基于表面等離激元的LED參數優化研究

李志全，魏文婧

(燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

1 引 言

氮化鎵(GaN)基發光二極管(light-emitting diode,LED)具有功耗低、壽命長等優點,因其在照明、光通信、全彩顯示等領域的廣泛應用而備受關注[1,2]。若能提高其發光效率,則LED將得到進一步的發展。LED的發光效率主要取決于其內量子效率和光萃取率。由于傳統GaN-LED高密度的位錯缺陷及晶格失配,在室溫下其內量子效率較低,同時因GaN的折射率遠大于空氣,大部分光會在GaN和空氣界面發生全反射,致使LED的光萃取率降低,且發生全反射的光子會在結構內部轉化為熱量,使其長期處于高溫工作狀態,大幅縮短使用壽命[3,4]。針對上述問題,許多研究者提出了改進方法,如表面粗化、光柵技術、金屬-介質結構等[5],但LED的發光效率仍有很大的提升空間。

Purcell效應表明,金屬-介質之間可受激產生表面等離激元(surface plasmons,SPs),當其諧振頻率與LED中的量子阱(quantum well,QW)發光頻率相近,能量穿透范圍有重疊時,會使SPs耦合的能量顯著增加,大幅提升內量子效率,進而提升外量子效率(即發光效率)[6],各種微納級光柵結構能更好地提高SPs能量與光波的轉換率,以獲得更大的光萃取率[7]。Okamoto K等利用QW與SPs之間的能量轉移來提升LED的內量子效率[8];Drezet等通過Au光柵使GaP的光逃逸角放大,提高了光的萃取率[9]; Kao C C等通過銀納米三角陣列與MQW-LSP耦合的方式提高光的輸出功率[10]；Trieu S等用無損耗P-GaN制作頂部透射光柵提高了LED的光萃取率[11]。為提高SPs提取效率,從而提高其內量子效率,可在金屬層和GaN層中間插入一種低折射率的介質層,減小金屬對SPs能量的耗散作用,擴大SPs的近場輻射范圍[12]?！?br>