：，邋；邋Ｉ＇逡逑ｉ７邋＾邋ｕｖｃ逦■逡逑逦逦１0’邋■逦°３邋Ｉ邋°３邋0３＾Ｐ邋°３逦°３邋°３逡逑ｆ—邋ＨＩ邋Ｉ邋■－逡逑３邋２＿逦Ｉ邋0２邋Ｉ邋0２邋0２逡逑；：３２０邋ｎｍ逦２逦｜逡逑逦逦１０邋ＵＶＡ邋２逡逑＿＿＿＿＿逦３４０邋ｎｍ逦■邋０２逦0２逡逑１０｜ｇｇ邋ｉ0２邋ｕＶＡ１逦0２邋■逦0２逦0２逡逑ｉｆｌＨＩＢｌｉＰ逦４００邋ｎｍ逡逑ｉ0逦（ｂ）逡逑图１．１全波段电磁波谱：（ａ）各波段光的分类；（ｂ）三种不同紫外光对大气的穿透逡逑１逡逑

异质结构和器件等方面取得了长足的进步［１０］。自上个世纪８０年代以来，越来越逡逑多的研宄人员把精力放在了禁带宽度更大的半导体上面，研宄范围扩大到了六方逡逑晶系和斜方晶系。图１．２显示了热门材料带隙和键长的关系图［１１】。逡逑４逡逑

几种常见半导体参数如表１．２所示。其中研宄最多的是ＩＩＩ－Ｖ族氮化物一一逡逑ＧａＮ。通常ＧａＮ会以纤锌矿的形式存在，另外还有闪锌矿等结构。ＧａＮ最典型的逡逑纤锌矿结构如图１．３所示逡逑Ｇａ３＋邋Ｎ３－逡逑图１．３纤锌矿结构ＧａＮ的晶体结构逡逑６逡逑

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本文编号：2755098