基于电子实验室平台下的LED发光优化

周洪强，陈 超

(丽水学院 工学院，浙江 丽水 323000)

基于电子实验室平台下的LED发光优化

周洪强，陈 超

(丽水学院 工学院，浙江 丽水 323000)

结合表面等离子(SP)的特性，研制了砷化镓材料沉积金膜以及GaN发光层模型，通过金膜-介质间产生的SP增强作用来显著提高LED的出光效率。理论上采用SP的周期光栅传播与耦合强度模型，分析得出SP对发光效率放大倍数都能满足耦合辐射与发射源自身辐射效率的比。发光实验结果得出：通过金属膜结构的沉积实现了反射率显著下降，结果能够将一部分损耗能量变化为光发射，改进模型能够显著提高发光效率。参数分析得出：模型设计为占空比0.81左右光栅周期能够实现吸收率最大，此时能够较好地实现SP增强LED出光效果；SP的增强作用实现了用于显著改善弱光致发光的发光效率和非线性过程，且非线性过程能够用来检测不同衬底介质少量辐射。

LED外量子效率； SP增强； 光发射； 辐射

0 引 言

自从上世纪实现了商业应用的半导体材料氮化镓(GaN)以及铝氮化稼(AlGaN)的发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)之后，LED就成为了各领域学科交叉的研究热点[1-3]。在纳米科学领域，Nakad团队研制的分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,DBR)，显著改进了LED的外量子效率，他们采用的是15对的GaN-AlGaN布拉格设计[4-5]。美国哈佛大学的团队实现了微芯片的制作，能够显著地改进电子、光子计算机存储，其采用的是表面等离子(Surface Plasmon，SP)的受激辐射放大特性，实现了纳米量级的强局域和发光改进[6-9]。之后，Wind团队在可见光范围的聚苯乙烯中提高2D的光子晶体(PC)显著提高了LED的效率，且设计的周期结构制作非常简单[10-13]。

LED的研究目前依然致力于外量子效率的优化，PC的出现被认为是LED发光效率的改进曙光，然而经过10余年的发展，并未出现颠覆性的产品。于是研究人员尝试更多微结构设计，SP因此再次成为了LED外量子效率提高的热点[14-15]。SP是一种表面局域化非常强、垂直界面指数衰减的电磁波，可以光子、电子激发，表面等离子学目前被材料、物理、化学、生物学等多个领域的研究人员关注。在上述发展背景下，本文研制了砷化镓材料上淀积周期光栅金膜，通过界面处产生的SP增强特性，实现LED外量子效率的改进，较为显著地改进了LED发光效率。

1 周期结构设计与分析

1.1SP的周期光栅模型

图1为设计的LED结构SP耦合的基本模型，采用的是光耦合激发的模型。当入射光在介质-光栅实现全反射，此时紧邻界面处就会产生部分倐逝波穿透到电介质(介电常数为εp)中。如果此时金属光栅(介电常数为εg)与表面厚度足够近时，就会在分界面实现SP共振现象。设上述倐逝波的波矢为kx，于是满足SP共振的矢量条件：

(1)

进一步得到下面的关系：

(2)

图1 SP耦合的基本模型

基于电磁场边界条件特点，可以得到上述模型的色散满足以下关系：

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

(ε3k2z-ε2k3z)ei2k2zt=0

(3)

于是得到耦合模型的SP共振频率关系如下:

(4)

1.2SP增强LED外量子效率模型

图2为本文设计的SP增强LED外量子效率模型，采用的是砷化镓材料沉积金膜以及GaN发光层的设计，模型的内部发光效率能够表述为：

ηrad=τnrad/(τnrad+τrad)

(5)

辐射寿命τrad由介质的模密度确定，当光辐射入金属层时，SP共振存在以下关系：

(6)

图2 SP增强LED外量子效率的模型

Ep(z,x)=Ap(z)ep(βp,x)ej(βpz-ωt)

(7)

为了确保连续的辐射光与SP波耦合良好，要求SP衰减满足下面关系：

(8)

进而得到耦合强度能够表述为：

kpr(βp,βr)=

(9)

于是得到SP耦合过程中的辐射效率能够表述为：

(10)

这样可以得到SP增强提高LED发光效率的大小能够表述如下：

(11)

通过上面模型可以知道，SP对光效率放大都能满足SP耦合辐射效应与发射源自身辐射效率的比。

2 发光实验与参数分析

2.1发光实验分析

图3对比分析了淀积金膜前(a)、后(b)GaN材料的出光、吸收和反射效率曲线，图4则是分析了设计SP增强模型的LED辐照度/光照度分析图，这里沉积的金膜是25 nm(金属趋肤穿透深度的大小)。综合分析上述实验结果发现，通过金属膜结构的沉积实现了反射率显著下降，即此时出光效率与被金属吸收的光能效率的和肯定大于没有淀积时的出光效率。这说明金膜与介质间产生了SP增强作用，提高了LED发光效率；由辐照度/光照度比可以看出，改进模型能够显著提高发光效率，而当超过临界角以后，由于金等离子体的吸收作用，出射光并没有完全被反射掉，而是一部分被纳米粒子吸收。上述结果表明，设计的模型能够将一部分损耗能力变化为光发射，进而显著地增强LED出光效率。

(a)淀积金膜前

(b)淀积金膜后图3 GaN材料的出光、吸收和反射效率曲线

图4 设计模型的辐照度/光照度分析图

2.2参数分析

2.2.1光栅周期的影响分析

设计的模型光栅周期会对结果产生影响，分析光栅周期对LED出光的影响，以求得金膜最优的光栅周期。图5(b)、(c)、(d)给出了以下空隙条件：3、6、10，即占空比为0.81、0.62、0.49时GaN材料的出光、吸收、反射效率曲线。从图5可以得到，出光效率会随着光栅占空比的提高而变小，而吸收率却相反，随着占空比降低而降低，在占空比0.81时最大表现为峰值；出光量和吸收量的总和也是在开始时随尺寸的增加而增加，在占空比达到0.81左右达到峰值然后减小，但始终大于不加金膜的出光量。上述结果表明，将模型设计为占空比0.81左右光栅周期能够较好地实现SP增强LED出光效果。

(a)不采用金属薄膜

(b)空隙条件3

(c)空隙条件6

(d)空隙条件10图5 光栅周期对LED出光的影响

2.2.2传输系数的参数分析

图6(a)分析了光栅1D和2D条件下，SP增强对传输变化的影响。从图中可以看出，1D的光栅周期比2D光栅周期辐射效率小，其更适合于发光效率的增强作用。图6(b)分析了SP耦合作用，从图中可以看出，SP对介质发光的增强作用是非常显著的，SP的增强作用显著用于改善弱光致发光的发光效率和非线性过程，且上述的非线性过程能够用来检测不同衬底介质少量辐射。上述传输系数的分析结果，验证了模型采用SP增强LED构想的正确性和有效性。

(a)SP放大分析

(b)SP耦合影响

图6 传输对LED出光影响

3 结 语

文中设计的周期光栅金膜的LED改进模型结构能够显著提高出光效率。SP增强结构的出光效率会随着光栅的占空比的增大显著地变小，光栅的吸收率随占空比增加而增加，在0.81左右达到峰值，且此时出光量和吸收量的总和也是在开始时随尺寸的增加而增加。实验验证了SP的增强作用显著用于改善弱光致发光的发光效率和非线性过程，且上述的非线性过程能够用来检测不同衬底介质少量辐射。

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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

浙江省教育厅科研项目(Y201636941)；浙江省高校实验室工作研究项目(ZD201604)；龙泉青瓷协同创新中心研究项目(LQQC2016023)

周洪强(1979-)，男，浙江海宁人，实验师，主要研究方向：电机控制与电源变换。Tel.：15925722122；E-mail:liyuan1900@126.com