纳米结构增强倒置膜发光二极管发光效率的研究

发布时间：2017-09-17 21:28

  本文关键词：纳米结构增强倒置膜发光二极管发光效率的研究

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【摘要】：半导体发光二极管(light-emitting diodes, LEDs),通常称之为LED,是一种具有高电光转换效率的新型固态照明器件,其中GaN基蓝光LED是制备照明白光LED的基础,那么提高其发光效率对发展高效的白光LED就具有重要的价值和意义。相比传统的白炽灯以及荧光灯照明设备,目前LED的电光转换效率分别提高了约15倍和4倍。据不完全统计,全世界大概总耗电量的20%用来照明,以中国每年约3000亿度照明用电量来算,如果全部采用LED照明最少也可以节约大概2000亿度电,等同于减少大约2亿吨的碳排放。另外LED除了具有寿命长、易维护以及发热小等优点之外,还具有许多更适合实际应用的特点,比如体积小、重量轻、抗震、耐碰撞、不易碎以及响应时间短等。然而,除了价格因素之外,较低的LED发光效率却大大限制了其替代传统照明光源的进度。LED发光效率主要由内量子效率和外量子效率这两个因素决定,其中内量子效率已经超过70%,甚至在一定条件下接近理论极限值。如何把高内量子效率激发出来的光从LED结构中提取出来,成为了突破LED发光效率的关键因素。因为LED结构中的半导体材料与空气之间存在较大的折射率差,由此引来的全反射和菲涅尔反射现象限制了大部分辐射光到空气中的逃逸,只有入射角小于全反射角的辐射光才能通过逃逸角锥上交界面逃逸到空气中,而位于逃逸角锥之外的辐射光全被反射回LED结构中损耗掉。世界上许多国家和组织相继提出了有关增强LED发光效率的计划和方案,比如美国能源部国家半导体照明计划(National research program on semiconductor lighting)、欧盟的彩虹方案(Rainbow project brings color to LEDs)以及中国的“半导体照明产业化技术开发”重大项目(简称国家半导体照明工程)等。因此如何提高LED光提取效率成为研究LED发光效率的热点和难点,也是本文研究的重点。增强LED光提取效率的方法和技术手段非常多,归纳起来主要包括两种思路：第一种就是把向四周以及底面辐射光最大化的向顶端出光面反射汇聚,然后利用表面处理技术把光从顶端出光面提取出来；另外一种思路就是让辐射光最大化向逃逸角锥空间内自动汇聚,并自发的辐射到空气中。本文就是把这两种思路结合起来研究倒置薄膜LED光提取效率,首先利用倒置薄膜LED的微腔效应把辐射光最大化向逃逸角锥内汇聚,使得辐射光最大程度自动逃逸到空气中；而对于逃逸角锥之外并在LED结构中形成的导模光,利用二维光子晶体对光全向提取特性来提取到空气中。通过这两种技术手段的优势结合来实现增强LED光提取效率的效果。把电磁理论分析和数值计算结合起来分析LED结构以及光子晶体结构对光提取效率的影响,可以为LED设计、实验以及生产提供理论依据和参考数据。本文以增强LED光提取效率为目的,采用时域有限差分(Finite difference time domain method, FDTD)电磁数值计算仿真和理论分析相结合的方法,对LED光提取效率以及相关问题进行了仔细研究。本文主要研究内容包括以下五个方面：(一)对LED的发光机制与发光效率进行了分析,LED的PN结辐射发光与电偶极子具有类似的辐射模式,这为电磁数值仿真计算中对LED有源层的电偶极子近似提供了理论依据。结合LED结构特点和光提取效率分析,建立了FDTD数值计算模型并完成了算法所需的设置。(二)通过对无源和有源法布里微腔结构谐振原理分析,解释了倒置薄膜LED中微腔效应对微腔模式数量以及辐射光在逃逸角锥内的汇聚特性,利用FDTD计算结果分析了微腔厚度以及辐射源相对位置对光提取效率的影响。(三)分析了光子晶体对辐射光的提取机制,从光波导理论上分析了光子晶体把逃逸角锥之外的导模转化成可以辐射到空气中的泄露模的衍射条件,这也为光子晶体结构参数选择和优化提供了依据。(四)研究了p-GaN层深度刻蚀光子晶体对倒置薄膜LED光提取效率的影响。详细讨论了有源层相对位置、光子晶体刻蚀深度、深度刻蚀光子晶体中有源层相对位置以及光子晶体晶格常数和填充率对光提取效率的影响,并对深度刻蚀光子晶体结构参数进行了优化。(五)研究了双嵌入光子晶体对倒置薄膜LED光提取效率的影响。详细分析了倒置薄膜垂直结构和光子晶体参数对光提取效率的影响,其中垂直结构主要包括p-GaN层光子晶体底部到反射镜距离、刻蚀深度、顶部到有源层的距离以及n-GaN层光子晶体底部到有源层的距离和刻蚀深度；光子晶体参数主要包括晶格常数和填充率,并对双嵌入光子晶体结构参数进行了优化。本文主要研究具有高发光效率的纳米结构GaN基倒置薄膜LED模型,分析倒置薄膜LED垂直结构和光子晶体纳米结构对其光提取效率的影响。根据仿真计算结果,分析和讨论影响到增强LED光提取效率的结构参数以及相关物理机制,来获得优化模型结构。这些研究结果和数据可以为LED的实际实验、生产和制作提供理论和参数依据。主要创新点包括以下三个方面：(一)把用来增强传统顶端辐射LED光提取效率的p-GaN层深度刻蚀光子晶体以及嵌入光子晶体这两种技术手段,应用到倒置薄膜LED结构中,结合光子晶体全向提取特性和倒置薄膜LED微腔效应二者优势增强LED光提取效率。通过与平板倒置薄膜LED光提取效率的比较,计算结果表明深度刻蚀光子晶体以及嵌入式光子晶体并没有对微腔效应造成明显破坏作用,而且还降低了光提取效率对有源层相对位置的依赖性。(二)设计了具有p-GaN层深度刻蚀光子晶体的倒置薄膜LED模型,通过扫描光子晶体结构参数对光提取效率的影响,参数优化的结构可以把光提取效率提高到～65%。在研究中,利用内部辐射方向图在法向汇聚程度解释了形成峰值光提取效率的现象,也对不同结构参数对应的内部强度辐射方向图进行了对比分析,并利用光子晶体对导模的衍射理论进行了解释。(三)设计了具有双嵌入光子晶体的倒置薄膜LED模型,双嵌入光子晶体分别位于有源层下面的p-GaN以及有源层上面的n-GaN中。主要分析了垂直结构和光子晶体参数对光提取效率的影响,其中垂直结构主要包括p-GaN层光子晶体底部到反射镜距离、刻蚀深度、顶部到有源层的距离以及n-GaN层光子晶体底部到有源层的距离和刻蚀深度；光子晶体参数主要包括晶格常数和填充率。结构优化计算顺序从下向上依次进行,双层光子晶体之间波导厚度越薄对光提取效率越有利,经过优化参数的双嵌入光子晶体结构相比平板倒置薄膜LED,光提取效率增强了约1.8倍。本论文分析和讨论了影响到倒置薄膜LED光提取效率增强的结构参数以及相关物理机制,并得到了最大化提取效率的优化结构。这些研究和数据可以为大电流和高功率LED的实际生产和制作提供理论和参数依据。
【关键词】：发光二极管 光提取效率 光子晶体 时域有限差分法
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 论文中常用符号说明17-19
• 第一章 绪论19-25
• 1.1 研究背景和意义19-20
• 1.2 研究现状及存在问题20-22
• 1.3 研究内容及论文安排22-25
• 第二章 发光二极管及提取效率25-45
• 2.1 LED发展及优势特点25-27
• 2.1.1 LED发展历史25-26
• 2.1.2 LED的特点26-27
• 2.2 LED发光原理27-32
• 2.2.1 半导体材料及P-N结特性27-28
• 2.2.2 载流子复合辐射发光28-30
• 2.2.3 LED结构以及白光的实现30-32
• 2.3 LED效率及影响因素32-36
• 2.3.1 LED发光效率32-33
• 2.3.2 LED内量子效率33
• 2.3.3 LED光提取效率33-36
• 2.4 LED光提取效率增强措施36-44
• 2.4.1 增强光到出光面反射技术36-39
• 2.4.2 表面处理技术39-40
• 2.4.3 纳米结构技术40-42
• 2.4.4 倒装薄膜技术或者微腔技术42-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第三章 数值计算方法45-66
• 3.1 电磁计算方法45-47
• 3.1.1 高频近似法45
• 3.1.2 矩量法45-46
• 3.1.3 有限元法46
• 3.1.4 时域有限差分法FDTD46-47
• 3.2 时域有限差分FDTD分析方法47-60
• 3.2.1 Maxwell方程差分和Yee元胞47-53
• 3.2.2 数值稳定和数值色散条件53-55
• 3.2.3 边界条件55-58
• 3.2.4 激励源设置58-60
• 3.3 LED数值模型60-64
• 3.3.1 偶极子源近似LED量子阱层60-63
• 3.3.2 倒置薄膜LED光提取效率计算模型63-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 倒置薄膜LED光提取效率及光子晶体66-81
• 4.1 倒置薄膜LED理论66-74
• 4.1.1 无嵌入光源法布里腔66-68
• 4.1.2 嵌入光源法布里腔68-70
• 4.1.3 提取效率和微腔阶数70-74
• 4.2 倒置薄膜LED结构及辐射模式74-77
• 4.2.1 倒置薄膜LED制备74-75
• 4.2.2 倒置薄膜LED模型和辐射模式75-77
• 4.3 光子晶体以及提取条件77-80
• 4.3.1 光子晶体特性77-78
• 4.3.2 二维光子晶体的光提取机制78-80
• 4.4 本章小结80-81
• 第五章 p-GaN层深度刻蚀光子晶体对GaN基倒置薄膜LED光提取效率增强的影响81-93
• 5.1 倒置薄膜TFFC LED及p-GaN层深度刻蚀光子晶体81-82
• 5.2 数值模型分析82-84
• 5.3 计算结果讨论分析84-92
• 5.3.1 有源层相对位置或p-GaN层厚度对光提取效率的影响84-85
• 5.3.2 p-GaN层光子晶体刻蚀深度对光提取效率的影响85-87
• 5.3.3 深度刻蚀光子晶体中有源层相对位置对光提取效率的影响87-88
• 5.3.4 深度刻蚀光子晶体晶格常数和填充率对光提取效率的影响88-90
• 5.3.5 计算结果综合分析90-92
• 5.4 本章小结92-93
• 第六章 双嵌入光子晶体对GaN基倒置薄膜LED光提取效率增强的影响93-108
• 6.1 倒置薄膜TFFC LED及嵌入式光子晶体93-94
• 6.2 数值模型分析94-97
• 6.3 计算结果讨论分析97-107
• 6.3.1 微腔厚度及有源层相对位置对光提取效率的影响97-100
• 6.3.2 单p-GaN层嵌入式光子晶体对光提取效率的影响100-103
• 6.3.3 双嵌入式光子晶体对光提取效率的影响103-107
• 6.4 本章小结107-108
• 第七章 总结与展望108-112
• 7.1 论文主要研究成果108-110
• 7.2 论文存在的不足之处及后续工作展望110-112
• 参考文献112-135
• 致谢135-137
• 博士期间发表的学术论文、参与的项目及获得的奖励137-138
• 发表的学术论文137
• 参与的项目137-138
• 附录 英文论文两篇138-156
• 附件156

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;Roughening surface morphology on free-standing GaN membrane with laser lift-off technique[J];Chinese Science Bulletin;2007年07期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 岳庆炀;介质纳米结构增强发光二极管发光效率的研究[D];山东大学;2014年

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本文编号：871460