利用表面等离激元技术提高发光二级管发光效率的研究

摘要

21世纪光电技术发展日新月异。LED是现代光电子装备中的核心器件。LED靠半导体中的电子-空穴对自发辐射复合发光。作为一种半导体固体发光器件，LED具有其他光源不可比拟的优势：它坚固，耐用，可大可小，使其使用范围相当广泛--既可以用作单芯片大功率照明光源，也可以集成在平板显示器当中；可以在极端的气候条件下可靠工作，在恶劣的使用环境中也不至失效。早期的LED使用GaAsP和GaP材料，发射红光和绿光。GaN基的LED是LED家族中相对年轻的成员，但是其发展潜力却是最大。其中一个很重要的原因是GaNLED可以作为白光照明的光源，随着相关技术不断发展进步，很有希望替代其他传统的照明光源，成为绿色照明最佳选择。但是，包括GaN在内所有材料的LED都面临一个共同的难题，器件中产生的光子往往都不能有效地辐射出去，转化为可用的光功率。这是固体照明器件的固有结构带来的问题：固态半导体发光体的折射率通常都高于周围介质(如空气等)，光线在半导体/空气的界面上容易发生全反射而完全折回到发光体中去；除此以外，即使有一部分光线能够以小于全反射临界角的角度入射半导体/空气界面而不至于完全反射回来，在穿透界面的同时它们仍然可能发生Fresnel反射。总之，高折射率材料的半导体发光体本身就是阻碍光提取的重要原因。目前，提高LED光提取效率的办法主要靠表面加工工艺，包括表面粗化和光子晶体等。
　　 电子和空穴在半导体中发生复合，一部分是辐射复合，另一部分为非辐射复合。只有辐射复合才能放出光子，而非辐射复合通常带来热耗散。两者之比决定LED的内量子效率。提高辐射复合率，因此成为减小损耗，提高LED效率的关键。对于白光照明等应用，GaN LED在大注入电流下出现的内量子效率急剧下降的情况，成为大功率GaN LED面临的又一难题。提高光提取效率，自发辐射复合率及相应的内量子效率是GaN LED过渡到大规模商业应用的关键，也是节能减排绿色环保大势所趋。目前的技术能够在一定程度上使上述两大难题分别得到部分解决，然而还没有一种方法能同时改善上述情况。
　　 亚波长金属结构上的光学现象是近年来的研究热点。亚波长金属结构上会发生丰富的光学现象，典型的如异常光传输现象；亚波长金属结构所激发的表面等离激元，在这些现象背后发挥着重要作用。亚波长金属结构上的表面等离激元是量子化的金属表面上的自由电子气密度在电磁场照射激发下所发生的集体振荡，如同光子是量子化的光波，声子是量子化的声波一样。这些电子的振荡可以和入射光发生相互作用，形成仅在金属表面传播的消逝型的电磁模。这种特殊的性质突破了衍射极限的限制，开启了光与电子器件直接耦合的通道，在现代光电子领域具有很高应用价值。在GaN LED中利用亚波长金属结构，可以引发异常光传输现象，使原本被全反射束缚的光能更多的透过亚波长金属结构辐射出去；同时也能激发表面等离激元模式，和半导体中的发光结构相互耦合，对其自发辐射强度进行调制。这样就有可能一次同时实现提取效率和内量子效率的提升，从而启示了一条通往高效GaN LED的捷径。
　　 新型光电器件的开发，往往通过计算机仿真先行进行验证，从而减少复杂而昂贵的试制过程，缩短开发周期，节省成本。对于一个光电子器件的性能的完整描述，涉及到它的光学、电学、热学、结构力学参数；根据器件使用要求的不同，我们可能重点关心其中的一种或者几种参数。研究包含纳米金属结构的GaNLED，也是从计算机仿真开始；对LED性能的了解，一般侧重于关注它的光、电、热三方面的参数。
　　 对于GaN LED纳米金属结构上的光学现象的研究，通过电磁场仿真技术，即在相应边界条件下求解Maxwell方程组的方式进行。由于结构的复杂性，已经很难通过解析法对Maxwell方程组进行求解，求解必须借助数值计算的方法进行。有限时域差分法(FDTD)是广泛使用的一种数值计算方法，对计算纳米金属结构GaN LED中的电磁场尤其适用。理论上只要设置好介质参数，边界条件以及相应的激励源，就能通过FDTD迭代求得GaN LED光场随时间的演进变化情况。而对于同样的设计结构，LED的电学、热学参数可以通过半导体器件仿真技术分析。与电磁场仿真技术类似，半导体仿真通过数值方法计算LED半导体材料的能带结构，载流子运动，热量产生等模型，求解相应参数。
　　 本文侧重研究纳米金属结构在改善GaN LED效率中的作用，主要在下面几部分：
　　 论文分析了在GaN LED中的电偶极子源照射下，纳米金属周期结构激发异常光传输现象的物理机制；比较了异常光传输现象中表面等离激元和Fabry-Perot共振的作用，以及他们对提高GaN LED光提取效率的贡献；考察了相关纳米金属周期阵列的几何参数以及电偶极子源的极化、位置等对提高光提取效率的影响。结果显示，纳米尺度金属周期阵列结构的异常光传输，可以提供GaN LED中光子逃逸出半导体结构的途径，从而提高GaN LED的光提取效率。
　　 研究了表面等离激元与GaN LED的量子阱之间相互耦合的原理，耦合过程中表面等离激元对量子阱自发辐射率的调制作用；应用数值模拟的方法，讨论了表面等离激元-量子阱耦合结构的几何参数，如纳米金属薄膜的厚度、GaN层厚度、源和金属膜距离等对量子阱的自发辐射率的调制关系。结果显示，通过合适厚度的纳米金属薄膜与量子阱相互耦合的方式能够增强量子阱的自发辐射率。研究了GaN LED模型中表面等离激元振荡能量跨金属薄膜传输的问题，设计了利用纳米厚度金属薄膜两表面的表面等离激元相互耦合进行能量传输的结构；采用FDTD数值仿真方法进行验证，结果表明该结构能够有效实现光能量的传输。针对表面等离激元中可见光的重新提取问题，设计了利用金属薄膜上纳米介质光栅重新提取可见光并控制光传播方向的结构；采用FDTD数值仿真方法优化了光栅参数并进行了验证，计算得到的光场分布图显示该结构能够有效的从表面等离激元中提取可见光并使其定向传播。结合半导体器件仿真技术，研究了纳米金属结构GaN LED的电、热性能参数，分析讨论了器件中载流子运动、发热等现象以及影响内量子效率的因素等。从而得到了包括光、电、热性能参数在内的纳米金属GaN LED全部参数的仿真结果。