纳米尺度周期结构提高LED发光效率机制的研究

摘要

随着全世界范围能源危机和环境污染的日益加剧，节能减排成为解决当前能源和环境问题的重要手段。而发光二极管（Light-emitting diode，LED）作为一种新型绿色照明光源已逐渐引领了照明领域未来发展的趋势。因此，针对LED的研究尤其是作为白光LED基础的GaN基蓝光LED的研究引起了世界范围内研究者的高度关注。
　　随着半导体器件制备工艺水平的不断提高，当前针对LED的研究取得了一些进展，但是要实现全面取代现有传统照明光源的目标仍然需要大幅度提高LED的发光效率。LED的发光效率主要包括两个方面:一个是内量子效率(Internal quantumefficiency，IQE)，即电子转化为光子的效率;一个是光提取效率(Light-extractionefficiency，LEE)，也就是光子从LED芯片内部发射出来的效率。当前，随着半导体材料质量的不断提高和生长工艺水平的不断进步，GaN基蓝光LED的内量子效率已经超过了70％，并逐渐趋于理论上的极限值，而光提取效率却由于LED表面的全反射(Total internal reflection，TIR)和Fresnel反射等原因仍然非常低。为此，通过合理设计并优化LED的外延结构来提高其光提取效率就非常有意义。
　　当前，已经有很多种方法如表面粗化、光子晶体(Photonic crystals，PhCs)等被用来提高LED的光提取效率，并取得了一定的效果。然而，我们仍然需要不断探索新的有效结构并进行优化以进一步提高LED的光提取效率。同时，目前国内外针对提高LED光提取效率方法的研究和结构优化尚缺少明确的理论指导，而单纯通过样品的设计和制备来优化芯片结构无疑会耗费大量的时间和财力。近年来，计算机硬件水平的不断提高和仿真算法的不断改进为以上问题的解决提供了有效的手段，大大提高了设计效率，降低了产品的开发成本。
　　同时，尽管当前人们在提高LED光提取效率的研究方面取得了一些进展，然而，关于这些方法对LED内部电性能和热性能的影响却很少被研究，而这些性质对于LED的设计和制造却是非常重要的。首先，当前LED随着注入电流密度的增大出现了效率迅速下降的现象，也即所谓的“Droop”效应，这严重制约了大功率LED的发展。其次，LED有源层内的温度分布不均匀也严重影响了LED的发光效率和使用寿命，这些问题都迫切需要我们去研究和解决。近来，有相关研究已经表明LED有源层内均匀的电流密度分布有利于降低其“Droop”效应，同时，均匀的电流密度分布也非常有利于获得均匀的温度分布。为此，在实现提高LED光提取效率的同时进一步探讨如何获得更加均匀的电流密度分布和温度分布也具有非常重要的意义。
　　针对上述存在的问题，本文主要通过理论分析和电磁场数值计算的方法探索采用多种纳米尺度周期结构提高LED发光效率的方法。基于时域有限差分方法（Finite-difference time-domain，FDTD）建立了LED的光学模型，分别研究了表面复合光子晶体、嵌入式光子晶体、ZnO纳米管以及三层复合结构在改善LED光提取效率中的作用，深入分析了这些结构的相关参数影响LED光提取效率的物理机制，得到了相应的最优结构模型。在对LED光学特性研究的基础上，基于有限元方法(Finite element method，FEM)建立了光子晶体结构LED的电学和热学模型，系统研究了普通表面光子晶体结构LED的光电特性以及SiO2光子晶体结构LED的光学、电学以及热学性质，深入分析了光子晶体对LED的光提取效率、有源层内的电流密度分布以及温度分布的影响，以期为大功率、高效率LED的设计和优化提供有益的指导和参考。本文的主要研究工作包括以下几个方面:
　　(1)针对提高LED光提取效率的方法中广泛采用的光子晶体结构LED，为了在不刻穿有源层的情况下尽可能的提高LED的光提取效率，提出了一种利用LED表面不同刻蚀深度的复合光子晶体结构增强LED光提取效率的方法。由于该结构能够同时减小LED表面的全反射和Fresnel反射，使得LED的光提取效率得到了更大程度的提高。通过优化，复合光子晶体结构LED的光提取效率与普通平板结构LED相比得到了超过30％的提高。此外，我们还进一步研究了部分刻穿有源层的复合光子晶体结构影响LED光提取效率的情况。
　　(2)针对SiC衬底倒装结构LED的光提取效率不高，并且SiC衬底不易被加工的情况，将嵌入式光子晶体引入到LED的n-GaN层以增强SiC衬底倒装结构LED的光提取效率。系统分析了嵌入式光子晶体与有源层之间的距离、刻蚀深度、填充率等结构参数影响LED光提取效率的物理机制，并对结构进行了优化，得出LED内的微腔结构效应以及嵌入式光子晶体通过控制光的出射方向和改变光波导模式的分布使LED的光提取效率得到了很大的提高。经过优化后的嵌入式光子晶体结构使SiC衬底倒装结构LED的光提取效率达到了20％。作为对比，我们还进一步研究了普通表面刻蚀光子晶体结构LED以及双层刻蚀光子晶体结构LED的光提取效率。
　　(3)鉴于ZnO纳米管在LED发光方面所具有的天然优势，针对当前ZnO纳米管制备过程复杂，不同研究人员制备出的纳米管结构差别较大，对LED的发光效率的改善程度也存在很大差别的问题，采用FDTD方法研究了ZnO纳米管结构LED的光提取效率，分析了ZnO纳米管提高LED光提取效率的物理机制。讨论了ZnO纳米管的结构参数如高度、内径、壁厚以及纳米管阵列周期对LED光提取效率的影响，并对结构进行了优化。优化后的ZnO纳米管结构LED的光提取效率达到了普通平板结构LED光提取效率的4倍。完整起见，我们还讨论了仿真得到的最佳结构在整个可见光谱范围内的光提取效率。
　　(4)针对当前RGB三基色白光LED光提取效率较低的问题，采用三层复合结构分别来提高RGB三基色白光LED中的红光(R)、绿光(G)以及蓝光(B)的提取效率，进而提高三基色白光LED的整体光提取效率。详细分析了嵌入式光子晶体、表面光子晶体以及纳米棒分别对绿光、蓝光以及红光的提取作用。通过FDTD方法进行计算得到，该复合结构对红光、绿光以及蓝光的提取效率分别达到了普通平板结构LED提取效率的2.05，4.27和3.84倍。完整起见，我们还在整个可见光谱范围内对该结构LED的光提取效率进行了研究，并与普通表面光子晶体结构LED作了比较。
　　(5)光子晶体被广泛用来提高LED的光提取效率，而关于光子晶体对LED有源层内的电流密度分布的影响却很少被研究。针对当前大功率LED普遍存在的“Droop”效应以及“Droop”效应与LED有源层内的电流密度分布之间的关系，同时讨论了大电流注入下，光子晶体结构LED的光特性和电特性，分析了光子晶体的结构参数对LED有源层内的电流密度分布和LED外量子效率的影响。
　　(6)针对当前关于光子晶体结构LED的研究中，对空气孔光子晶体研究较多而对介质材料光子晶体研究较少，对光子晶体结构LED光提取性能的研究较多而对其电性能和热性能研究较少的情况，我们对SiO2光子晶体结构LED的光、电、热性能进行了系统的研究。通过三维FDTD方法系统研究了SiO2光子晶体的各个结构参数影响LED光提取效率的物理机制。经过优化，SiO2光子晶体结构LED的光提取效率比普通平板结构LED得到了超过37％的提高。同时，采用严格的耦合波方法(Rigorous coupled waves approach，RCWA)验证了FDTD算法的仿真结果。作为对比，我们还对常规空气孔光子晶体结构LED的光提取效率进行了研究，结果表明，SiO2光子晶体结构LED比常规空气孔光子晶体结构LED具有更高的光提取效率。讨论了优化后的SiO2光子晶体结构对LED电性能以及热性能的影响并与普通平板结构LED进行了比较。
　　综上所述，论文主要围绕如何提高LED发光效率的问题，提出了几种采用纳米尺度周期结构提高LED光提取效率的方法，并且针对当前研究中对于纳米尺度周期结构提高LED光提取效率的研究较多，而关于这些结构对LED电性能与热性能研究较少的情况，建立了被广泛用来提高LED光提取效率的光子晶体结构LED的光学、电学以及热学模型，系统研究了光子晶体结构对LED光学、电学以及热学性能的影响，以更加全面深入的了解纳米尺度周期结构提高LED发光效率的物理机制。同时，论文还对这些结构进行了优化以作为大功率、高效率LED设计和制备的参考。论文的主要创新点如下:
　　(1)论文提出了利用表面复合光子晶体、嵌入式光子晶体、ZnO纳米管以及三层复合结构等纳米尺度周期结构提高LED光提取效率的方法并研究了其物理机制，系统研究了这些结构的相关参数对LED光提取效率的影响，并对结构进行了优化，优化以后的结构使得LED的光提取效率得到了有效的提高。
　　(2)论文建立了光子晶体结构LED的光学和电学模型同时研究了光子晶体结构LED的光性能和电性能，详细讨论了光子晶体的结构参数对LED有源层内的电流密度分布以及外量子效率的影响。通过优化使得LED有源层内的电流密度分布更加均匀的同时获得了更高的外量子效率。
　　(3)论文建立了SiO2光子晶体结构LED的光学、电学以及热学模型，系统研究了SiO2光子晶体结构LED的光学、电学以及热学性能，全面讨论了SiO2光子晶体对LED的光提取效率以及有源层内的电流密度分布和温度分布的影响，得出优化后的SiO2光子晶体可以在提高LED光提取效率的同时使得有源层内的电流密度分布更加均匀，而对有源层内的温度分布影响不大。
　　综上所述，通过论文的研究，阐明了多种纳米尺度周期结构增强LED发光效率的物理机制，得到了这些结构的最优结构参数，并讨论了光子晶体结构LED的光学、电学以及热学性能，为大功率、高效率LED的设计和制造提供了有益的指导和参考。

目录

声明

摘要

论文中常用符号说明

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．3 研究内容及论文安排

第二章 LED模型的数值计算方法

2．1 电磁场数值计算方法综述

2．2 时域有限差分法FDTD

2．2．1 MaxWell方程与Yee元胞

2．2．2 数值稳定性与数值色散

2．2．3 吸收边界条件

2．3 LED的数值计算模型

2．3．1 LED的发光效率

2．3．2 LED的仿真结构模型设置

2．4 本章小结

第三章 利用复合光子晶体结构提高LED光提取效率的研究

3．1 光子晶体结构LED

3．2 复合光子晶体结构LED的仿真模型

3．3 不同刻蚀深度的光子晶体对LED光提取效率的影响

3．4 复合光子晶体结构的渐变折射率抗反射特性

3．5 复合光子晶体的衍射特性

3．6 本章小结

第四章 嵌入式光子晶体提高SiC衬底倒装结构LED光提取效率

4．1 SiC衬底倒装结构LED

4．2 嵌入式光子晶体SiC衬底倒装结构LED仿真模型

4．3 有源层位置对LED光提取效率的影响

4．4 光子晶体刻蚀深度对LED光提取效率的影响

4．5 光子晶体相对于有源层的位置对LED光提取效率的影响

4．6 光子晶体的填充料和周期对LED光提取效率的影响

4．7 嵌入式光子晶体与表面光子晶体的比较

4．8 本章小结

第五章 ZnO纳米管对LED光提取效率的影响

5．1 ZnO纳米管结构LED

5．2 ZnO纳米管结构LED的仿真模型

5．3 ZnO纳米管的高度对LED光提取效率的影响

5．4 ZnO纳米管的内径和璧厚对LED光提取效率的影响

5．5 ZnO纳米管阵列周期对LED光提取效率的影响

5．6 可见光谱范围内的光提取效率

5．7 本章小结

第六章 复合结构提高三基色白光LED光提取效率的研究

6．1 复合结构白光LED

6．2 复合结构LED的仿真模型

6．3．1 嵌入式光子晶体相对于有源层的距离对绿光提取效率的影响

6．3．2 嵌入式光子晶体的刻蚀深度对绿光提取效率的影响

6．3．3 嵌入式光子晶体的半径和填充率对绿光提取效率的影响

6．4 蓝光的光提取—表面光子晶体

6．4．1 表面光子晶体的刻蚀深度对蓝光提取效率的影响

6．4．2 表面光子晶体的半径和填充率对蓝光提取效率的影响

6．5 红光的光提取-纳米棒

6．5．1 纳米棒的半径对红光提取效率的影响

6．5．2 纳米棒的高度对红光提取效率的影响

6．6 可见光谱范围内的光提取效率

6．7 本章小结

第七章 大功率GaN基光子晶体结构LED的光-电性能分析

7．1 “Droop”效应与电流密度分布

7．2 GaN基光子晶体结构LED的仿真模型

7．3 LED有源层内的电流密度分布

7．3．1 LED内的电流传输路径

7．3．2 LED有源层内的电流密度分布

7．4 偶极子源位置对LED光提取效率的影响

7．5 光子晶体半径对LED电流密度分布和外量子效率的影响

7．6 光子晶体填充率对LED电流密度分布和外量子效率的影响

7．7 光子晶体刻蚀深度对LED电流密度分布和外量子效率的影响

7．8 本章小结

第八章 SiO2光子晶体结构LED的光-电-热特性研究

8．2 SiO2光子晶体结构LED的仿真模型

8．3 SiO2光子晶体对LED光提取效率的影响

8．3．2 SiO2光子晶体的半径和填充率对LED光提取效率的影响

8．4 空气孔光子晶体对LED光提取效率的影响

8．4．1 空气孔光子晶体的刻蚀深度对LED光提取效率的影响

8．4．2 空气孔光子晶体的半径和填充率对LED光提取效率的影响

8．5 SiO2光子晶体结构LED有源层内的电流密度分布

8．6 SiO2光子晶体结构LED有源层内的温度分布

8．7 本章小结

第九章 总结与展望

9．1 论文主要研究成果及贡献

9．2 论文的不足之处及后续工作展望

参考文献

致谢

博士期间发表的论文、参与的项目及获得的奖励

附录 英文论文两篇