本文關(guān)鍵詞：利用納米壓痕技術(shù)提高AlGaInP LED光提取效率的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在過去的幾十年中,發(fā)光二極管(LED)作為高效節(jié)能的光源在交通信號(hào)燈、戶外顯示器、液晶顯示屏(LCD)背光等得到廣泛應(yīng)用。最近幾年有作為節(jié)能環(huán)保的室內(nèi)光源在室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域得到普及。目前,高亮度的紅光LED主要由AlGaInP的合金半導(dǎo)體制成。通過改變AlGaInP合金半導(dǎo)體中各元素的比例,可以獲得從紅光到綠光的各種顏色的發(fā)光二極管。然而根據(jù)斯涅爾定律,平面結(jié)構(gòu)LED的光提取效率η與材料的折射率n有η≈/(4n)2的關(guān)系,對于平面結(jié)構(gòu)的AlGaInP LED來說從量子阱中發(fā)射出來的光子中只有大約2.3%能夠射出。這大大限制了AlGaInP LED的光提取效率(LEE)。因此涌現(xiàn)了許多方法被用來提高LED的光提取效率,包括表面粗化,利用激光,電子束或離子束刻蝕進(jìn)行表面圖形化處理,圖形化襯底和等離激元納米結(jié)構(gòu)等。這些方法的首要原則就是為光子開辟其他通道使其從LED表面逃逸。在現(xiàn)有的方法中,光子晶體LED將光從波導(dǎo)模式散射為輻射模式和利用光子帶隙抑制某些波導(dǎo)模式兩種方式來提高LED的光提取效率。而另一種常用的方法是使用圖形化藍(lán)寶石(PSS)一方面通過打斷或者使位錯(cuò)彎曲來抑制GaN中位錯(cuò)密度,從而有效提高GaN藍(lán)光LED的內(nèi)量子效率；另一方面PSS襯底能夠打破LED中的波導(dǎo)模式,使得由量子阱發(fā)出的光從LED芯片中逃逸,從而大大提高了光提取效率。然而現(xiàn)有的方法中大多涉及復(fù)雜的化學(xué)過程或是需要昂貴的設(shè)備,從而限制了這些方法在實(shí)際制造LED中的廣泛應(yīng)用。因此需要一種簡單快速同時(shí)便于廣泛應(yīng)用的技術(shù)用于提高LED光提取效率。在目前的主要方法中,直接利用力學(xué)方法對LED進(jìn)行圖形化結(jié)構(gòu)處理的技術(shù)并未被涉及。壓痕技術(shù)有著悠久的歷史,最早可以追溯到Heinrich Hertz在1880年代首先研究了兩個(gè)軸對稱物體相接觸的實(shí)驗(yàn)。目前,壓痕技術(shù)主要用來測試材料的機(jī)械性能例如硬度和表面硬度等。這種技術(shù)在制造納米圖形化結(jié)構(gòu)上的潛力還沒有被開發(fā)。為了論證利用納米壓痕技術(shù)在AlGaInP LED表面GaP制備大面積周期性結(jié)構(gòu)從而提高LED光提取效率,并利用化學(xué)方法進(jìn)一步提高納米壓痕結(jié)構(gòu)光提取效率影響的可行性,我的論文將分為以下四章進(jìn)行論述,依次是第一章緒論,第二章利用納米壓痕技術(shù)提高AlGaInP LED光提取效率,第三章化學(xué)腐蝕輔助提高納米壓痕結(jié)構(gòu)AlGaInP LED光提取效率,以及第四章結(jié)論與展望。其主要內(nèi)容包括以下幾方面：(1) 我首先闡述了傳統(tǒng)的壓痕理論,以及現(xiàn)代納米壓痕技術(shù)的理論基礎(chǔ).利用傳統(tǒng)壓痕理論,有助于我們研究壓痕的形成過程以及壓痕裂紋和塑性區(qū)域的分布,同時(shí)壓痕應(yīng)力場分布對壓痕形成起到至關(guān)重要的作用。我們利用現(xiàn)代的納米壓痕測試技術(shù)測試了AlGaInP LED表面GaP窗口層的力學(xué)性能,并獲得GaP窗口層的彈性模量和楊氏模量。依據(jù)測試結(jié)構(gòu),圖形化藍(lán)寶石被選定作為在AlGaInP LED表面實(shí)施壓痕的大面積微納米壓頭。(2) 通過制定精確的實(shí)施流程,根據(jù)選定的圖形化藍(lán)寶石,我們利用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力來源,在特制的模具中對AlGaInP LED進(jìn)行納米壓痕處理。通過不斷重復(fù)和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的加載過程,我們在AlGaInP LED表面GaP窗口層獲得了大面積周期性納米壓痕結(jié)構(gòu)。對GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征之后,我們認(rèn)為該納米壓痕結(jié)構(gòu)符合脆性材料的壓痕理論,并且壓痕結(jié)構(gòu)的影響范圍得到有效的控制。(3) 對進(jìn)行過納米壓痕處理的AlGaInP LED進(jìn)行的電學(xué)測試表明,雖然納米壓痕處理對AlGaInP LED的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響,即開啟電壓略微提高,動(dòng)態(tài)電阻在低電流是也相應(yīng)提高。然而當(dāng)LED進(jìn)入工作電壓后,這種影響趨于減小,電學(xué)性質(zhì)的差別并不明顯。隨后的光學(xué)測試表明,納米壓痕處理并未影響多量子阱(MQWs)的發(fā)光特性,即放射光波長及和半高寬沒有變化。與此同時(shí)納米壓痕顯著提高了AlGaInP LED的光提取效率。經(jīng)過納米壓痕處理的AlGaInP LED發(fā)光強(qiáng)度提升到了原來的255%。(4) 在利用納米壓痕結(jié)構(gòu)有效提高AlGaInP LED光提取效率的基礎(chǔ)上,我們利用化學(xué)腐蝕方法對GaP窗口層的納米壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步處理。之前的研究表明氫氟酸和雙氧水組成的混合腐蝕液能夠腐蝕GaP窗口層,我們通過控制不同的腐蝕時(shí)間,研究了經(jīng)過納米壓痕處理的AlGaInP LED的腐蝕情況。結(jié)果表明,超過2min的以上的腐蝕時(shí)間,對AlGaInP LED造成嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致無法點(diǎn)亮。(5) 在前面研究的基礎(chǔ)上,我們研究了分別腐蝕10s、30s和1min對納米壓痕AlGaInP LED光提取效率的影響。通過對進(jìn)行過腐蝕的納米壓痕AlGaInPLED的光電性的測試表明,相對長時(shí)間的腐蝕對LED的電學(xué)性能造成了不良的影響。與此同時(shí),當(dāng)腐蝕30s時(shí),納米壓痕AlGaInP LED發(fā)光強(qiáng)度再之前的基礎(chǔ)上獲得了最大21.2%的提高。綜上所述,本碩士論文研究了利用圖形化藍(lán)寶石作為納米壓痕壓頭在AlGaInP LED表面GaP窗口層制備了大面積周期性納米壓痕結(jié)構(gòu)。利用這些納米壓痕結(jié)構(gòu)在基本不影響LED電學(xué)性能的同時(shí),顯著提高了AlGaInP LED的光提取效率。在此基礎(chǔ)上,利用氫氟酸和雙氧水對納米壓痕結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕,并研究了腐蝕時(shí)間對納米壓痕AlGaInP LED性能的影響。發(fā)現(xiàn)相對短時(shí)間的腐蝕能夠進(jìn)一步提高納米壓痕AlGaInP LED的光提取效率。
【關(guān)鍵詞】：納米壓痕 AlGaInP 發(fā)光二極管(LID) 光提取效率
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN312.8
【目錄】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-14
• 第1章 緒論14-52
• 1.1 引言14-19
• 1.1.1 發(fā)光二極管的早期發(fā)展15-17
• 1.1.2 Ⅲ-Ⅴ族復(fù)合半導(dǎo)體的發(fā)展17-19
• 1.2 AlGaInP發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)19-25
• 1.2.1 AlGaInP四元合金半導(dǎo)體19-22
• 1.2.2 AlGaInP發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理22-25
• 1.3 提高LED光提取效率的方法25-43
• 1.3.1 圖形化結(jié)構(gòu)提高LED光提取效率27-34
• 1.3.2 光輔助化學(xué)腐蝕提高LED光提取效率34-42
• 1.3.3 其他方法提高LED光提取效率42-43
• 1.4 研究目的和主要研究內(nèi)容43-45
• 參考文獻(xiàn)45-52
• 第2章 利用納米壓痕技術(shù)提高AlGaInP發(fā)光二極管光提取效率52-74
• 2.1 引言52-53
• 2.2 壓痕理論及納米壓痕技術(shù)53-60
• 2.2.1 壓痕理論54-59
• 2.2.2 納米壓痕技術(shù)及應(yīng)用59-60
• 2.3 GaP納米壓痕性質(zhì)60-63
• 2.4 在GaP窗口成制備大面積納米壓痕結(jié)構(gòu)63-65
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟64-65
• 2.5 結(jié)果與討論65-69
• 2.5.1 大面積周期性納米壓痕結(jié)構(gòu)65-67
• 2.5.2 納米壓痕結(jié)構(gòu)對AlGaInP LED光電性質(zhì)的影響67-69
• 2.6 結(jié)論69-71
• 參考文獻(xiàn)71-74
• 第3章 化學(xué)腐蝕輔助提高納米壓痕結(jié)構(gòu)AlGaInP LED光提取效率74-87
• 3.1 引言74-75
• 3.2 實(shí)驗(yàn)步驟75-76
• 3.3 結(jié)果與討論76-85
• 3.3.1 壓痕結(jié)構(gòu)76-82
• 3.3.2 經(jīng)過腐蝕的納米壓痕結(jié)構(gòu)對AlGaInP LED光電性質(zhì)的影響82-85
• 結(jié)論85-86
• 參考文獻(xiàn)86-87
• 第4章 結(jié)論與展望87-89
• 4.1 主要結(jié)論87-88
• 4.2 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)88
• 4.3 有待進(jìn)一步開展的工作88-89
• 致謝89-91
• 攻讀碩士期間取得的科研成果91-92
• 附件92-96
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表96

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