表面等離子體激元(Surface plasmons,SPs)是一種局域在金屬表面的電磁波,具有局域場增強效應(yīng)和高態(tài)密度。理解金屬SPs局域特性對半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)自發(fā)輻射、內(nèi)量子效率的影響具有重要應(yīng)用價值。本文從能量守恒的角度出發(fā),從理論上詳細分析了SPs與半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)耦合時三種能量傳遞的方式及其過程,對發(fā)光過程中涉及到的光子態(tài)密度、電子態(tài)密度、自發(fā)輻射速率等微觀量子力學(xué)參數(shù)進行詳細的分析研究。根據(jù)費米黃金定則,研究了電子空穴對在等離子體激元波的作用下自發(fā)輻射速率的變化,其中偶極子矩陣元與金屬的距離起著重要的作用。通過詳細的分析金屬等離子體激元與半導(dǎo)體耦合的發(fā)光過程,為人們對等離子體激元耦合光電子器件研究提供了一定思路。本文利用有限元算法(FEM)和時域有限差分算法(FDTD)研究了以硅為代表的間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光結(jié)構(gòu)與表面等離子體激元的耦合作用。分析了典型的金屬納米粒子的尺寸、周期對Si基結(jié)構(gòu)等離子體激元共振峰的影響。此外,由于Si基半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)發(fā)光效率較低,引入了尖端效應(yīng)增強Si基結(jié)構(gòu)的發(fā)光功率。有限元分析顯示,等離子體激元耦合對間接帶隙發(fā)光材料光效提高顯著。本文對GaN直接帶隙材料發(fā)光結(jié)構(gòu)的Purcell效應(yīng)進行研究,通過Purcell因子與等離子體激元共振峰的關(guān)系,研究金屬球形納米粒子的材料、直徑、間距以及電子空穴對發(fā)光的位置對GaN基發(fā)光結(jié)構(gòu)自發(fā)輻射速率的影響。同時,設(shè)計了多量子阱GaN發(fā)光結(jié)構(gòu)模型求得平均Purcell因子,并通過光子壽命測試分析實驗樣品壽命衰減曲線,驗證Purcell因子與光子壽命的關(guān)系。實驗所得壽命值與理論值的平均相對誤差小于0.07。
【學(xué)位單位】：天津工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O441.4;O646.9
【部分圖文】：

金屬的諧振頻率與ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子眺所發(fā)出的光頻率在光譜上發(fā)生重疊，其中??當(dāng)金屬層材料為Ａｇ，層厚為１０ｎｍ時，光致發(fā)光（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ＰＬ）譜峰??值強度提高１４倍，相應(yīng)結(jié)構(gòu)和ＰＬ譜如圖１－１所示。??１８?－Ｉ?．?１?．????２４－１???１?．?，???，???，??ｊ－??＝１５?／＼?ｄ２０＇??？．?１２?／?Ａ?ｒｉ，?１６??ｉ：ＬＡｊ?ｓ：ｙｄ??４８０?５２０?５６０?６００?６４０?５?１?０?１?５?２０?２５?３０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）?Ｃｕｒｒｅｎｔ?（ｍＡ）??（ａ）?（ｂ）??圖１－２?（ａ）丨ｎＧａＮ／ＧａＮ單量子阱ＬＥＤ在２０ｍＡ電流下的電致發(fā)光譜；（ｂ）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ單量子阱??ＬＥＤ的電流與電致發(fā)光強度的關(guān)系??然而，使用連續(xù)金屬膜幾乎不能控制等離子體共振波長，而使用金屬納米顆??�？梢钥朔@些限制，通過改變金屬納米粒子的尺寸和幾何形狀來微調(diào)局域等離??激兀（ｌｏｃａｌ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｐｌａｓｍｏｎ，?ＬＳＰ）的共振峰位置。２００８年，臺灣的Ｈｕａｎｇ等人丨２６］??在發(fā)光波長為５５０ｎｍ的ＩｎＧａＮ／ＧａＮ單量子阱ＬＥＤ頂部生長Ａｇ納米顆粒

（ａ）?（ｂ）??圖１－１?（ａ）ＧａＮ量子阱與金屬等離子體耦合結(jié)構(gòu)示意圖；（ｂ）不同金屬的表面等離子體激??元與量子阱耦合的光致發(fā)光譜??ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導(dǎo)體材料發(fā)光領(lǐng)域：在２００４年，Ｏｋａｍｏｔｏ等人｜２５］通過在??ＧａＮ基發(fā)光結(jié)構(gòu)上沉積金屬層使發(fā)光效率得到很大的提高，研究表明這是由于??金屬的諧振頻率與ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子眺所發(fā)出的光頻率在光譜上發(fā)生重疊，其中??當(dāng)金屬層材料為Ａｇ，層厚為１０ｎｍ時，光致發(fā)光（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ，ＰＬ）譜峰??值強度提高１４倍，相應(yīng)結(jié)構(gòu)和ＰＬ譜如圖１－１所示。??１８?－Ｉ?．?１?．????２４－１???１?．?，???，???，??ｊ－??＝１５?／＼?ｄ２０＇??？．?１２?／?Ａ?ｒｉ，?１６??ｉ：ＬＡｊ?ｓ：ｙｄ??４８０?５２０?５６０?６００?６４０?５?１?０?１?５?２０?２５?３０??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）?Ｃｕｒｒｅｎｔ?（ｍＡ）??（ａ）?（ｂ）??圖１－２?（ａ）丨ｎＧａＮ／ＧａＮ單量子阱ＬＥＤ在２０ｍＡ電流下的電致發(fā)光譜；（ｂ）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ單量子阱??ＬＥＤ的電流與電致發(fā)光強度的關(guān)系??然而

樣品Ｃ?（對１２ｎｍ厚的Ａｇ膜在２００°Ｃ下退火４０ｍｉｎ形成Ａｇ納米顆粒），當(dāng)通過??向該ＬＥＤ器件注入２０ｍＡ的電流時，電致發(fā)光峰值相比増強１５０％，結(jié)果分別??如圖１－２所示。實驗結(jié)果表明了?Ａｇ納米粒子產(chǎn)生的ＬＳＰ波相比Ａｇ膜產(chǎn)生的ＳＰＰ??對發(fā)光結(jié)構(gòu)的耦合作用更強，使結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率更高。????＾—ｐ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ????［????｜?ｗｉｔｈｏｕｔ?ｍｅｔａｌ?ＮＰｓ??ｐ＾ｓａＮ?Ｍｅｔａｌ?ＮＰ?７?Ａ?…．２６ｎ＊？ｉ〇Ｋ??ｍ?ｍ?ａ?ｍ?ａ?￣?？?＼??ｐ－ＧａＮ?ｓｐａｃｅｒ?ｌａｙｅｒ?＾?Ｖ??—，丨?＾?｜?ｉｙｊ??ＢＨＢ｜?１Ｊ?Ｍｋ＼Ｍ＼ｉ＼??０?２０?４０?？０?８０?１００??Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）??（ａ）?（ｂ）??ｗｉｔｈ?Ｐｔ?ＮＰｓ?ｗｔｔｈＡｇ?ＮＰｓ??＾?Ｔ？３．６８?ｎｓ＠１０Ｋ?ａ?ｔ？３．７７?ｎｓ＠１０Ｋ??＜〇?＼?？?＼??ｉＪ?ｍｍ?Ｈ丨?ｉ??０?２０?４０?６０?８０?１０?０?２０?４０?￥０?８０?１００??Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）?Ｄｅｃａｙ?ｔｉｍｅ?（ｎｓ）??（ｃ）?（ｄ）??圖１－３?（ａ）在ｐ－ＧａＮ中嵌入金屬納米粒子的深紫外ＧａＮ－ＬＥＤ結(jié)構(gòu)示意圖；深紫外ＧａＮ－ＬＥＤ??分別在（ｂ）沒有金屬ＮＰ、（ｃ）有ＡｇＮＰｓ、（ｄ）有ＰｔＮＰｓ時的時間分辨光致發(fā)光光譜，Ｔ＝１０Ｋ??２０１３年，Ｈｏｎｇ等人Ｐ７］利用Ａｇ和Ｐｔ納米粒子研宄了?ＬＳＰ對近紫外發(fā)光二極??管（ＮＵＹ－ＬＥＤｓ）的增強效應(yīng)
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本文編號：2893245