利用亚波长纳米微镜表面结构增强GaN基LED出光效率的研究

摘要

现代光电子器件技术发展迅速，尤其以纳米科技为代表的亚波长结构的研究突破了以往发光二极管光提高效率瓶颈，为国家节能减排提供了崭新的思路。研究波导介质纳米结构在电磁场中的能量传输、近远场能量分布特点和波导模等基本物理问题，深刻认识和理解电磁场与表面纳米微结构相互作用产生的能量传输、波导模耦合等物理规律，可以为利用表面纳米微结构提高发光二极管的光提取效率提供理论指导。
　　 为实现上述目标，本论文紧密围绕表面纳米微结构和GaN基蓝光发光二极管，以提高发光效率为目的，利用计算机仿真模拟等手段，着重研究了以下问题:
　　 通过FDTD时域有限差分法，实现表面纳米微结构发光二极管的计算机数值仿真;通过麦克斯韦方程组，推导不同模型区域的表面纳米微结构与电磁场作用下的基本物理性质;通过研究发光二极管LED的发光原理和光、电能量转换过程探索提高LED发光效率的途径和相关基础理论;通过对表面纳米微结构的各种对比分析，获得对抗表面全反射效应的各种表面结构的特点和优势;通过对表面纳米微结构的微镜结构的各种材料以及参数变量的电磁场数值仿真，得到表面微镜结构对发光二级管光提取效率的影响规律;由表面微镜结构对发光二级管光提取效率的影响规律，结合光波导模式分析方法，对GaN基蓝光LED的结构进行参数优化。
　　 本论文主要通过计算机数值仿真，研究表面纳米微结构对于GaN基蓝光LED光提取效率的影响以及在提高电光转化效率中起到的积极作用。文章密切围绕国家节能减排的大前提，通过在发光二极管的微小表面用现代科技构造亚波长尺度的微镜结构，在深入研究有源层发光与GaN/空气界面出光内在关系的基础上，探索提高GaN基蓝光LED光提取效率的改善措施，为实验和大规模商业生产提供了有益的借鉴。
　　 根据以上研究内容与目标，课题组对比分析了多种改进GaN基蓝光LED电光转化效率的方法，总结论述了包括倒装结构、表面图形化、光栅浮雕、光子晶体等各种提高光输出效率的基础原理及实验效果，从制作工艺及成本分析等角度综合论证了目前提高GaN基蓝光LED光提取效率的各种方法优劣。本论文的创新工作共分为以下三部分:
　　 1.通过三维GaN基蓝光LED模型实现了表面微结构在发光二级管中的三维时域有限差分方法的数值模拟仿真。针对不同周期与结构的GaN基蓝光LED发光特性和场分布特点，在亚波长尺度的球冠阵列表面微镜结构分析引入分层等效折射率概念，进行模式光传导分析，并验证了方法的正确性。
　　 2.为验证同一种结构下不同材料的出光特点和对GaN基LED光提取效率的影响，首次引入GaN、ZnO、SiO2，PS等不同折射率波导材料在同一种表面纳米微结构仿真模型下的运算比较，获得对亚波长结构下不同材料对该模型下出光效率的周期性影响规律。
　　 3.在前期工作基础上，首先通过三维时域有限差分方法的数值仿真确定了表面微镜结构对GaN基蓝光LED光提出效率的显著影响，并且通过确定深度变角度、确定半径变相对深度的办法最终优化了纳米球冠三角阵列排列表面结构的各种参数，使光提取效率达到五倍以上的增强效果。
　　 本论文选题来自国家重点基础研究发展计划，国家自然科学基金资助项目。课题通过对表面亚波长尺度下的纳米微镜结构以及在发光二极管中光波导模式理论的分析研究，拓展了对光在二极管波导材料中的光电转化的理论与实践指导，为研发具有高科技，突破性工艺材料和高亮度的蓝光发光二极管提供了思路和方向，为利用表面微镜结构增强发光二极管效率提供了理论支持与创新依据。

目录

声明

摘要

论文中常用符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 发光二极管

1．3 计算数值分析理论

1．4 商业化软件的应用

1．5 纳米表面微结构的数值仿真

1．6 课题意义及论文结构

第二章 发光二极管的基础知识

2．1 LED的发展历史

2．2 发光二极管基本原理

2．3 LED的光提取效率及白光的生成

2．3．1 LED的重要光学参数

2．3．2 白光LED的实现方法

2．4 影响LED光提取效率的因子

2．5 发光二极管的特点

2．6 各种提高GaN基蓝光LED的方法

2．6．1 LED芯片伪装结构(Flip-chip)

2．6．2 芯片的形状立体几何化改变

2．6．3 图形化衬底技术

2．6．4 光子晶体

2．6．5 表面微结构

2．6．6 复合结构

2．7 抗表面反射的纳米微结构的制作

2．7．1 溶液处理法

2．7．2 物理及化学蒸汽沉积法

2．7．3 干湿蚀刻法

2．7．4 纳米压印法

第三章 电磁场时域有限差分法及LED建模

3．1 时域有限差分的基本算法

3．1．1 Maxwell旋度方程

3．1．2 Maxwell方程的差分形式

3．2 稳定性条件及时空离散间隔

3．2．1 Courant稳定性条件

3．2．2 数值色散对时空离散间隔的要求

3．3 吸收边界条件

3．3．1 Mur吸收边界

3．3．2 完美匹配层

3．3．3 各向异性完美匹配层

3．4 激励源的设置

3．4．1 脉冲源

3．4．2 时谐源

3．4．3 点源

3．4．4 平面波

3．5 发光二级光LED的仿真建模

3．6 本章小结

第四章 表面微结构优化分析

4．1 各种抗表面反射的结构及分析

4．1．1 表面粗化与有效介质理论

4．1．2 蛾眼表面结构层

4．1．3 表面多孔疏松层

4．2 降低表面反射的折射率理论

4．2．1 多层平板折射率降低反射率理论

4．2．2 阶变折射率表层理论

4．3 光子晶体

4．4 表面浮雕光栅的理论

4．5 表面多层平板的三维FDTD仿真计算研究

4．6 本章小结

第五章 球冠表面微结构对LED光效率提高的研究

5．1 球冠表面微结构的仿真模型

5．2 不同波导材料半球微镜纳米周期结构的研究

5．3 周期性结构运算分析

5．4 模式分析法

5．5 球冠结构的进一步优化

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的主要成果与贡献

6．2 本论文的不足和可继续深入改进部分

参考文献

致谢

博士期间发表的论文

附录 英文论文两篇