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利用金属光栅提高LED发光效率的研究

江孝伟 朱震 郑盛梅

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利用金属光栅提高LED发光效率的研究

    作者简介: 江孝伟(1991-),男,硕士,讲师,主要从事半导体光电子器件的研究。E-mail: JosephJiangquzhi@126.com.
  • 基金项目:

    衢州市科技计划资助项目 2019K20

    国家自然科学基金资助项目 61650404

    江西省教育厅科技基金资助项目 GJJ170819

    国家自然科学基金资助项目 61575008

    衢州市科技计划指导性项目 2020006

    江西省自然科学基金资助项目 20171BAB202037

  • 中图分类号: TN312+.8

Research on improving LED luminous efficiency by using metal grating

  • CLC number: TN312+.8

  • 摘要: 为了提高发光二极管(LED)的发光效率,在LED出光面放置金属光栅,采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算。结果表明,对光栅优化后,金属光栅对波长460nm的透射率接近1,可提高LED的光提取效率; 在此波长下,可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元,有助于提高LED内量子效率;且具有金属光栅结构的LED的发光效率是仅在出光面放置一层Ag薄层的LED的30倍。该研究为未来制备高发光效率的LED提供了理论指导。
  • Figure 1.  SP-LED luminous principle

    Figure 2.  Structure of LED

    a—SP-LED b—Ag-LED

    Figure 3.  Refractive index and extinction coefficient of Ag

    Figure 4.  Influence of grating parameters on grating transmittance

    Figure 5.  Influence of h1 and h3 on the transmission of grating

    Figure 6.  -1 order transmission characteristics

    Figure 7.  Electric field distribution of Ag grating

    Figure 8.  Enhancement factor of LED

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-17
  • 录用日期:  2021-04-30
  • 刊出日期:  2022-05-25

利用金属光栅提高LED发光效率的研究

    作者简介: 江孝伟(1991-),男,硕士,讲师,主要从事半导体光电子器件的研究。E-mail: JosephJiangquzhi@126.com
  • 1. 衢州职业技术学院 信息工程学院, 衢州 324000
  • 2. 北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室, 北京100124
  • 3. 衢州职业技术学院 设备与实训管理中心,衢州 324000
基金项目:  衢州市科技计划资助项目 2019K20国家自然科学基金资助项目 61650404江西省教育厅科技基金资助项目 GJJ170819国家自然科学基金资助项目 61575008衢州市科技计划指导性项目 2020006江西省自然科学基金资助项目 20171BAB202037

摘要: 为了提高发光二极管(LED)的发光效率,在LED出光面放置金属光栅,采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算。结果表明,对光栅优化后,金属光栅对波长460nm的透射率接近1,可提高LED的光提取效率; 在此波长下,可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元,有助于提高LED内量子效率;且具有金属光栅结构的LED的发光效率是仅在出光面放置一层Ag薄层的LED的30倍。该研究为未来制备高发光效率的LED提供了理论指导。

English Abstract

    • 发光二极管(light-emitting diode,LED)由于具有体积小、寿命长、效率高等特点[1-3],因此被广泛应用在照明、显示、通信等领域当中[4-6]。虽然LED已经大规模应用在人类社会的各个领域,但是由于LED存在低光提取效率和低内量子效率等问题[7-8],导致LED的发光效率很难达到人们的期望值。

      之所以LED会存在光提取率低的问题,以氮化镓(gallium nitride, GaN)基LED为例,是因为GaN与空气的折射率相差较大,因此极易形成光的全反射,且全反射临界角仅为2.35°左右[9-11]。这就会导致有源区发出的光会大部分被限制在LED器件当中并转化成热量,由于热量不断的累积,使LED长时间处在高温工作状态,降低了LED的使用寿命。为了能够提高LED光提取效率,许多课题组提出了不同的技术方法,如LED倒装技术、表面粗化技术、光子晶体技术等[10, 12-14]。但是可以发现,上述不同的技术虽然可以提高LED的光提取效率,却无法解决LED内量子效率低的问题。

      由于GaN LED高密度的位错缺陷及晶格失配,才会导致LED内量子效率低。之前提高LED内量子效率,主要还是通过外延技术提高量子阱的生长质量,但是该方法存在成本高和技术难度大等问题。2004年,OKAMOTO等人提出在蓝光LED出光面P-GaN层生长一层Ag薄层,LED的内量子效率得到了显著的提高[15]。这主要是因为Ag薄层与P-GaN层之间受激产生了表面等离激元(surface plasmons,SP),而且当等离激元的谐振频率与量子阱的发光频率相近,表面等离极化激元(surface plasmons polariton,SPP)耦合的能量将显著增加,这可显著提高LED的内量子效率,从而提高LED的发光效率。这种提高LED内量子效率的机理也被称为珀塞尔效应[16-17]。OKAMOTO等人在P-GaN层放置的Ag薄层仅能激发SP中的局域表面等离激元(localized surface plasmon,LSP),而SPP因为缺乏额外的波矢补偿,所以无法被激发[17-18]

      因为利用珀塞尔效应提高LED的内量子效率相对外延技术具有成本低、技术难度低等优势,因此逐渐被人们所采用。为了能够同时提高LED的内量子效率和光提取效率,许多课题组提出在利用珀塞尔效应提高LED内量子效率的同时,在LED出光面放置光栅,如在Ag薄层上制备一层介质光栅、在出光面分别制备金属光栅和介质光栅等[19-20]。因为在出光面制备光栅不仅能够让更多的光子逃逸出LED器件,而且还能够为激发SP中的表面等离极化激元提供额外的波矢以提高内量子效率。经过数值模拟和实验验证发现, 这些方法都可同时显著提高LED的发光效率和内量子效率。

      但是,目前许多同时提高LED内量子效率和光提取效率的方法在工艺实现上存在一定的难度[19-21]。如参考文献[21]中提出在P-GaN层上制备金属半圆凹面光栅和凸面介质光栅,这会增加制备工艺难度。为此本文中提出一种结构简单、工艺难度较低且波长约为460nm的SP增强型LED(SP-LED),它由二氧化硅(SiO2)缓冲层、金属Ag构成的矩形光栅、铟锡氧化物(indium tin oxide,ITO)以及GaN LED芯片构成。通过时域有限差分法(finite-difference time-domainmethod,FDTD)模拟计算后发现,本文中提出的SP-LED在波长460nm处的发光效率是仅有一层Ag薄层LED的30倍。

    • 本文中提出的SP-LED发光原理如图 1所示。相比于普通的LED,该LED除了辐射复合能够产生光子外,还能通过珀塞尔效应即通过SP与量子阱耦合产生更多的光子。与此同时,SP-LED因为具有光栅结构,所以除了在全反射临界角以内的光子可以逃逸出LED器件外,临界角以外的光子也可从LED器件中被提取出。

      Figure 1.  SP-LED luminous principle

      因为SP-LED在出光面添加了金属光栅结构,所以可以同时激发SP中的SPP和LSP,当SPP和LSP的谐振频率与量子阱的频率重叠时,SPP和LSP可以与量子阱耦合,从而激发出更多的光子,因此LED的内量子效率将会得到提高。具体也可由下式表示[20]:

      $ \eta_{\mathrm{int}}=\frac{k_{\mathrm{rad}}+k_{\mathrm{SP}}}{k_{\mathrm{rad}}+k_{\mathrm{non}}+k_{\mathrm{SP}}} $

      (1)

      $ k_{\mathrm{SP}}=\frac{2 \pi}{h}|d E(\omega)|^{2} \rho(\omega) $

      (2)

      式中,krad, knonkSP分别是辐射复合速率、非辐射复合速率和量子阱与SP的耦合速率, d是电子与空穴的偶极矩,h是普朗克常数,ρ(ω)是SP的态密度,E(ω)是SP在介质层中的电场, ω为入射光角频率。当SP被激发后,SP周围可以产生强烈的电场,并且可以提供非常大的ρ(ω),这就会导致kSP急剧增加,可极大地提高内量子效率ηint。添加金属光栅除了可以提高LED的内量子效率,也可以提高LED的光提取效率ηext。SP-LED的光提取效率表达式为[20-21]:

      $ \eta_{\mathrm{ext}}=\frac{C_{\mathrm{ext}} k_{\mathrm{rad}}+C_{\mathrm{SP}} k_{\mathrm{SP}}}{k_{\mathrm{non}}+k_{\mathrm{rad}}+k_{\mathrm{SP}}} $

      (3)

      式中,Cext是光提取效率,CSP是SP光提取效率。为了能够提高CSP,许多课题组选择在金属薄层或光栅下方添加一层介质层,这样可以减少金属薄层或光栅对光子的吸收。

    • 本文中提出的SP-LED具体结构如图 2a所示。从图 2a中可以看到, SP-LED自下而上分别是蓝宝石衬底、N-GaN层(厚度为400nm)、多量子阱(multiple quantum well,MQW)、P-GaN层、SiO2缓冲层、金属Ag光栅和ITO层。MQW是由5对InGaN/GaN构成。SiO2层的厚度为20nm; Ag光栅的厚度、周期和宽度分别为h2, pw; h1是ITO层厚度、h3是P-GaN层厚度。图 2b是仅有一层Ag金属薄层的GaN LED结构(Ag-LED)。在利用FDTD软件模拟计算时,GaN, ITO, SiO2的折射率分设为2.5, 2, 1.45。而金属Ag的介电常数则从参考文献[22]中获得,如图 3所示。

      Figure 2.  Structure of LED

      Figure 3.  Refractive index and extinction coefficient of Ag

      对于本文中提出的SP-LED在将来实验制备中工艺也较为简单,首先通过外延设备生长出GaN LED芯片,然后通过等离子体增强化学的气相沉积法在P-GaN上生长一层SiO2层,紧接着利用磁控溅射生长一层Ag薄层,随后利用电子束光刻技术制备出Ag光栅结构,最后通过外延技术在Ag光栅中填充ITO。

    • 为了保证Ag光栅能够对光具有高透射率,以提高LED的光提取效率ηext,需对SP-LED模型中的金属光栅结构进行优化。因此首先利用FDTD软件在x-y界面建立包含有P-GaN层、SiO2层的金属光栅物理模型,然后在x方向添加周期性边界条件,在y方向添加完美匹配层边界条件,z方向默认为无限长。入射光偏振为TM偏振。图 4是光栅宽度w和光栅高度h2对光透射率的影响。此时p=0.3μm, h1=0.2μm, h3=0.3μm。从图 4a中可以发现, 当h2=0.2μm时,随着w的减小,光栅对波长460nm的透射率会逐渐增加; 当w=0.17μm时,光栅对波长460nm的透射率不足0.4;但是当w下降到0.1μm时,光栅对波长460nm的透射率可以接近为1。另外从图 4b中可以发现, 当w=0.1μm时,随着h2的下降, 光栅对波长460nm的透射率也会相应增大,如当h2=0.3μm时,光栅对波长460nm的透射率约为0.8,但是当h2下降到0.2μm或者0.1μm时,光栅对波长460nm的透射率就接近于1。

      Figure 4.  Influence of grating parameters on grating transmittance

      之所以随着w或者h2的下降光栅对波长460nm的透射率会增加,这是因为当金属光栅过于宽或者厚时,金属对光的损耗会增加。但是并不能一味地把金属光栅减薄或者缩窄,因为光栅过于的小会增加器件制备的难度。因此将wh2都分别限定为0.1μm。而之所以会将h2限定为0.1μm,除了工艺要求外,其实从图 4b中可以发现,当h2=0.1μm时,金属对不同光波长都能维持高透射率。

      除了光栅参数对光波长透射率有影响,P-GaN层厚度和ITO层厚度对光栅透射率也有显著影响,如图 5所示。图 5a是ITO层厚度h1对光栅透射率的影响,经模拟计算可知,当h1=0.2μm时, 光栅对波长460nm的透射率可以达到最优。图 5b是P-GaN层厚度h3对光栅透射率的影响,从图中可以看到,随着h3的增加, 光栅透射曲线会出现红移现象,为了保证光栅对波长460nm透射率最大,本文中选择h3=0.4μm。

      Figure 5.  Influence of h1 and h3 on the transmission of grating

      对金属光栅优化后需对金属光栅SP模式的传输特性进行探究,以确保金属光栅可激发SP以提高LED的内量子效率ηint[19]。对SP模式传输特性的研究,需要计算金属光栅的-1阶透射率随入射角的变化情况,结果如图 6所示,此时入射光波长为460nm,p=0.3μm, w=0.1μm, h1=0.2μm, h2=0.1μm, h3=0.3μm。从图 6a中可以发现, 在入射角从30°增加到90°过程中,金属光栅在光入射角50°~60°之间激发了SPP,而在85°~90°之间激发了LSP。图 6b是Ag-LED的-1阶透射率随入射角变化的情况。从图中可以发现, 图 2b中的LED结构仅在入射角50°~60°之间激发了SPP,但是在85°~90°之间并未激发LSP。之所以从入射角30°开始计算,是因为当入射角超过27°后光栅仅有-1阶透特性。

      Figure 6.  -1 order transmission characteristics

      图 6a图 6b进行对比可以发现,优化后的金属光栅对于-1阶的透射率要比Ag-LED要高,这也侧面证明了优化后的金属光栅在提高LED内部光子的提取效率方面确实能起到非常大的作用。之所以优化后的金属光栅在对于-1阶的透射率要高,是因为金属光栅下方有SiO2层,而且金属光栅上方具有ITO层,这相当于在金属光栅层上下形成了折射率相对对称的光波导结构。

      为了证明图 6计算结果的正确性,接着计算了金属光栅在波长为460nm时电场分布,结果如图 7所示。从图 7中可知,当入射光照射到金属光栅后,确实既能激发SPP又能激发LSP。因为在不仅在金属光栅表面具有很强的电场分布,而且金属光栅下方的介质层中也有很强的电场分布,这分别是明显的SPP和LSP被激发的特征[23-24]。且因为金属光栅下方添加了SiO2层,这可以让更多的电场分布在介质层中,减少金属光栅对电场的吸收,这有助于提高CSP

      Figure 7.  Electric field distribution of Ag grating

    • 对金属光栅优化与分析后,基于FDTD软件将光栅与蓝光LED相集成,具体结构可见图 2a。将偶极子光源放置于MQW当中,用于模拟有源区电子与空穴的复合。随后利用分析模块的transmission box传动箱收集从LED器件中各个方向逃逸出的光子能量,用于计算LED的发光效率。

      为了方便表述,定义了增强因子f,其主要表示的是SP-LED发光效率与Ag-LED发光效率的比值。经模拟计算发现, 图 2a中SP-LED的发光效率在波长460nm处是图 2b中的30倍,即增强因子f可达30,如图 8所示。从图 8中可以发现, 虽然SP-LED发光效率与Ag-LED发光效率的比值在波长460nm相差最大,但是在其它波长处, SP-LED发光效率也都高于Ag-LED发光效率,即f在波长440nm~500nm下都大于1。之所以SP-LED的发光效率能够得到显著提高,是因为金属光栅经过优化后可以大幅提高LED的光提取效率,而且因为优化后的金属光栅可同时激发SPP和LSP,这又帮助了LED内量子效率的提高。

      Figure 8.  Enhancement factor of LED

    • 为了同时提高GaN LED的内量子效率和光提取效率,本文中在GaN LED出光面放置了一层有金属Ag和ITO材料构成金属光栅。基于FDTD软件对金属光栅进行了优化分析,经模拟计算发现,当p=0.3μm, w=0.1μm, h1=0.2μm, h2=0.1μm, h3=0.3μm时,金属光栅对波长460nm的透射率可达到最优,接近为1。计算了金属光栅的-1阶透射率,发现金属光栅在光入射角50°~60°之间激发了SPP,而在85°~90°之间激发了LSP。通过上述计算可知,通过在LED出光面添加介质光栅,可同时提高LED光提取效率和内量子效率。最后计算了两种类型LED的发光效率,经计算可得,在波长440nm~500nm之间SP-LED发光效率都高于Ag-LED发光效率,且在波长为460nm时,增强因子f可达30,即SP-LED发光效率是Ag-LED发光效率的30倍。

参考文献 (24)

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