高效大功率LED用金属银薄膜微结构的制备及其光学特性

摘要

发光二极管（Light-emitting diode，LED）作为一种新型的半导体高效光源受到了越来越多的关注。当前LED逐渐地从交通指示、背光显示向生活照明发展。高效大功率GaN基LED的发展，是实现白光照明的必然趋势。本文针对目前GaN基LED器件效率有待提升的研究现状，通过溅射银薄膜再退火的方法，提出在LED衬底表面、发光量子阱上方以及透明电极表面分别制备出银纳米颗粒，利用银颗粒表面等离子效应，以全面提升LED器件的内量子效率和光提取效率。
　　Rsoft光学软件的理论计算结果表明，球形银纳米颗粒理论透光增强效果随着颗粒的增大而减弱。当直径大于50 nm时，进一步增大颗粒直径透光增强倍数变化不大。对于直径大于50 nm的颗粒，当颗粒间距接近直径的两倍时得到最佳的透光增强效果。
　　直流磁控溅射银薄膜的实验表明，银薄膜沉积速率随着溅射功率减小而减小，随着工作气压的增大而减小。当溅射功率为30 W，工作气压为3 Pa时，得沉积速率为0.558 nm/s。随后银薄膜退火的实验表明，随着退火温度和退火时间的增加，银颗粒的形状从条形变化成球形或者椭球形。薄膜的厚度决定着退火后银颗粒的大小和形状；随着薄膜厚度的增加，退火后得到的银颗粒直径增大，形状从球形变化成椭球形；不同衬底得到的银颗粒形貌有所差异；在400℃退火15 min可得到大小和分布均匀的银颗粒。
　　银纳米颗粒阵列的光学性能测试表明，合适的银纳米颗粒阵列能显著地提高蓝宝石衬底的反射率，其中当颗粒直径为90 nm时，在450 nm处蓝宝石的反射率提高了100％。在LED芯片的透明导电薄膜掺镓氧化锌（GZO）和掺铝氧化锌（AZO）层制备银纳米颗粒。在GZO和AZO沉积厚度为11.83 nm的银薄膜退火后，LED的出光强度分别提高了297%和95%。当银颗粒沉积在量子阱上方p-AlGaN上时，薄膜的光致发光强度最高可提高4.76倍。利用银颗粒的表面等离子体激元效应，在LED衬底表面、发光量子阱上方以及GZO透明电极表面分别制备出银纳米颗粒，理论上能提高LED芯片光致发光强度5.24倍，将在高效大功率LED领域有着较好的应用前景。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 材料制备与表征方法

2.1 银纳米颗粒的制备

2.2 银颗粒厚度、形貌及性能表征

2.3 银薄膜的物相表征

2.4 银纳米颗粒和LED光学性能表征

第3章 银纳米颗粒对出光性能的理论计算

3.1 模型的构建

3.2 结果分析

3.3 本章小结

第4章 银纳米颗粒的制备

4.1 银薄膜制备工艺的研究

4.2 银纳米颗粒的制备工艺

4.3 本章小结

第五章 银颗粒的光学性能及其在LED应用

5.1 样品制备

5.2 银纳米颗粒的光学性能测试

5.3 银纳米颗粒对LED光学性能影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢