AlGaN材料可以通過調節(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)的平板結構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構,其中,納米柱結構廣受關注。研究表明,納米柱結構改變了器件的出射角度,增大了結構的表面積,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生的等離激元備受關注。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密切相關,薄膜金屬作為典型的納米結構,其對氮化物半導體的光學性質的影響需要進一步深入研究。本文圍繞AlGaN納米柱結構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、周期對納米柱結構提取效率的影響。此外,在原有的納米柱結構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。研究的主要內容和獲得的主要結果如下: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系,并通過計算得到了電場強度和鋁組分的關系。結果表明,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的波導模式和直徑的關系,得到了三個波長下AlGaN圓柱波導基模出現(xiàn)的直徑,計算出了 60-240 nm直徑范圍內基模的有效折射率。二、計算了附加金屬鋁薄膜的AlGaN納米柱結構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外光場強度的影響。結果表明,隨著金屬薄膜厚度的增加,納米柱結構的內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系,結果表明,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納米柱陣列結構的提取效率相對于平面結構的提升,分析了高度、直徑、周期和直徑周期比對納米柱結構提取效率的影響。結果表明,總體上納米柱結構在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構的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構的1.1倍以下,表明納米柱結構的高度至少應為300nm。直徑與周期對提取效率的影響實質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構。對于TM偏振光,納米柱結構的提取效率提升幅度在短波長更大;對于TE偏振光,納米柱結構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纖鋅礦結構圖逡逑ＡｌＧａＮ、１丨ｉＧａＮ、ＩｎＡＩＮ三三Ｖｅａｒｄ１１

邐＇逡逑圖１－２納米柱結構的光線出射示意圖逡逑納米柱結構的光線出射示意圖如圖１－２所示，由圖可知，納米柱結構增大了材料逡逑的側壁面積，從而增大了結構的可出射角度，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構有助于提高半導體發(fā)光器件的出光效率。逡逑１．５論文結構和研究內容逡逑為了提高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構進行。使用時域有限差分法對ＡｌＧａＮ納米柱結構的光場分布和提取效率逡逑進行計算分析。本文的主要內容如下：逡逑第一章首先介紹了邋１丨１族氮化物的材料結構及性質，包括三元合金材料的性質？，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)逡逑光效率的相關研宄進展。最后引出了ＨＩ族氮化物納米柱結構，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逡逑理論基礎。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計算了納米柱結構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系，通過計算得到了鋁組分對納米柱內外電逡逑場強度的影響。其次計算了納米柱直徑高度對ＡｌＧａＮ納米柱內外電場強度的影響。逡逑為了研究直徑對納米圓柱波導的影響

．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