微纳米结构增强蓝光LED发光效率的研究

摘要

在世界范围处于能源危机的当今社会，LED作为一种新型的绿色光源，具有环保节能、可靠性高、使用寿命长等优点，在照明领域将引领未来发展的趋势，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的“第四代光源”。世界各国政府已开始重视LED的研究和开发，争相提出各自的发展计划或出台一些扶持措施。
　　自LED问世以来，固体白光照明光源是人们一直努力追寻的目标。目前蓝光LED是制造白光LED的基础，蓝光LED主要是由GaN材料制成的，所以研究GaN基蓝光LED对发展白光LED有重要意义。LED的发光效率是衡量LED性能的重要指标，目前LED发光效率还存在很大的提升空间，特别是GaN基LED。由于GaN材料和空气之间大的折射率差异，使得大部分光在分界面处产生全内反射和菲涅尔反射而陷落在材料中。目前围绕如何提高GaN基LED光提取效率的问题开展了大量工作。多种方法已被提出来提高GaN基LED的光提取效率，如表面粗化、倒装芯片结构、光子晶体、图形化衬底技术、微纳米复合结构等。在制作微纳米结构增加LED发光效率的电磁场特性的研究中，LED样品的生长和微纳米结构的制作都是一个非常耗时、耗力和耗财的过程。为了节约光电器件制作成本，可以借助计算机技术来加快设计过程并且降低开发成本。
　　本论文围绕提高蓝光LED发光效率为目的，采用微纳米GaN图形结构，通过计算机模拟和理论分析相结合的方法研究了微纳米图形结构对蓝光LED光提取效率的影响。基本思路是采用数值仿真技术通过对蓝光LED结构建模，研究了微纳米图形结构的结构参数对蓝光LED光提取效率的影响，通过对结构参数进行优化，并结合理论分析，最终获得具有高提取效率的LED优化结构，为实现高效蓝光LED提供理论指导。
　　本论文开展的主要研究工作有以下几点:
　　(1)分析并研究了FDTD算法和蒙特卡洛射线追踪法在进行LED光提取效率计算时的适用性。FDTD算法以将麦克斯韦旋度方程直接在时域-空域进行差分离散，通过逐步推进的方法求解空间电磁场。针对具有纳米图形结构的LED数值仿真是非常有效的。蒙特卡洛射线追踪法是依据光在均匀媒质中的直线传播定律以及光在两种不同媒质界面上的反射和折射定律为基础，把光看作为光能量传播方向上的几何线。运用此方法很容易模拟LED有源层电子-空穴对的自发辐射过程，并且适用于任何形状和尺度的结构。这种方法对具有微米量级图型结构的LED仿真是可行并可靠的。
　　(2)通过数值建模，运用FDTD算法计算了光子晶体LED，特别是嵌入式光子晶体对LED的光提取效率的影响。重点研究了嵌入式光子晶体结构参数（如填充因子、位置、厚度）对蓝光LED光提取效率的影响，同时与表面光子晶体对LED光提取效率的影响进行了比较。结果表明嵌入式光子晶体的填充因子和位置对光提取效率影响较大，而厚度对其影响较小。光子晶体厚度对LED光提取效率的影响呈现一种震荡状态。在表面光子晶体深度刻蚀（深度250nm）时可使光提取效率有5倍以上的增加。表面光子晶体和嵌入式光子晶体在对LED进行光提取上起的作用不同。顶端光子晶体主要是通过对导模的衍射作用增加光提取效率，而嵌入式光子晶体主要贡献是改变LED中导模的分布。通过对嵌入式光子晶体结构参数的优化，更进一步通过双光晶体增加LED光提取效率提供了理论指导。
　　(3)在光子晶体的制作过程中，不可避免的会出现结构上的缺陷和无序，而这些缺陷或无序会严重影响光子晶体的性能。本文通过程序设计产生了具有一定容差的光子晶体，即无序光子晶体。结合FDTD方法通过数值建模得到具有无序光子晶体结构的LED模型。同时研究了无序光子晶体LED有源层位置对光提取的影响。研究发现，无序结构的出现并未改变有源层位置随光提取效率的影响，与平板结构相同。
　　(4)为了进一步得到光子晶体结构参数的无序变化对蓝光LED光提取效率的影响，分别选取了具有优化结构参数的光子晶体和非优化结构参数的光子晶体进行研究对比。主要研究了光子晶体空气孔位置、半径和刻蚀深度的无序变化对蓝光LED光提取效率的影响。研究表明，空气孔位置的无序变化一般呈现弱无序状态，对光提取效率的影响不显著;空气孔半径的无序变化可以显著的影响蓝光LED的光提取效率，最大变化幅度可达54％;空气孔在深度刻蚀情况下，刻蚀深度在20％的容差变化范围内，对光提取效率的影响可以忽略。对于优化的光子晶体结构，任何的无序变化都会使光提取效率下降，而对于非优化的光子晶体结构，结构参数的无序变化反而会使光提取效率增加。这部分研究结果说明不同结构参数的光子晶体LED受结构参数无序变化的影响不同，但每个光子晶体LED会存在一组优化参数，使光提取效率达到最大，其它光子晶体结构参数的无序变化，都会使光提取效率减小。
　　(5)在LED表面制作微表面结构，一是可以增加光的散射，二是会起到一定抗反射的作用。利用蒙特卡洛射线追踪法研究了各种不同的周期图形阵列对蓝光倒装LED光提取效率的影响。并结合表面抗反射理论和等效折射率理论对数值研究结果给出了详尽的理论分析。结果表明，在四种不同的周期阵列中，微锥阵列可以提供最好的光提取效率，锥阵列结构要优于柱阵列结构，凸起结构要优于孔状结构。为了找到利于光提取效率增加的优化微结构，比较了微锥阵列结构和微金字塔阵列结构对光提取效率的影响。结果表明，在具有相同的图形底面积和倾斜角的情况下，微锥阵列优于微金字塔阵列。考虑到实际的图形结构制作工艺，严格的锥结构很难获得，研究了截断的锥或锥孔阵列顶半径对光提取效率的影响。研究表明具有一定顶半径的截断的锥或锥孔阵列反而更有利于光提取效率的增加。

目录

声明

摘要

论文中常用符号说明

第1章 绪论

1．1 课题相关背景及研究现状

1．2 LED光源的特点

1．3 白光LED的实现方法

1．4 LED发展历程

1．5 课题研究的意义及论文的安排

参考文献

第2章 半导体LED基础知识

2．1 半导体发光材料

2．2 LED的结构及发光原理

2．2．1 LED的结构

2．2．2 LED发光原理

2．2．3 GaN基LED

2．3 描述LED的基本参数

2．3．1 功率转化效率

2．3．2 内量子效率

2．3．3 光提取效率

2．3．4 外量子效率

2．4 影响LED发光效率的主要因素

2．4．1 光逃逸锥

2．4．2 菲涅尔损耗

2．5 提高LED发光效率的方法

2．5．1 提高LED内量子效率的方法

2．5．2 提高LED光提取效率的方法

2．6 本章小结

参考文献

第3章 数值计算方法

3．1 FDTD算法

3．1．1 FDTD算法的发展历程

3．1．2 Maxwell方程

3．1．3 Yee元胞

3．1．4 直角坐标系下FDTD的差分公式

3．1．5 数值稳定性与数值色散

3．1．6 PML吸收边界条件

3．1．7 激励源的设置

3．2 蒙特卡洛射线追踪法

3．2．1 蒙特卡洛方法简介

3．2．2 射线追迹法

3．3 本章小结

参考文献

第4章 光子晶体增加蓝光LED光提取效率的研究

4．1 光子晶体LED基础

4．1．1 光子晶体及其基本特性

4．1．2 光子晶体LED

4．1．3 GaN基光子晶体LED的研究理状

4．2 光子晶体LED光提取效率的理论分析

4．3 光子晶体LED建模与计算设置

4．3．1 光子晶体LED的建模

4．3．2 源及边界设置

4．3．3 仿真中LED光提取效率的计算

4．3．4 FDTD算法仿真结果法正确性验证

4．4 光子晶体对蓝光LED光提取效率的影响

4．4．1 嵌入式光子晶体填充因子f对LED光提取效率的影响

4．4．2 嵌入式光子晶体的位置对LED光提取效率的影响

4．4．3 嵌入式光子晶体的厚度对LED光提取效率的影响

4．5 本章小结

参考文献

第5章 无序光子晶体增加蓝光LED光提取效率的研究

5．1 无序光子晶体的产生

5．2 计算模型及其边界设置

5．3 无序光子晶体对蓝光LED光提取效率的影响

5．3．1 光子晶体填充因子对光提取效率的影响

5．3．2 无序光子晶体LED有源层位置的优化

5．3．3 光子晶体结构参数的无序变化对光提取效率的影响

5．4 本章小结

参考文献

第6章 表面微阵列增加蓝光LED光提取效率的研究

6．1 微米量级图形结构的数值研究分析

6．2 表面微阵列增加LED光提取效率分析

6．2．1 抗反射表面覆层

6．2．2 有效折射率理论

6．3 微阵列结构LED模型与计算设置

6．3．1 仿真模型

6．3．2 仿真计算设置

6．3．3 射线追踪法仿真结果正确性验证

6．4 数值计算结果与讨论

6．4．1 表面微阵列结构参数对蓝光LED光提取效率的影响

6．4．2 微全字塔阵列和微锥阵列对光提取效率的影响比较

6．4．3 截断的锥和锥孔的顶半径对光提取效率的影响

6．5 本章小结

参考文献

第7章 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

博士期间发表的论文

附录 英文论文两篇