CN113659055A - 一种基于表面等离子体能提高led发光效率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,包括自下而上顺序叠接的N极光栅层、多量子阱即MQWS层、P极光栅层和氧化铟锡ITO缓冲层,P极光栅层和氧化铟锡ITO冲层呈光栅脊镶嵌状,在氧化铟锡缓冲层的上表面设有均匀分布的一组呈条状的金属Ag,其中,N极光栅层和氧化铟锡ITO冲层的边缘分别设有N电极N‑nad和P电极P‑nad,N电极N‑nad和P电极P‑nad以装置物理中心呈对角位置状。这种装置能提高LED内量子效率与光提取率。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域,尤其是利用金属纳米结构和性能优异的半导体材料来构建表面等离子体LED结构,具体是一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置。
背景技术
表面等离子体(Surface Plasmons,简称SPs)是一种电磁表面波,它在表面处场强最大,在垂直于界面方向是指数衰减场,它能够被电子也能被光波激发,是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。表面等离子体能提高LED发光效率不仅可以提高LED的内量子效率,还可以将光提取效率提高数倍,为了减少金属薄膜对LED出光的影响,金属颗粒局域表面等离子体耦合方法成为SPP增强LED发光效率的有效手段。
Y.C.Chu研究小组采用厚度分别为0.3和0.6nm的Ag薄膜通过电子束蒸发覆盖到InGaN-GaN多量子阱( MQWs)上,使得Ag薄膜变成了Ag纳米颗粒,实验结果表明在一定范围内,随着Ag纳米颗粒密度的增加,内量子效率也随之增加,但出光效率减小;C.H.Lu研究小组提出了一种简洁的方法制作周期分布的纳米颗粒,可增强内量子效率4.4倍,该方法缺陷在于该方法受到金属纳米颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒形状和颗粒体积分数等因素的影响,但相比于金属纳米颗粒结构,金属周期更容易控制LED光辐射和SPP的调制;S.F.Wu等人认为利用金属光子晶体比利用纳米颗粒更有利于控制GaN-LED的结构参数设置,金属光子晶体可增强发光效率约60倍,但在实际制作器件结构中,SPP 耦合需要解决耦合距离小、SPP损耗高和SPP向光辐射转化效率低等问题。目前,对表面等离子体提高LED的内量子效率的研究少有报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,而提供一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置。这种装置能提高LED内量子效率与光提取率。
实现本发明目的的技术方案是:
一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置, 包括自下而上顺序叠接的N极光栅层、多量子阱即MQWS层、P极光栅层和氧化铟锡ITO (Indium Tin Oxides,简称ITO)缓冲层,P极光栅层和氧化铟锡ITO冲层呈光栅脊镶嵌状,采用镶嵌构成,增大了接触面积,能提高发光效率,在氧化铟锡缓冲层的上表面设有均匀分布的一组呈条状的金属Ag,其中,N极光栅层和氧化铟锡ITO冲层的边缘分别设有N电极N-nad和P电极P-nad,N电极N-nad和P电极P-nad以装置物理中心呈对角位置状。
所述N极光栅层、P极光栅层均为氮化镓GaN。
所述多量子阱即MQWS层为5nm厚的多量子阱层,量子阱呈三明治结构状,中间为很薄的一层半导体膜,半导体膜的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成,外侧为两个隔离层即两块N型GaAs,用激光朝量子阱闪一下,可以使中间的半导体膜层里产生电子和带正电的空穴,通常情况下,电子会与空穴结合,放出光子,LED量子阱QW自发辐射产生的光子透过GaN层,通过产生SPPs-QW的有效耦合,在GaN光栅表面光提取率得到提升。
所述N电极N-nad由蒸镀金属制作成N型电极,材质为砷或锑或磷。
所述P电极P-nad由蒸镀金属制作成P型电极,材质为硼或铟或镓,作为LED注入电流端。
所述条状金属Ag的数量至少为3.
表面等离子体LED中的金属材料的选择、结构的设计以及结构参数都会影响到LED的性能,对于表面等离子增强型LED的结构设计以及金属材料的选择进行分析,采用多物理场仿真软件建立LED的模型,观察LED的发光过程并研究LED的发光原理,通过数值计算得到LED的电气特性和发光性能的量化指标,包括内量子效率,外量子效率及光提取率,并通过模型的不同设置, SPs的激发可以增大LED的态密度和自发辐射速率,还可以将大于全内反射角的而不能辐射出去的光通过合理的结构,再以光的形式辐射出去,从而大大提高LED的量子效率。金属结构在一定程度上会限制发光体的出光率,为了激发SPPs,也就是需要金属对发光体表现出高反射性,Au和Ag的反射率较高,达到95%以上,而Cu的反射率较低,在90%以下。因此,选择Au或Ag作为制作表面等离子体结构的金属材料最为合适。
采用金属光栅结构,不仅可以有效的提高LED内量子效率,而且可以增强外量子效率,氮化镓(GaN)是一种无机物,是氮和镓的化合物,是一种直接能隙(direct bandgap)的半导体,可以用在高功率、高速的光电元件中,所以LED模型采用GaN光栅。
氧化铟锡是一种具有良好导电性和高透光性的P型半导体材料,在可见光波段的透过率可以达到90%以上,具有良好的稳定性,利用ITO电极代替传统LED中P型电极芯片,能够将发光体的出光率提高30%-40%;在光栅之间增加ITO缓冲层,进一步提高LED发光强度。
本技术方案中的GaN光栅结构与金属结构相对应,LED量子阱(QW)自发辐射产生的光子透过GaN层,在GaN光栅表面光提取率经过第一次提升,然后再经过金属Ag光栅结构后,产生SPPs-QW的有效耦合,一部分光子穿透金属被携带到外部自由空间,还有一部分光从金属侧被提取,再一次改善了光的提取率,并且提高了LED自发辐射速率,内量子效率得到增强。
本技术方案综合考虑内量子效率和出光效率,提高了LED的发光效率,避免了SPP耦合结构带来的光损耗总和超过其增强发光的总和。
这种装置能提高LED内量子效率与光提取率。
附图说明
图1为实施例的机构示意图。
图中,1. N极光栅层 2. N电极N-nad 3.多量子阱层 4. P极光栅层 5.氧化铟锡ITO缓冲层 6.金属Ag 7.P电极P-nad。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述,但不是对本发明的限定。
实施例:
参照图1,一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置, 包括自下而上顺序叠接的N极光栅层1、多量子阱即MQWS层3、P极光栅层4和氧化铟锡ITO (Indium TinOxides,简称ITO)缓冲层5,P极光栅层4和氧化铟锡ITO冲层5呈光栅脊镶嵌状,采用镶嵌构成,增大了接触面积,提高发光效率,在氧化铟锡缓冲层5的上表面设有均匀分布的一组呈条状的金属Ag6,其中,N极光栅层1和氧化铟锡ITO冲层5的边缘分别设有N电极N-nad2和P电极P-nad7,N电极N-nad2和P电极P-nad7以装置物理中心呈对角位置状。
所述N极光栅层、P极光栅层均为氮化镓GaN。
所述多量子阱即MQWS层3为5nm厚的多量子阱层,量子阱呈三明治结构状,中间为很薄的一层半导体膜,半导体膜的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成,外侧为两个隔离层即两块N型GaAs,用激光朝量子阱闪一下,可以使中间的半导体膜层里产生电子和带正电的空穴,通常情况下,电子会与空穴结合,放出光子,LED量子阱QW自发辐射产生的光子透过GaN层,通过产生SPPs-QW的有效耦合,在GaN光栅表面光提取率得到提升。
所述N电极N-nad2由蒸镀金属制作成N型电极,材质为砷或锑或磷。
所述P电极P-nad7由蒸镀金属制作成P型电极,材质为硼或铟或镓,作为LED注入电流端。
所述条状金属Ag6的数量至少为3,本例中银条数为3条。
本例中N极光栅1采用400nm 厚的 N-GaN。
本例中P极光栅4采用200nm的氮化镓(GaN)金属光栅结构,可以有效的提高LED内量子效率,还可以增强外量子效率,P-GaN 光栅采用光栅脊的形式,纳米矩形光栅的刻蚀深度是70nm,光栅脊距量子阱高度为 180nm,纳米矩形光栅的周期直径记为150nm,占空比记为0.5。
本例中氧化铟锡缓冲层ITO 5在P-GaN 光栅结构上沉积一层300nm厚的ITO 作为过渡层,用ITO电极代替传统LED中P型电极芯片,能够更好的提高发光体的出光率。
本例中在 ITO 表层沉积 20nm 厚的 Ag 条。
本例中当LED中注入电流,蒸镀在P极光栅上的 ITO层的电导性使可以快速均匀地在表面扩散,提高电子有源性能,进而提高LED的光电转化效率,增加发光强度,在 P-GaN光栅结构上放置一层ITO作为过渡层,发光体的出光率提高30%-40%,叠加在发光体的出光面上的金属Ag即在缓冲层的表面沉积一层Ag 膜,形成了金属与空气层的交界面,LED注入电流过后,发光体发出的光照射到金属结构上激发SPPs,并在金属-介质界面形成很强的局域电场,场中的电子与LED量子阱(MQWS)自发辐射复合出的光子光子透过GaN层,在GaN光栅表面光提取率经过第一次提升,然后再经过金属光栅结构,通过产生SPPs-QW的有效耦合,一部分光子穿透金属被携带到外部自由空间,还有一部分光从金属侧被提取,再一次改善了光的提取率,提高了LED发光层中的光子态密度,从而增强了LED内量子效率。
Claims (6)
1.一种基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,包括自下而上顺序叠接的N极光栅层、多量子阱即MQWS层、P极光栅层和氧化铟锡ITO缓冲层,P极光栅层和氧化铟锡ITO冲层呈光栅脊镶嵌状,在氧化铟锡缓冲层的上表面设有均匀分布的一组呈条状的金属Ag,其中,N极光栅层和氧化铟锡ITO冲层的边缘分别设有N电极N-nad和P电极P-nad,N电极N-nad和P电极P-nad以装置物理中心呈对角位置状。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,所述N极光栅层、P极光栅层均为氮化镓GaN。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,所述多量子阱即MQWS层为5nm厚的多量子阱层,量子阱呈三明治结构状,中间为半导体膜,半导体膜的结构由AlGaAs-GaAs-AlGaAs的复合形式组成,外侧为两个隔离层即两块N型GaAs。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,所述N电极N-nad由蒸镀金属制作成N型电极,材质为砷或锑或磷。
5.根据权利要求1所述的基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,所述P电极P-nad由蒸镀金属制作成P型电极,材质为硼或铟或镓,P型电极作为LED注入电流端。
6.根据权利要求1所述的基于表面等离子体能提高LED发光效率的装置,其特征在于,所述条状金属Ag的数量至少为3。
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