微/纳米结构增强GaN基LED器件光取出效率的研究

论文摘要

发光二极管(LED)固体照明因其节能环保的优势而逐渐替代传统光源,在全球激起一场照明革命。GaN基LED不仅广泛应用于户外显示屏、液晶显示器背光源、城市景观和交通信号灯等领域,还是白光LED的核心组成部分,因此研究GaN基LED器件具有重要的现实意义。因GaN与外界的高折射率差而导致的低光取出效率是限制GaN基LED发光效率的重要障碍之一,一直以来倍受关注。本论文通过在GaN基LED器件上制备微米和纳米结构以提高LED的光取出效率,从理论和实验上对微米/纳米结构的形成及其对LED光取出效率的影响进行了研究分析,主要获得了以下研究成果。(1)提出通过在GaN基LED的ITO透明电极表面生长ZnO纳米棒阵列以提高LED光取出效率的方法。在实验前建立了相应的GaN基LED的三维数值模型,利用蒙特卡罗光迹追踪法对ZnO纳米棒阵列的取光效果进行了仿真评估,相对于无ZnO纳米棒阵列的LED,获得了69.4%光输出功率的增加,验证了ZnO纳米棒阵列对LED光取出效率的增强作用。(2)研究分析了水热法生长ZnO纳米棒阵列工艺中种子层、反应溶液pH值和衬底表面对ZnO纳米棒阵列形貌、覆盖率和光学特性的影响。利用醋酸锌溶液作为反应溶液,在85℃或90℃的恒温水浴加热条件下,在GaN基LED的ITO电极表面生长ZnO纳米棒阵列,获得60.6%的光功率输出增加。同时,通过在图形ITO电极上生长ZnO纳米棒阵列,从实验和理论上分析讨论了ZnO纳米棒形貌和排列对其取光效果的影响。(3)提出通过直接在GaN基LED背面蓝宝石衬底上制备三维反射镜以改进LED的光取出效率的方法。建立了GaN基LED和微结构阵列三维反射镜的三维数值模型,利用蒙特卡罗光迹追踪法对该三维背反射镜增强GaN基LED光取出效率的效果进行分析评估,相对于平面背反射镜LED,获得了29.6%的光输出增加,证明了该三维反射镜可以增强GaN基LED的光取出效率。(4)分析讨论了湿法腐蚀蓝宝石以制备蓝宝石微结构的工艺和原理,并在此基础上在GaN基LED背面蓝宝石衬底表面制备三维背反射镜。利用正三角周期的SiO2图形掩模,依据蓝宝石在H3PO4:H2SO4=1:3高温腐蚀液中的腐蚀速率的各向异性,在GaN基LED背面蓝宝石衬底表面获得了排列整齐的蓝宝石微结构阵列。相对于平面背反射镜GaN基LED,三维背反射镜GaN基LED光通量提高11%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体照明概述
• 1.2 GaN基LED的发展与问题
• 1.3 LED光取出效率的提高
• 1.4 本文的主要内容与组织结构
• 2 基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 GaN基LED的基本原理
• 2.3 GaN基LED的光取出原理和方法
• 2.4 本章小结
• 3 GaN基LED取光方案与仿真验证
• 3.1 引言
• 3.2 GaN基LED光学特性与优化
• 3.3 ZnO纳米棒阵列取光分析与仿真
• 3.4 三维背面反射镜设计与LED出光仿真
• 3.5 本章小结
• 4 ZnO纳米棒阵列及其在增强GaN基LED取光中的实验研究
• 4.1 概述
• 4.2 ZnO材料和生长特性
• 4.3 水热法生长ZnO纳米棒阵列
• 4.4 ZnO纳米棒阵列与GaN基LED的集成
• 4.5 ZnO纳米棒形貌对GaN基LED光取出效率的影响
• 4.6 本章小结
• 5 三维微结构背面反射镜GaN基LED
• 5.1 概述
• 5.2 湿法腐蚀制备蓝宝石微结构
• 5.3 三维背面反射镜LED
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士期间发表论文目录
• 附录2 名词中英对照表