基于電子實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)下的LED發(fā)光優(yōu)化

周洪強(qiáng)，陳 超

(麗水學(xué)院 工學(xué)院，浙江 麗水 323000)

基于電子實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)下的LED發(fā)光優(yōu)化

周洪強(qiáng)，陳 超

(麗水學(xué)院 工學(xué)院，浙江 麗水 323000)

結(jié)合表面等離子(SP)的特性，研制了砷化鎵材料沉積金膜以及GaN發(fā)光層模型，通過(guò)金膜-介質(zhì)間產(chǎn)生的SP增強(qiáng)作用來(lái)顯著提高LED的出光效率。理論上采用SP的周期光柵傳播與耦合強(qiáng)度模型，分析得出SP對(duì)發(fā)光效率放大倍數(shù)都能滿足耦合輻射與發(fā)射源自身輻射效率的比。發(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：通過(guò)金屬膜結(jié)構(gòu)的沉積實(shí)現(xiàn)了反射率顯著下降，結(jié)果能夠?qū)⒁徊糠謸p耗能量變化為光發(fā)射，改進(jìn)模型能夠顯著提高發(fā)光效率。參數(shù)分析得出：模型設(shè)計(jì)為占空比0.81左右光柵周期能夠?qū)崿F(xiàn)吸收率最大，此時(shí)能夠較好地實(shí)現(xiàn)SP增強(qiáng)LED出光效果；SP的增強(qiáng)作用實(shí)現(xiàn)了用于顯著改善弱光致發(fā)光的發(fā)光效率和非線性過(guò)程，且非線性過(guò)程能夠用來(lái)檢測(cè)不同襯底介質(zhì)少量輻射。

LED外量子效率； SP增強(qiáng)； 光發(fā)射； 輻射

0 引 言

自從上世紀(jì)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)以及鋁氮化稼(AlGaN)的發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，LED)之后，LED就成為了各領(lǐng)域?qū)W科交叉的研究熱點(diǎn)[1-3]。在納米科學(xué)領(lǐng)域，Nakad團(tuán)隊(duì)研制的分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,DBR)，顯著改進(jìn)了LED的外量子效率，他們采用的是15對(duì)的GaN-AlGaN布拉格設(shè)計(jì)[4-5]。美國(guó)哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了微芯片的制作，能夠顯著地改進(jìn)電子、光子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，其采用的是表面等離子(Surface Plasmon，SP)的受激輻射放大特性，實(shí)現(xiàn)了納米量級(jí)的強(qiáng)局域和發(fā)光改進(jìn)[6-9]。之后，Wind團(tuán)隊(duì)在可見(jiàn)光范圍的聚苯乙烯中提高2D的光子晶體(PC)顯著提高了LED的效率，且設(shè)計(jì)的周期結(jié)構(gòu)制作非常簡(jiǎn)單[10-13]。

LED的研究目前依然致力于外量子效率的優(yōu)化，PC的出現(xiàn)被認(rèn)為是LED發(fā)光效率的改進(jìn)曙光，然而經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，并未出現(xiàn)顛覆性的產(chǎn)品。于是研究人員嘗試更多微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，SP因此再次成為了LED外量子效率提高的熱點(diǎn)[14-15]。SP是一種表面局域化非常強(qiáng)、垂直界面指數(shù)衰減的電磁波，可以光子、電子激發(fā)，表面等離子學(xué)目前被材料、物理、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究人員關(guān)注。在上述發(fā)展背景下，本文研制了砷化鎵材料上淀積周期光柵金膜，通過(guò)界面處產(chǎn)生的SP增強(qiáng)特性，實(shí)現(xiàn)LED外量子效率的改進(jìn)，較為顯著地改進(jìn)了LED發(fā)光效率。

1 周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1SP的周期光柵模型

圖1為設(shè)計(jì)的LED結(jié)構(gòu)SP耦合的基本模型，采用的是光耦合激發(fā)的模型。當(dāng)入射光在介質(zhì)-光柵實(shí)現(xiàn)全反射，此時(shí)緊鄰界面處就會(huì)產(chǎn)生部分倐逝波穿透到電介質(zhì)(介電常數(shù)為εp)中。如果此時(shí)金屬光柵(介電常數(shù)為εg)與表面厚度足夠近時(shí)，就會(huì)在分界面實(shí)現(xiàn)SP共振現(xiàn)象。設(shè)上述倐逝波的波矢為kx，于是滿足SP共振的矢量條件：

(1)

進(jìn)一步得到下面的關(guān)系：

(2)

圖1 SP耦合的基本模型

基于電磁場(chǎng)邊界條件特點(diǎn)，可以得到上述模型的色散滿足以下關(guān)系：

(ε2k1z+ε1k2z)(ε3k2z+ε2k3z)+(ε2k1z-ε1k2z)·

(ε3k2z-ε2k3z)ei2k2zt=0

(3)

于是得到耦合模型的SP共振頻率關(guān)系如下:

(4)

1.2SP增強(qiáng)LED外量子效率模型

圖2為本文設(shè)計(jì)的SP增強(qiáng)LED外量子效率模型，采用的是砷化鎵材料沉積金膜以及GaN發(fā)光層的設(shè)計(jì)，模型的內(nèi)部發(fā)光效率能夠表述為：

ηrad=τnrad/(τnrad+τrad)

(5)

輻射壽命τrad由介質(zhì)的模密度確定，當(dāng)光輻射入金屬層時(shí)，SP共振存在以下關(guān)系：

(6)

圖2 SP增強(qiáng)LED外量子效率的模型

Ep(z,x)=Ap(z)ep(βp,x)ej(βpz-ωt)

(7)

為了確保連續(xù)的輻射光與SP波耦合良好，要求SP衰減滿足下面關(guān)系：

(8)

進(jìn)而得到耦合強(qiáng)度能夠表述為：

kpr(βp,βr)=

(9)

于是得到SP耦合過(guò)程中的輻射效率能夠表述為：

(10)

這樣可以得到SP增強(qiáng)提高LED發(fā)光效率的大小能夠表述如下：

(11)

通過(guò)上面模型可以知道，SP對(duì)光效率放大都能滿足SP耦合輻射效應(yīng)與發(fā)射源自身輻射效率的比。

2 發(fā)光實(shí)驗(yàn)與參數(shù)分析

2.1發(fā)光實(shí)驗(yàn)分析

圖3對(duì)比分析了淀積金膜前(a)、后(b)GaN材料的出光、吸收和反射效率曲線，圖4則是分析了設(shè)計(jì)SP增強(qiáng)模型的LED輻照度/光照度分析圖，這里沉積的金膜是25 nm(金屬趨膚穿透深度的大小)。綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)金屬膜結(jié)構(gòu)的沉積實(shí)現(xiàn)了反射率顯著下降，即此時(shí)出光效率與被金屬吸收的光能效率的和肯定大于沒(méi)有淀積時(shí)的出光效率。這說(shuō)明金膜與介質(zhì)間產(chǎn)生了SP增強(qiáng)作用，提高了LED發(fā)光效率；由輻照度/光照度比可以看出，改進(jìn)模型能夠顯著提高發(fā)光效率，而當(dāng)超過(guò)臨界角以后，由于金等離子體的吸收作用，出射光并沒(méi)有完全被反射掉，而是一部分被納米粒子吸收。上述結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模型能夠?qū)⒁徊糠謸p耗能力變化為光發(fā)射，進(jìn)而顯著地增強(qiáng)LED出光效率。

(a)淀積金膜前

(b)淀積金膜后圖3 GaN材料的出光、吸收和反射效率曲線

圖4 設(shè)計(jì)模型的輻照度/光照度分析圖

2.2參數(shù)分析

2.2.1光柵周期的影響分析

設(shè)計(jì)的模型光柵周期會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，分析光柵周期對(duì)LED出光的影響，以求得金膜最優(yōu)的光柵周期。圖5(b)、(c)、(d)給出了以下空隙條件：3、6、10，即占空比為0.81、0.62、0.49時(shí)GaN材料的出光、吸收、反射效率曲線。從圖5可以得到，出光效率會(huì)隨著光柵占空比的提高而變小，而吸收率卻相反，隨著占空比降低而降低，在占空比0.81時(shí)最大表現(xiàn)為峰值；出光量和吸收量的總和也是在開(kāi)始時(shí)隨尺寸的增加而增加，在占空比達(dá)到0.81左右達(dá)到峰值然后減小，但始終大于不加金膜的出光量。上述結(jié)果表明，將模型設(shè)計(jì)為占空比0.81左右光柵周期能夠較好地實(shí)現(xiàn)SP增強(qiáng)LED出光效果。

(a)不采用金屬薄膜

(b)空隙條件3

(c)空隙條件6

(d)空隙條件10圖5 光柵周期對(duì)LED出光的影響

2.2.2傳輸系數(shù)的參數(shù)分析

圖6(a)分析了光柵1D和2D條件下，SP增強(qiáng)對(duì)傳輸變化的影響。從圖中可以看出，1D的光柵周期比2D光柵周期輻射效率小，其更適合于發(fā)光效率的增強(qiáng)作用。圖6(b)分析了SP耦合作用，從圖中可以看出，SP對(duì)介質(zhì)發(fā)光的增強(qiáng)作用是非常顯著的，SP的增強(qiáng)作用顯著用于改善弱光致發(fā)光的發(fā)光效率和非線性過(guò)程，且上述的非線性過(guò)程能夠用來(lái)檢測(cè)不同襯底介質(zhì)少量輻射。上述傳輸系數(shù)的分析結(jié)果，驗(yàn)證了模型采用SP增強(qiáng)LED構(gòu)想的正確性和有效性。

(a)SP放大分析

(b)SP耦合影響

圖6 傳輸對(duì)LED出光影響

3 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的周期光柵金膜的LED改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)能夠顯著提高出光效率。SP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的出光效率會(huì)隨著光柵的占空比的增大顯著地變小，光柵的吸收率隨占空比增加而增加，在0.81左右達(dá)到峰值，且此時(shí)出光量和吸收量的總和也是在開(kāi)始時(shí)隨尺寸的增加而增加。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SP的增強(qiáng)作用顯著用于改善弱光致發(fā)光的發(fā)光效率和非線性過(guò)程，且上述的非線性過(guò)程能夠用來(lái)檢測(cè)不同襯底介質(zhì)少量輻射。

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OptimizationofLEDLuminescenceBasedonElectronicLaboratoryPlatform

ZHOUHongqiang,CHENChao

(Faculty of Engineering，Lishui University，Lishui 323000, Zhejiang, China)

At present the LED research still mainly LED external quantum efficiency as the main direction.Combined with the characteristics of the surface plasma (SP), gallium arsenide material deposition of gold film and GaN light-emitting layer model were developed.Through SP enhanced function which yields between gold film and medium, the efficiency of LED light is significantly improved.Theoretic analysis is used the cycle of SP grating propagation and the coupling strength model, and the conclusion is that SP magnification luminous efficiency can meet the coupled radiation and emission of radiation efficiency.Luminous experimental results show that the structure of the metal film deposition can achieve a significant reduction in the reflectivity, then partial loss of energy changes to light emission, and enhances luminous efficiency.By analyzing parameters, the absorption rate reaches its largest value as the duty ratio is designed around 0.81, it can realize better effect of LED light enhanced by the SP; The enhancement effect of SP achieves to improve the weak photoluminescence, and illustrates that the luminescence of LED is nonlinear process.The nonlinear process can be used to detect different substrate medium with small amounts of radiation.

LED external quantum efficiency; SP enhanced; light emission; radiation

TN 36

A

1006-7167(2017)10-0096-04

2017-01-12

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201636941)；浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(ZD201604)；龍泉青瓷協(xié)同創(chuàng)新中心研究項(xiàng)目(LQQC2016023)

周洪強(qiáng)(1979-)，男，浙江海寧人，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：電機(jī)控制與電源變換。Tel.：15925722122；E-mail:liyuan1900@126.com