基于電子實驗室平臺下的LED發光優化

周洪強，陳 超

(麗水學院 工學院，浙江 麗水 323000)

基于電子實驗室平臺下的LED發光優化

周洪強，陳 超

(麗水學院 工學院，浙江 麗水 323000)

結合表面等離子(SP)的特性，研制了砷化鎵材料沉積金膜以及GaN發光層模型，通過金膜-介質間產生的SP增強作用來顯著提高LED的出光效率。理論上采用SP的周期光柵傳播與耦合強度模型，分析得出SP對發光效率放大倍數都能滿足耦合輻射與發射源自身輻射效率的比。發光實驗結果得出：通過金屬膜結構的沉積實現了反射率顯著下降，結果能夠將一部分損耗能量變化為光發射，改進模型能夠顯著提高發光效率。參數分析得出：模型設計為占空比0.81左右光柵周期能夠實現吸收率最大，此時能夠較好地實現SP增強LED出光效果；SP的增強作用實現了用于顯著改善弱光致發光的發光效率和非線性過程，且非線性過程能夠用來檢測不同襯底介質少量輻射。

LED外量子效率； SP增強； 光發射； 輻射

0 引 言

自從上世紀實現了商業應用的半導體材料氮化鎵(GaN)以及鋁氮化稼(AlGaN)的發光二極管(Light-Emitting Diode，LED)之后，LED就成為了各領域學科交叉的研究熱點[1-3]。在納米科學領域，Nakad團隊研制的分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,DBR)，顯著改進了LED的外量子效率，他們采用的是15對的GaN-AlGaN布拉格設計[4-5]。美國哈佛大學的團隊實現了微芯片的制作，能夠顯著地改進電子、光子計算機存儲，其采用的是表面等離子(Surface Plasmon，SP)的受激輻射放大特性，實現了納米量級的強局域和發光改進[6-9]。之后，Wind團隊在可見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，且設計的周期結構制作非常簡單[10-13]。

LED的研究目前依然致力于外量子效率的優化，PC的出現被認為是LED發光效率的改進曙光，然而經過10余年的發展，并未出現顛覆性的產品。于是研究人員嘗試更多微結構設計，SP因此再次成為了LED外量子效率提高的熱點[14-15]。SP是一種表面局域化非常強、垂直界面指數衰減的電磁波，可以光子、電子激發，表面等離子學目前被材料、物理、化學、生物學等多個領域的研究人員關注。在上述發展背景下，本文研制了砷化鎵材料上淀積周期光柵金膜，通過界面處產生的SP增強特性，實現LED外量子效率的改進，較為顯著地改進了LED發光效率。

1 周期結構設計與分析

1.1SP的周期光柵模型

圖1為設計的LED結構SP耦合的基本模型，采用的是光耦合激發的模型。當入射光在介質-光柵實現全反射，此時緊鄰界面處就會產生部分倐逝波穿透到電介質(介電常數為εp)中。如果此時金屬光柵(介電常數為εg)與表面厚度足夠近時，就會在分界面實現SP共振現象。設上述倐逝波的波矢為kx，于是滿足SP共振的矢量條件：

(1)

進一步得到下面的關系：

(2)

圖1 SP耦合的基本模型

基于電磁場邊界條件特點，可以得到上述模型的色散滿足以下關系：

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

(ε3k2z-ε2k3z)ei2k2zt=0

(3)

于是得到耦合模型的SP共振頻率關系如下:

(4)

1.2SP增強LED外量子效率模型

圖2為本文設計的SP增強LED外量子效率模型，采用的是砷化鎵材料沉積金膜以及GaN發光層的設計，模型的內部發光效率能夠表述為：

ηrad=τnrad/(τnrad+τrad)

(5)

輻射壽命τrad由介質的模密度確定，當光輻射入金屬層時，SP共振存在以下關系：

(6)

圖2 SP增強LED外量子效率的模型

Ep(z,x)=Ap(z)ep(βp,x)ej(βpz-ωt)

(7)

為了確保連續的輻射光與SP波耦合良好，要求SP衰減滿足下面關系：

(8)

進而得到耦合強度能夠表述為：

kpr(βp,βr)=

(9)

于是得到SP耦合過程中的輻射效率能夠表述為：

(10)

這樣可以得到SP增強提高LED發光效率的大小能夠表述如下：

(11)

通過上面模型可以知道，SP對光效率放大都能滿足SP耦合輻射效應與發射源自身輻射效率的比。

2 發光實驗與參數分析

2.1發光實驗分析

圖3對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則是分析了設計SP增強模型的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)。綜合分析上述實驗結果發現，通過金屬膜結構的沉積實現了反射率顯著下降，即此時出光效率與被金屬吸收的光能效率的和肯定大于沒有淀積時的出光效率。這說明金膜與介質間產生了SP增強作用，提高了LED發光效率；由輻照度/光照度比可以看出，改進模型能夠顯著提高發光效率，而當超過臨界角以后，由于金等離子體的吸收作用，出射光并沒有完全被反射掉，而是一部分被納米粒子吸收。上述結果表明，設計的模型能夠將一部分損耗能力變化為光發射，進而顯著地增強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 設計模型的輻照度/光照度分析圖

2.2參數分析

2.2.1光柵周期的影響分析

設計的模型光柵周期會對結果產生影響，分析光柵周期對LED出光的影響，以求得金膜最優的光柵周期。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時最大表現為峰值；出光量和吸收量的總和也是在開始時隨尺寸的增加而增加，在占空比達到0.81左右達到峰值然后減小，但始終大于不加金膜的出光量。上述結果表明，將模型設計為占空比0.81左右光柵周期能夠較好地實現SP增強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LED出光的影響

2.2.2傳輸系數的參數分析

圖6(a)分析了光柵1D和2D條件下，SP增強對傳輸變化的影響。從圖中可以看出，1D的光柵周期比2D光柵周期輻射效率小，其更適合于發光效率的增強作用。圖6(b)分析了SP耦合作用，從圖中可以看出，SP對介質發光的增強作用是非常顯著的，SP的增強作用顯著用于改善弱光致發光的發光效率和非線性過程，且上述的非線性過程能夠用來檢測不同襯底介質少量輻射。上述傳輸系數的分析結果，驗證了模型采用SP增強LED構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LED出光影響

3 結 語

文中設計的周期光柵金膜的LED改進模型結構能夠顯著提高出光效率。SP增強結構的出光效率會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左右達到峰值，且此時出光量和吸收量的總和也是在開始時隨尺寸的增加而增加。實驗驗證了SP的增強作用顯著用于改善弱光致發光的發光效率和非線性過程，且上述的非線性過程能夠用來檢測不同襯底介質少量輻射。

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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目(Y201636941)；浙江省高校實驗室工作研究項目(ZD201604)；龍泉青瓷協同創新中心研究項目(LQQC2016023)

周洪強(1979-)，男，浙江海寧人，實驗師，主要研究方向：電機控制與電源變換。Tel.：15925722122；E-mail:liyuan1900@126.com