表面等离子体增强LED发光效率关键技术研究

摘要

LED作为光源已广泛应用于家电、电子显示、照明、汽车等领域。随着对LED芯片发光效率要求的不断提高，以及节约能源的需要，增强LED的发光效率已成为研究的热点问题。在众多的增强LED发光效率的方法中，利用表面等离子体激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）耦合提高发光器件发光效率是增强器件发光的有效途径，而表面等离子体激元耦合提高LED发光效率受许多因素的影响，因此需要对表面等离子体增强LED发光效率关键技术进行研究。
　　本文从提高LED光提取效率和内量子效率两个关键指标出发，对氮化镓(GaN)和硅(Si)材料体系的表面等离子体波耦合LED芯片进行了研究。采用严格耦合波算法(RCWA)对一维、二维金属光子晶体的周期、占空比对SPP波的调制作用进行了分析，提出了一种SPP波转化为辐射光的模式调制方法。该方法使限制在LED芯片内的导波耦合为SPP波后转化为辐射光被有效提取，从而提高LED光提取效率。利用时域有限差分算法(FDTD)分析了金属光子晶体结构的SPP波在LED材料中的穿透深度，在SPP波穿透范围内优化了金属与LED有源区之间的耦合距离，保证SPP波与LED有源区光辐射有效的耦合;在金属光子晶体结构和LED有源区之间设计了一定厚度的介质隔离层，避免了SPP波在LED材料中的欧姆损耗;利用SPP波的强局域特性增加LED有源区量子态密度，提高了LED内量子效率。
　　本文采用金属光子晶体SPP耦合结构对表面等离子体增强LED发光效率的模式调制、耦合距离和欧姆损耗抑制等关键技术进行了综合分析，结果表明，在GaN基LED器件中可提高光提取效率6％，在硅基LED器件中可提高光提取效率27％，同时提高了发光器件的内量子效率，为高发光效率的半导体光电器件研究提供了参考，在半导体照明和硅基光电集成领域具有很高的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外研究现状

1．2 本文的研究目的和意义

1．3 本文的研究内容

第二章 表面等离子体波和发光二极管(LED)的基本理论

2．1 表面等离子体波的基本理论

2．1．1 表面等离子体波的研究背景

2．1．2 表面等离子体波的激发方式

2．2 发光二极管的基本理论

2．2．1 发光二极管的发光原理

2．2．2 发光二极管的基本结构

2．3 表面等离子体激元耦合计算及分析方法

2．3．1 金属介电常数的计算

2．3．2 严格耦合波分析的原理及分析方法

2．4 本章小结

第三章 表面等离子体增强LED发光效率关键技术的研究

3．1 表面等离子体波转化为辐射光的模式调制

3．1．1 典型三层均匀平面结构波导模式的分析

3．1．2 表面等离子体波向辐射光转化的基本原理

3．1．3 金属颗粒结构的表面等离子体波向辐射光的转化

3．1．4 金属周期性结构的表面等离子体波向辐射光的转化

3．2 金属与LED有源区之间的耦合距离

3．2．1 表面等离子体波的特性分析

3．2．2 表面等离子体波耦合距离

3．3 表面等离子体波欧姆损耗抑制

3．4 本章小结

第四章 表面等离子体增强LED发光效率关键技术的综合分析

4．1 表面等离子体增强LED发光效率的器件结构设计

4．1．1 GaN基表面等离子体发光增强LED器件结构

4．1．2 硅基表面等离子体发光增强LED器件结构

4．2 表面等离子体耦合增强内量子效率分析

4．3 表面等离子体耦合增强光提取效率分析

4．3．1 表面等离子体增强GaN-LED光提取效率的分析

4．3．2 表面等离子体增强硅基LED光提取效率的分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢