正方形孔径纳米半球阵列提高LED光提取效率研究

为提高氮化镓(Ga N)基发光二极管(LED)的光提取效率,基于等效介质理论设计了底面100%占空比、半径为320 nm的正方形孔径纳米半球阵列。利用时域有限差分法(FDTD)对正方形孔径纳米半球阵列结构底面占空比、半径对光提取效率的影响进行了仿真计算研究。仿真结果表明:LED p-Ga N表面刻蚀半径为320 nm、底面占空比为100%的正方形孔径纳米半球阵列的光提取效率最优。采用电子束曝光配合热回流技术和ICP刻蚀完成正方形孔径纳米半球阵列的Ga N基LED制作及测试实验。结果表明:在20 m A和150 m A工作电流下,有微纳结构的LED较无微纳结构的参考样品的发光效率分别提高4.67倍和4.59倍,计算结果与实验结果比较一致,说明加入方形孔径纳米半球阵列可以有效提高LED光提取效率。     

利用纳米球提高红外波长上转换探测器效率

在红外波长上转换探测器氮化硅(SiN_x)钝化层制作单层六角密排的二氧化硅(SiO_2)纳米球阵列,以提高红外波长上转换探测器的整体效率.采用自组装的方法在器件钝化层上制备了直径分别约为300,450,750和1000 nm的SiO_2纳米球,并与无表面微纳结构器件进行对比测试.结果表明:钝化层附着SiO_2纳米球能有效地提高红外波长上转换器的光提取效率;当SiO_2纳米球直径为750 nm时的光提取效率最优,是无表面微纳结构器件的2.6倍,可实现低成本制作高效率红外波长上转换探测器.     

利用单层密排的纳米球提高发光二极管的出光效率

在发光二极管(LED)的透明电极层上制作单层六角密排的聚苯乙烯(polystyrene, PS) 纳米球, 研究提高GaN基蓝光LED的出光效率. 采用自组装的方法在透明电极铟锡氧化物层上制备了直径分别约为250, 300, 450, 600和950 nm的PS纳米球, 并且开展了电致发光的研究. 结果表明, 在LED的透明电极层上附有PS纳米球能有效地提高LED的出光效率; 当PS纳米球的直径与出射光的波长比较接近时, LED的出光效率最优. 与参考样品相比, 在20 mA和150 mA工作电流下, 附有PS纳米球的样品的发光效率分别增加1.34倍和1.25倍. 三维时域有限差分方法计算表明, 该出光增强主要归因于附有PS纳米球的LED结构可以增大LED结构的光输出临界角, 从而提高LED的出光效率. 因此, 这是一种低成本的实现高效率LED的方法.     

基于表面等离子激元的双金属光栅结构提高LED光提取效率的研究

为了提高GaN基LED的光提取效率,构建了一种在金属银膜上下表面分别刻蚀光栅结构的双光栅LED模型。利用时域有限差分法（FDTD）进行数值模拟,比较了无银膜、无光栅、单光栅、双光栅模型下LED的光提取效率。结果表明：在光栅周期为300 nm,占空比为0.23,银膜厚度为30 nm,光源深度为150 nm时,光提取效率较单光栅结构提高了6倍,较无光栅结构提高了16倍。     

利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率

波长上转换红外探测器具有实现大面阵焦平面的优势, 但光提取效率是制约器件整体效率的关键因素之一. 本文主要研究利用表面微结构来提高波长上转换红外探测器的效率. 首先通过仿真计算研究了表面微结构参数对光提取效率的影响, 然后基于优化设计的参数, 采用聚苯乙烯纳米球掩膜刻蚀的方法制作了具有圆台型表面微结构的波长上转换红外探测器. 测试结果表明, 具有表面微结构的器件的光提取效率比无表面微结构的器件提高了130%. 本文制作表面微结构的方法可以实现波长上转换红外探测器件整体效率的提高.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

纳米压印技术制备表面光子晶体LED的研究

利用表面光子晶体能大幅提高发光二极管(LED)的外量子效率, 但如何制备大面积的纳米光子晶体是该研究方向的主要难点之一. 本文基于纳米压印技术在氮化镓基发光二极管(GaN-LED)表面制作孔状二维光子晶体. 通过以金属和聚合物双层掩膜干法刻蚀法, 得到了很好的光子晶体图形转移效果. 最终在LED的p-GaN层表面获得了大面积光子晶体, 周期为450 nm, 纳米孔直径为240 nm. 器件测试结果显示, 有表面光子晶体的LED比没有光子晶体的LED, 光致发光强度峰值提高到了7.2倍.     

GaN基薄膜LED倒装芯片表面结构设计及光萃取效率研究

利用FDTD方法研究具有表面微纳结构氮化镓基倒装薄膜LED芯片的光萃取效率。通过优化表面结构并研究了器件的光萃取效率随p-Ga N层厚的变化。研究发现,具有表面光子晶体和六棱锥结构的器件的光萃取效率最大值比无表面微结构器件分别提高了56%和97%。尽管两种表面结构都能有效提高器件的光萃取效率,然而采用光子晶体的方案对p-Ga N厚度和腔长要求极为苛刻。采用六棱锥结构则不仅可以获得更高的光萃取效率,并且还将大大降低实验上材料外延生长及器件制备的难度。     

中高温GaN插入层厚度对蓝光LED光电性能的影响

利用金属有机气相化学沉积(MOCVD)技术在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED,并系统研究了不同中高温GaN插入层厚度对其光电性能的影响。利用芯片测试仪和原子力显微镜(AFM)表征了GaN基蓝光LED外延片的光电性能以及表面形貌。当中高温GaN插入层厚度从60 nm增加至100 nm时,V形坑尺寸从70~110 nm增加至110~150 nm。当注入电流为20 mA时,LED芯片的光功率从21.9 mW增加至24.1mW;当注入电流为120 mA时,LED芯片的光功率从72.4 mW增加至82.4 mW。对V形坑尺寸调控LED光电性能的相关物理机制进行了分析,结果表明:增大V形坑尺寸有利于增加空穴注入面积和注入效率,进而提高LED器件的光功率。     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

顶端ZnO纳米结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了提高GaN基蓝光LED的光提取效率,本文建立了LED顶面分别铺设ZnO纳米柱和纳米锥结构的两种模型,利用时域有限差分法对两种模型进行仿真并对结果进行了比较.仿真结果表明,ZnO纳米结构的各项几何结构参量(包括排列周期P、高度L、宽度W以及斜率k等),对LED顶端光提取效率影响显著.仿真分别得到了两种结构的最佳模型,通过比较,LED顶面纳米柱和纳米锥结构对光提取效率的提高效果相近,其最佳提取效率分别增强至无任何结构时的2.5倍和2.3倍.同时,通过对各项参量扫描获得的对光提取效率的变化曲线进行了分析,并给出了相应相应的理论解释.这些模型优化和理论分析对实际的高性能GaN基LED的设计制造有着指导意义.     

电致发光的完全悬空超薄硅衬底氮化镓基蓝光LED器件的制备与表征

为提升硅衬底氮化镓基LED(发光二极管)器件的光电性能和出光效率,本文提出了一种利用背后工艺实现的悬空薄膜蓝光LED器件。结合光刻工艺、深反应离子刻蚀和电感耦合等离子体反应离子刻蚀的背后工艺,制备了发光区域和大部分正负电极区域的硅衬底完全掏空,并减薄大部分氮化镓外延层的悬空薄膜LED器件。对悬空薄膜LED器件进行三维形貌表征,发现LED悬空薄膜表面平坦,变形程度小,证明背后工艺很好地解决了氮化镓外延层和硅衬底之间由于应力释放造成的薄膜变形问题。表征了LED器件的电流电压曲线和电致发光光谱等光电特性,对不同结构、不同发光区域尺寸的LED器件进行对比,发现悬空薄膜LED器件的光电性能和出光效率比普通LED器件更优越,且发光区尺寸变化对LED器件性能的影响更明显。在15 V驱动电压下,与普通LED器件相比,发光区直径为80μm的悬空LED器件的电流从4.3 mA提升至23.9 mA。在3 mA电流的驱动下,峰值光强提升了约5倍,而发光区直径为120μm的悬空器件与发光区直径为80μm的悬空器件相比,出光效率提升更为明显。本研究为发展高性能悬空氮化物薄膜LED器件提供了更多可能性。     

Si衬底GaN基蓝光LED钝化增透膜研究

在Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了一层SiON钝化膜,使器件的光输出功率提高12%且有效降低了器件在老化过程中的光衰。对有、无钝化膜的样品进行性能比较,结果表明SiON钝化膜能有效隔离环氧树脂与高温芯片,缓解环氧树脂的老化变黄;又能部分弛豫环氧树脂对芯片的张应力,降低非辐射复合中心产生的几率;有效减小器件的侧壁漏电通道,降低器件的光衰和漏电流,提高器件的可靠性。     

金属纳米颗粒的导入对顶发射OLED光取出影响的FDTD模拟与研究

由于有机发光二极管（OLED）中存在金属阴极和有机层界面,故部分光子会转化为表面等离子激元沿金属表面传播耗散掉。同时,金属阴极自身也会吸收部分光能量。这两种情况均会导致器件出光率降低。分析了在结构为Ag （100 nm）/MoO₃（5 nm）/NPB （35 nm）/EML （20 nm）/Alq₃（40 nm）/Al （20 nm）/MoO₃（50 nm）的器件内部引入银纳米颗粒（Ag NPs）或者金纳米颗粒（Au NPs）后器件出光效率的变化。同时,改变金属纳米颗粒的位置以观察其对出光效率的影响。利用有限差分时域法对无金属纳米颗粒的器件和金属纳米颗粒位于器件不同位置时的出光效率进行了模拟计算。结果显示,Ag NPs或者Au NPs都可以提高器件出光效率且Ag NPs优于Au NPs。在468 nm波长下,Ag NPs位于Al阴极表面、电子传输层（ETL）中间和Ag表面时器件的透光率分别是51.1%,50.5%和45.5%,而未掺杂Ag NPs的参考器件的透光率仅为43.3%。     

SiON钝化膜对硅衬底氮化镓绿光LED可靠性的影响

研制了4种不同表面钝化类型Si衬底GaN基绿光LED,分别标记为样品A、B、C、D.样品A无钝化层,样品B为台面SiON钝化,样品C为侧面SiON钝化,样品D为台面和侧面均钝化.将4种样品进行了常温60 mA(电流密度312 A/cm2)下168 h的加速老化,并对比了老化前后的I-V和光衰等特性.结果表明:侧边的Si...     

纳米半球微镜阵列结构对GaN基LED光提取效率的影响

为了分析表面纳米半球微镜结构对GaN基发光二极管（LED)光提取效率的影响,利用时域有限差分法(FDTD)分别对GaN、ZnO、SiO2、聚苯乙烯组成的半球微镜结构进行了分析和比较,同时用模式分析方法从理论上对FDTD计算结果进行了进一步验证。研究发现,在亚波长范围,折射率较小的材料不利于导模与表面结构层的耦合,不会对光提取效率的提高产生明显影响。相比之下,折射率较大的材料会使更多的模式耦合到半球微镜阵列层,更有利于光提取效率的提高;当材料选定,纳米半球半径增加时,光提取效率也逐渐增加,优化后半径为600 nm的半球微镜阵列结构GaN基LED,其光提取效率比没有结构的普通平板LED增强5.66倍,在以上波导材料结构中最为优化。在此基础上,通过等效折射率的计算得到半球微镜结构的等效折射率模型,并利用非对称平板模式分析的办法对以上得到的结论进行了分析和验证。这些结果对实际的高性能GaN基LED的设计与优化具有重要意义。     

电流阻挡层对大功率LED光电热特性的影响

LED芯片作为LED光源的核心,其质量直接决定了器件的性能、寿命等,因此在内量子效率已达到高水平的情况下,致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。由于蓝宝石衬底具有绝缘特性,传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧,而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失,为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应,本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡(ITO)透明导电层和p-GaN之间插入SiO_2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED,并与无CBL结构的大功率LED相比较。对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压,辐射通量,主波长等裸芯性能测试,结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V,而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升,这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散,减少流向有源区的电流密度,故减小了P电极对光的吸收和遮挡,且电流通过CBL引导至远离P电极的区域,缓解了电极周围的电流拥挤。对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装,并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试,得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。结果表明随着电流增加,两种器件的光谱曲线均发生蓝移,且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm,可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小,因此其显色性能更为稳定。而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大,随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。在大电流条件下,无CBL结构的LED结温更高,正向电压更低,随电流的增大二者之间的电压差增大。在25℃的环境温度, 350 mA工作电流下,加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V,但器件光功率最高提升了9.96%,且热阻明显小于无CBL结构器件,说明有CBL结构LED产热更少。因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率,并使其光谱漂移更小,显色性能更为稳定。     

微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

LED以其高效节能、体积小、寿命长等优点被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态光源,但LED芯片的光提取效率仍较低。综述了LED外延片表面的各种基于微纳光学结构的加工技术,如通过在LED芯片表面上加工粗糙微结构、LED芯片表面双层微结构、二维光子晶体结构、双光栅结构等。介绍了通过各种加工技术对LED芯片微纳光学结构的加工提高了芯片的外量子效率,从而提高了LED的出光效率。     

ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率

使用现有生产线上工艺成熟且成本低廉的技术实现ITO粗化以提高GaN基LED蓝光芯片的出光效率是产业界重要的研究课题。本文通过普通光刻技术和湿法腐蚀技术,实现ITO表面粗化,有效地提高了LED芯片的输出光功率。输入电流为20 mA时,ITO层制备密集分布的三角周期圆孔阵列后,芯片输出光功率提升11.4%,但正向电压升高0.178 V;微结构优化设计后,芯片输出光功率提升8.2%,正向电压仅升高0.044 V。小电流注入时,密集分布的三角周期圆孔阵列有利于获得较高的输出光功率。大电流注入时,这种结构将导致电流拥挤,芯片的电光转化效率衰减严重。经过优化设计后的微结构阵列器件,具有较高的电注入效率,因此芯片的出光效率较高且随输入电流的增加而衰减的趋势较慢,因此更适合大电流下工作。     

GaN基纳米阵列LED器件制备及发光特性

为了降低GaN材料中因应变诱导的量子斯托克斯效应,增加器件有源区内的电子-空穴波函数在实空间的交叠从而提高GaN基LEDs的发光效率,采用紫外软压印技术制备了均匀的周期性纳米柱阵列结构,结合常规LED器件微加工技术获得了In GaN/GaN基蓝光与绿光纳米阵列LED器件并对其进行了表征分析。结果表明:纳米柱阵列LED器件具有均匀的发光和稳定的光电性能。纳米结构不仅有效缓解了量子阱中的应力积累(弛豫度~70%),提高了器件的辐射复合几率和出光效率,同时结合纳米柱侧壁的化学钝化处理进一步降低了器件有源区的缺陷密度,显著降低了LED器件的漏电流(~10-7),最终提高了器件的发光效率。