AlGaN材料可以通過調(diào)節(jié)鋁組分使其禁帶寬度從3.4eV(GaN)連續(xù)變化到6.2 eV(AlN),覆蓋了從近紫外到深紫外波段,因此被廣泛應(yīng)用于LED、激光器、光電探測器等器件。然而,較高的折射率使AlGaN材料具有較小的出射角,使得傳統(tǒng)的平板結(jié)構(gòu)器件存在大量的全反射從而外量子效率很低。為了改變出射角提高光提取效率,人們提出了多種表面結(jié)構(gòu),其中,納米柱結(jié)構(gòu)廣受關(guān)注。研究表明,納米柱結(jié)構(gòu)改變了器件的出射角度,增大了結(jié)構(gòu)的表面積,從而提高了外量子效率。AlGaN的折射率隨著鋁組分的變化而變化,鋁組分越高,材料的禁帶寬度越大,折射率越小。鋁組分以及納米柱的尺寸參數(shù)對納米柱光學性能的影響需要進一步深入研究。近年來,金屬與電磁波相互作用產(chǎn)生的等離激元備受關(guān)注。當金屬中的自由電子與入射電磁波發(fā)生共振時,電磁波的電場分量被限制在金屬附近的極小區(qū)域,這一特性可突破光學幾何極限。等離激元與金屬的形狀尺寸以及周圍介質(zhì)密切相關(guān),薄膜金屬作為典型的納米結(jié)構(gòu),其對氮化物半導(dǎo)體的光學性質(zhì)的影響需要進一步深入研究。本文圍繞AlGaN納米柱結(jié)構(gòu)的光場分布及提取效率,采用時域有限差分法分別研究了納米柱光場分布隨鋁組分、納米柱高度以及納米柱直徑的變化規(guī)律,計算了直徑、高度、周期對納米柱結(jié)構(gòu)提取效率的影響。此外,在原有的納米柱結(jié)構(gòu)上均勻附加鋁金屬薄膜來研究金屬薄膜對納米柱光場分布的影響。研究的主要內(nèi)容和獲得的主要結(jié)果如下:一、研究了 AlGaN納米柱的光場分布及電場強度。首先給出了 AlGaN材料的折射率和鋁組分的關(guān)系,并通過計算得到了電場強度和鋁組分的關(guān)系。結(jié)果表明,在不同的組分下納米柱場強顯著不同最大相差一倍。隨后分析了不同高度直徑下納米柱內(nèi)外場強的變化規(guī)律,總體上,場強隨直徑高度振蕩變化,直徑的影響比高度更為顯著。針對直徑研究了納米圓柱波導(dǎo)的波導(dǎo)模式和直徑的關(guān)系,得到了三個波長下AlGaN圓柱波導(dǎo)基模出現(xiàn)的直徑,計算出了 60-240 nm直徑范圍內(nèi)基模的有效折射率。二、計算了附加金屬鋁薄膜的AlGaN納米柱結(jié)構(gòu)的光場分布以及電場強度。研究了鋁金屬薄膜厚度對于納米柱內(nèi)外光場強度的影響。結(jié)果表明,隨著金屬薄膜厚度的增加,納米柱結(jié)構(gòu)的內(nèi)部電場強度總體上是減小的,外部場強在大多數(shù)波長下也隨著鋁薄膜厚度增加而減小。在波長490 nm,薄膜厚度10 nm處,納米柱上方場強存在極值,該電場分布在金屬薄膜邊緣的微小區(qū)域,這可能是金屬對光的局域增強效果。此外,本章還計算了金屬薄膜納米柱電場強度與納米柱直徑高度的關(guān)系,結(jié)果表明,有10 nm鋁薄膜的納米柱電場強度分布與沒有鋁薄膜的納米柱大致相同,電場強度有所減小,這是金屬對電場的吸收造成的。三、研究了周期性AlGaN納米柱陣列結(jié)構(gòu)的提取效率相對于平面結(jié)構(gòu)的提升,分析了高度、直徑、周期和直徑周期比對納米柱結(jié)構(gòu)提取效率的影響。結(jié)果表明,總體上納米柱結(jié)構(gòu)在TM模式與TE模式下對提取效率均有顯著提升,其中TM模式的提升效果更為明顯最大達到8.08倍,而TE模式的提取效率是平面結(jié)構(gòu)的1.6倍或更低。對于TM模式的光,高度并沒有顯著影響提取效率;對于TE模式,提取效率隨著高度的增加而增大,當高度在100-300nm時,TE模式的提取效率僅是平面結(jié)構(gòu)的1.1倍以下,表明納米柱結(jié)構(gòu)的高度至少應(yīng)為300nm。直徑與周期對提取效率的影響實質(zhì)上是通過改變直徑周期比實現(xiàn)的。對于TM和TE兩種偏振模式,固定周期增大直徑會使提取效率顯著提高,固定直徑增大周期會使得提取效率顯著減小。當固定占空比時,除部分區(qū)域,總體上提取效率隨直徑的變化并不顯著。當直徑周期比達到1:1時,TM模式下的提取效率提升反而更低,表明占空比存在極大值,納米柱的提取效率高于納米坑結(jié)構(gòu)。對于TM偏振光,納米柱結(jié)構(gòu)的提取效率提升幅度在短波長更大;對于TE偏振光,納米柱結(jié)構(gòu)的提取效率提升幅度在長波長端更大。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

圖１－１邋ＧａＮ纖鋅礦結(jié)構(gòu)圖逡逑ＡｌＧａＮ、１丨ｉＧａＮ、ＩｎＡＩＮ三三Ｖｅａｒｄ１１

邐＇逡逑圖１－２納米柱結(jié)構(gòu)的光線出射示意圖逡逑納米柱結(jié)構(gòu)的光線出射示意圖如圖１－２所示，由圖可知，納米柱結(jié)構(gòu)增大了材料逡逑的側(cè)壁面積，從而增大了結(jié)構(gòu)的可出射角度，同時還改變了部分光線的出射方向。因逡逑此研宄納米柱結(jié)構(gòu)有助于提高半導(dǎo)體發(fā)光器件的出光效率。逡逑１．５論文結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容逡逑為了提高ＩＩＩ族氮化物發(fā)光器件的外量子效率，改善其光場分布，本研究主要圍繞逡逑納米柱結(jié)構(gòu)進行。使用時域有限差分法對ＡｌＧａＮ納米柱結(jié)構(gòu)的光場分布和提取效率逡逑進行計算分析。本文的主要內(nèi)容如下：逡逑第一章首先介紹了邋１丨１族氮化物的材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，包括三元合金材料的性質(zhì)？，其逡逑次介紹了ＩＩＩ族氮化物發(fā)光器件，注重介紹了邋ＬＥＤ器件的發(fā)光效率以及提高ＬＥＤ發(fā)逡逑光效率的相關(guān)研宄進展。最后引出了ＨＩ族氮化物納米柱結(jié)構(gòu)，簡述了其對提高ＬＥＤ逡逑器件出光效率的作用。逡逑第二章是本文的研宄方法，即時域有限差分算法。首先簡要介紹了該方法的相關(guān)逡逑理論基礎(chǔ)。其次介紹了邋ＦＤＴＤ邋Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ軟件的仿真光源及其邊界條件。逡逑第三章通過ＦＤＴＤ計算了納米柱結(jié)構(gòu)的光場分布及電場強度。首先給出了邋ＡｌＧａＮ逡逑納米柱折射率與鋁組分及波長之間的關(guān)系，通過計算得到了鋁組分對納米柱內(nèi)外電逡逑場強度的影響。其次計算了納米柱直徑高度對ＡｌＧａＮ納米柱內(nèi)外電場強度的影響。逡逑為了研究直徑對納米圓柱波導(dǎo)的影響

．逡逑圖２－１邋Ｙｅｅ氏元胞模型逡逑圖２－１為Ｙｅｅ氏元胞模型。將格點位置用（／，／）來表示，將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)化為逡逑差分形式如式２－７表不。用Ａｘ和Ａｙ表７Ｆ空間步長，Ａ／表不時間步長。逡逑對于ＴＥ模式，其描述方程可改寫為下式形式：逡逑￣邋ＨＴ０５０邋＋邋０．５，邋ｙ邋＋邋０．５）邋－邋ＨＴ０５（ｉ邋＋邋０－５，邋ｊ邋＋邋０．５）逡逑Ａｔ逡逑１邋ｆ邋￡：（／邋＋０－５，邋ｊ＋邋0－￡；0？＋邋０．５，邋ｙ）邋￡；（／邋＋１，邋ｙ邋＋０．５）－￡；（／，；邋＋０．５）＇逡逑Ｍ0＼＿邐Ａｙ邐心邐＿逡逑￡－＋１（／邋＋邋０．５，，／）－￡：（／邋＋０－５，７）逡逑＜邐Ａ／邐（２－７）逡逑１邐ＨＴ0ｓＱ邋＋邋０－５，邋ｊ邋＋邋０－５）邋－邋ＨＴ０Ｓ0邋＋邋０－５，邋ｊ邋￣邋Ｑ－５）逡逑ｓ（ｉ邋＋邋０．５，ｊ）邐Ａｙ逡逑Ｅ；＋＼ｉ

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 馮德山;陳承申;戴前偉;;基于UPML邊界條件的交替方向隱式有限差分法GPR全波場數(shù)值模擬[J];地球物理學報;2010年10期

本文編號：2810749