01 年第 57 卷第 36 期 :3545 ~ 3549 www.scichina.com csb.scichina.com 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 微结构金属光栅在 LED 光提取中的应用 * 苟于春, 宣益民 南京理工大学能源与动力工程学院, 南京 10094 * 联系人, E-mail: ymxuan@mail.njust.edu.cn 01-01-11 收稿, 01-08-7 接受国家自然科学基金 (5093600 资助 摘要微结构金属光栅可用于增强 LED 的发光效率, 应用不同的金属材料则表现出不同的光谱辐射特性, 使得不同金属材料的微结构光栅对同一波长的光提取效率不同. 基于时域有限差分 (FDTD 法, 计算了在 LED 芯片内应用不同金属材料的微结构光栅时, LED 的光提取增强特性. 通过分析金属材料的介电特性和产生表面等离子 (SPs 效应的品质因子, 发现带内跃迁等离子频率越高的金属材料, 由于其自由电子数多, 越接近于完全导体, 因此越适合于相对波长较短的光子提取. 同时发现由散射原因引起的光提取效率增强, 对于不同金属材料, 其增强因子随波长的变化而变化, 并且变化趋势是一致的. 而对于由 SPs 效应引起的增强因子变化, 无论是峰值的位置还是大小, 都随着材料的不同而发生显著变化. 关键词微结构金属光栅 LED 近场倏逝波表面等离子 微结构光谱控制方法可用于控制发光器件的光谱辐射特性, 在器件中引入微结构后, 通过微结构改变辐射电磁波在器件内的近场特性, 从而实现发光器件的效率提升. LED 芯片是由半导体层构成, 其层与层之间存在折射率差异, 从而使得由发光层辐射出的光子从高折射率向低折射率辐射时, 会在交界面上发生全反射 [1,], 形成近场倏逝波模式及波导模式. 这些模式很难辐射出芯片, 从而会大大降低 LED 的发光效率. 在过去的几十年里, 通过引入微结构, 已有多种方法用于增强 LED 的发光效率. 这些方法概括为两大类 [] : 一是通过引入微结构, 改变辐射光子的传播路径, 以实现光的提取增强 ; 二是应用微结构改变 LED 芯片内有源区的自发辐射特性, 从而实现 LED 的发光增强. 基于微结构表面等离子 (surace plasmons, SPs 效应的 LED 光提取效率增强的方法, 在文献 [] 中被归于第二大类. SPs 源于材料内电磁场激发的自由电荷集体震荡 (collective oscillations, 因此 SPs 效应的产生一般需要金属参与, 因为金属内具有大量自由电子. 已有大量的文献报道, 利用微尺度金 [3] 属结构来增强 LED 的发光效率 : Okamoto 等人试验发现在距离 InGaN 发光层量子阱 (QWs10 nm 的位置放一金属 Ag 膜, 光谱发光强度峰值处的增幅可达 14 倍, 整个发光波段总体增幅达到 17 倍 ; 通过在 n 型 GaN 半导体层中植入 Ag 粒子, InGaN/GaN MQW 蓝光 LED 的光输出功率增大了 3.% [4] ; 表面镀有 Au 纳米粒子的 GaN-LED 其电致发光强度被增强了 1.8 倍 [5] [6] ; Drezet 等人也通过 Au 光栅使得 GaP 的逃逸角得到有效放大, 从而更加利于 LED 的光提取 ; 由于 Ag 粒子的局域表面等离子 (LSP 效应, 在 900 nm 波长位置处, 从硅 (silicon-on-insulator, SOILED 发出的光增强了 8 倍 [7]. 在这些金属的应用中, 以 Ag, Au 和 Al 最多, 然而很少有文献系统地研究不同金属材料的微结构光栅在 LED 光提取增强中的应用. 本文在前期工作基础上, 对 LED 模型中的微结构金属光栅应用不同的金属材料, 通过时域有限差分 (FDTD 法计算了金属钛 (Ti 铜(Cu 金(Au 银 (Ag 铝(Al 以及完全导体 (PEC 对 LED 光提取效率的增强因子. 通过对不同金属介电函数和不同金属对应的光提取增强因子的分析, 总结不同金属在不 英文版见 : Guo Y C, Xuan Y M. The application o the microstructured metallic grating to light emission extraction. Chin Sci Bull, 01, 57, doi: 10.1007/s11434-01-5518-z
011 年 1 月第 56 卷第 36 期 同波段的实用性, 从而对实验起到一定的指导作用. 1 LED 模型如图 1 所示为本文用于 FDTD 模拟的 LED 芯片模型. 结构由两层介质和微结构金属光栅组成, 其中 GaN 介质层用于模拟 GaN-LED 的发光层, 其折射率取为.5 [8]. 为了使模拟更加接近真实的 LED 芯片结构, 在模型中也考虑了多量子阱 (MQWs 层, 其消光系数取 0.045 [9], 厚度为 100 nm. 具有 TM 或 TE 偏振特性的辐射点源位于多量子阱中, 向四周辐射各个频率的电磁波. 蓝宝石 (Sapphire 层作为 LED 的基底介质, 其折射率取 1.76 [8]. 图 1 所示为简化的倒装芯片 (lip-chipled 结构示意图, 其中光栅的周期, 填充因子, 光栅层厚度, 以及光栅层和介质分界面的距离分别表示为 : Λ,, d, h, 其中填充因子 =L/Λ, GaN 和蓝宝石基底的厚度分别表示为 : t GaN 和 t sapphire. 结构四周为 FDTD 模拟时的完全匹配层 (PML 吸收边界条件, 上下表面的点划线为辐射能量接收平面 S 1 和 S, 距离 LED 上下表面分别为 t up 和 t low, 其数据用于计算微结构金属光栅对 LED 光的提取能力. 除去 0 个网格的 PML 吸收边界宽度, 整个计算区域的 x 和 y 方向尺寸分别为 L x 和 L y. 将微结构金属光栅置于 GaN 和 Sapphire 界面之上的 h 位置处, 用以实现微结构光栅将近场倏逝波耦合为传播波, 从而辐射出芯片, 以此增大 LED 的光提取效率. 同时希望有金属的存在可以在微结构光栅周围产生 SPs, 从而达到更加明显的提取效率增强的效果. 金属介电函数的 Lorentz-Drude 模型针对 FDTD 数值模的特性, 要实现通过一次模 拟就能得到整个关心波段的电磁特性, 需要材料的介电常数为一随频率变化的函数形式. 金属的介电特性由两部分组成 : 一是表征带内跃迁 (intraband transition 的自由电子模型 (Drude 模型 r ( ; 二是表征带间跃迁 (interband transition 的束缚电子模型 b (Lorentz 模型 r (. 从而, 金属介电函数的 [10] Lorentz-Drude 模型表示为 b r r r ( ( (, (1 p r ( 1, ( ( - i N b jp r ( j1 ( j i j 将 (1~ (3 式合并为 N jp r ( 1 j0 ( j i j 0. (3, (4 其中 ω P 为等离子频率, N 为 Lorentz 振子数, ω j 为共振频率, j 为强度系数, Γ j 为衰减频率, p 0p 为带内跃迁对应的等离子频率. 作为激发 SPs 的必要条件, 需要材料介电函数的实部为负值. 由于大量自由电子存在于金属内, 使得金属具有负的介电函数实部, 因此金属成为等离子材料 (plasmonic materials 的最佳选择. 但对于不同金属, 由于内部自由电子密度的不同, 使得不同金属的介电特性不一样, 主要表现在等离子频率 ω P 以及衰减频率 Γ j 的不同, 在 SPs 效应中则体现在产生 SPs 的波段以及 SPs 波的衰减程度不同. 同时, SPs 的产生还与金属及周围媒质的微结构特征相关, 不同的微结构特征也会使产生 SPs 的波段不一样. 本文将不同金属的 Lorentz-Drude 模型参数值应用于 LED 模型 图 1 LED 模型示意图及其结构参数 3546
中的微结构金属光栅, 对一组确定的 LED 模型结构参数, 计算不同金属材料的微结构光栅对 LED 光提取增强倍数, 分析不同金属在不同波段的实用性. 3 结果及讨论 通过比较金属的带内跃迁等离子频率, 本文 选择了钛 (Ti 铜(Cu 金(Au 银(Ag 铝(Al 以及完全导体 (PEC6 种材料进行了数值计算, 其 LED 模型微结构参数如表 1 所示. 定义 LED 光提取增强因子 (e λ 为 e λ Pλ,with, (5 P λ,without 其中 P λ,without 为芯片内无微结构金属光栅时辐射能量接受面 S 上的对应波长总能量, P λ,with 则为有光栅时 S 上对应波长总能量. 如图 所示为辐射源分别为 TM(p 偏振 波和 TE(s 偏振 波时能量接收面 S 1 上的光提取增强因子. 从图中可以看出, 在可见光波段, 无论辐射源是 TM p 表 1 LED 模型及 FDTD 计算区域各参数值 结构参数 数值 (µm L x 3 L y 14 t up 0.5 t low 0.4 t GaN 0.5 t Sapphire 1 Λ 0.5 L 0.05 d 0.0 h 0.01 波还是 TE 波, 由于有微结构金属光栅的存在, LED 光提取效率在大部分波段都得到了有效的增强, 其可见光波段整体增强因子大于 1. LED 光提取效率增 [11] 强的机理在我们前期的工作中已给出了研究结论, 主要存在两方面的原因 : 一是由于微结构金属光栅的散射作用, 即置于近场倏逝波衰减长度内的微结构光栅可将 Sapphire 介质层内的波导模式耦合为传播波, 从而辐射出 LED 芯片 ; 二是由于在微结构金 图 辐射源为 TM(p 偏振 波和 TE(s 偏振 波时能量接收面 S 1 上的光提取增强因子 3547
011 年 1 月第 56 卷第 36 期 属光栅表面激发出了表面等离子 (SPs 效应, 通过 SPs 和光栅的耦合, 可以将束缚在 GaN-Sapphire 界面的近场倏逝波辐射出 LED 芯片, 从而增强 LED 光的提取效率. 由散射引起的光提取效率的增强对于不同金属材料来说, 其增强因子的变化趋势是一致的. 而对于由 SPs 效应引起的增强因子的变化则因材料的不同变化很大. 前者主要体现在 TE 波增强因子的变化, 从图 (c,(d 中可以看出, 虽然增强因子的大小随着金属材料的不同而发生变化, 但是其局部的峰值位置基本上是保持不变的. 而对于能激发 SPs 效应的 TM 波来说, 由 SPs 效应引起的光提取效率的增强 ( 位于波长较长的红光波段周围 则随着材料的不同, 无论是局部峰值大小还是局部峰值的位置都发生着显著的变化. 从图 中, 还可以看出完全导体 (PEC 对光子的散射作用是最强的. 无论是 TM 波还是 TE 波, 其基于散射作用的增强因子在所有金属中都是最大的. 这一点是由于光子不能进入 PEC 材料, 从而光子不能被 PEC 所吸收, 完全被散射, 因此实现了最大的增强效果. 但是对于 PEC 材料来说由于不存在介电常数实部为负的特征, 因此不能激发 TM 波 SPs 效应, 从而在长波处的光提取增强效果明显没有 Ag 好. PEC 在整个波段的光提取增强特性都是基于其显著的散射作用. 图 3 显示了上述 5 种金属从 Lorentz-Drude 模型计算而来的介电常数的实部和虚部. 从图中可以看到, 在可见光波段, 金属 Al 具有很大 ( 绝对值 的介电常数实部的特征, 因此其对光的散射特性最强, 而随着波长的增加, 介电常数的虚部也急剧变大, 因此在长波段吸收也相应地增大. 金属钛 (Ti 由于具有很小的介电常数实部, 且虚部相对较大, 因此导致电磁波 很容易进入金属钛内, 从而被大量吸收. 从图 中可以看到具有 Ti 微结构光栅的芯片光提取效率最低, 特别是可见光的长波段, 就是因为金属 Ti 散射作用相对较弱, 而吸收特性又很强. 从图 3 中还可以看到金属 Cu 和 Au 在可见光波段具有相似的介电特性, 因此在图 中所表现出来的增强因子特性是相似的. 金属 Ag 在整个可见光波段的介电常数虚部都很小 (<1.6, 因此其吸收很弱, 但是实部相对于 Al 较小, 特别是在短波段更小, 因此其对短波光子的散射很弱. 从图 可以看出辐射源为 TE 波时 Ag 光栅对可见光短波处的光提取增强因子是最小的. 对于金属产生 SPs 效应来说, 只要金属具有负的介电常数实部的特征就具有产生 SPs 的可能, 但其产生 SPs 的品质因子 (quality actor 是随不同金属以及不同波长而发生变化的. 其中品质因子综合考虑了产生 SPs 的材料的介电特征, 以此来评价材料综合性 [1] 能的一个参数, 定义如下 Re( r QSPs. (6 Im( r 如下图 4 所示为各材料产生 SPs 效应的品质因子. 品质因子越大表示 SPs 被激发时其强度越强, 衰减越弱. 从图中可以看出, 在长波段金属 Ag 的品质因子最大, 因此在其表面激发 SPs 时, 效果越明显, 表现在 LED 的光提取上, 则为增强因子越大. 从以上的分析可以看出不同的金属材料由于介电特性的不同, 在对 LED 光提取增强中所处的波段是不一样的. 金属 Al 是以上几种材料中带内跃迁等离子频率 p 最高的材料, 为 10.83 ev, 金属 Ag 其次, 为 8.8 ev, 然后是 Cu 和 Au, 最小的是 Ti, 为.81 ev. 因此 p 越高的材料越适合于短波光的提取, 图 3 各金属的介电函数随波长的变化特性 图 4 各金属产生 SPs 效应的品质因子 3548
特别体现在金属 Al 上, 其在可见光短波段的光提取增强因子最大. 其次是 Ag, 作为最好的等离子材料, 在可见光长波段对光的提取有更大的优势. Cu 和 Au 则适合于近红外的光提取, 从文献 [13] 中的实验研究也可以发现, 当总厚度一定时, 随着 Au/Ag 的厚度比 (0/50, /48, 4/46, 6/44, 8/4, 10/40, 1/38, 50/0 的改变, Au 的厚度越大, LED 发光增强的峰值波长越向长波移动. 金属 Ti 则对应更长的波段. 4 结论本文研究了不同金属材料的微结构光栅对 LED 芯片内光提取效率的影响. 应用表征金属介电函数的 Lorentz-Drude 模型, 通过 FDTD 方法计算了应用 不同金属材料的微结构光栅时, LED 的光提取增强因子. 结果发现由散射机理引起的光提取效率的增强, 对于不同金属材料, 其增强因子的变化趋势是一致的 ; 而对于由 SPs 效应引起的增强因子的变化则随着材料的不同变化很大. 通过分析金属材料的介电特性以及产生 SPs 效应的品质因子, 发现带内跃迁等离子频率越高的金属材料因其自由电子数多, 从而越接近完全导体, 因此越适合于相对波长较短的光子提取. 其中表现在金属 Al 更加适合可见光短波段的光的提取, Ag 作为很好的表面等离子材料, 其在可见光长波段对光的提取具有更大的优势, Cu 和 Au 更加适合近红外, 带内跃迁等离子频率最低的金属 Ti 材料微结构光栅则不适合于对可见光的提取. 参考文献 1 Wang T, Guo X, Fang Y, et al. Roughening surace morphology on ree-standing GaN membrane with laser lit-o technique. Chin Sci Bull, 007, 5: 1001 1005 Zhmakin A I. Enhancement o light extraction rom light emitting diodes. Phys Rep, 011, 498: 189 41 3 Okamoto K, Niki I, Shvartser A, et al. Surace-plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells. Nat Mater, 004, 3: 601 605 4 Kwon M K, Kim J Y, Kim B H, et al. Surace-plasmon-enhanced light-emitting diodes. Adv Mater, 008, 0: 153 157 5 Sung J H, Kim B S, Choi C H, et al. Enhanced luminescence o GaN-based light-emitting diode with a localized surace plasmon resonance. Microelectron Eng, 009, 86: 110 113 6 Drezet A, Przybilla F, Laux E, et al. Opening the light extraction cone o high index substrates with plasmonic gratings: Light emitting diode applications. Appl Phys Lett, 009, 95: 01101 7 Catchpole K R, Pillai S. Surace plasmons or enhanced silicon light-emitting diodes and solar cells. J Lumin, 006, 11: 315 318 8 Chao C H, Chuang S L, Wu T L. Theoretical demonstration o enhancement o light extraction o lip-chip GaN light-emitting diodes with photonic crystals. Appl Phys Lett, 006, 89: 091116 9 Kim S K, Cho H K, Bae D K, et al. Eicient GaN slab vertical light-emitting diode covered with a patterned high-index layer. Appl Phys Lett, 008, 9: 41118 10 Rakic A D, Djurišic A B, Elazar J M, et al. Optical properties o metallic ilms or vertical-cavity optoelectronic devices. Appl Opt, 1998, 37: 571 583 11 Gou Y, Xuan Y, Han Y, et al. Enhancement o light emitting eiciency by using combined plasmonic Ag grating and dielectric grating. J Lumin, 011, 131: 38 386 1 Blaber M G, Arnold M D, Ford M J. A review o the optical properties o alloys and intermetallics or plasmonics. J Phys: Condens Matter, 010, : 14301 13 Zhao H, Zhang J, Liu G, et al. Surace plasmon dispersion engineering via double-metallic Au/Ag layers or III-nitride based light-emitting diodes. Appl Phys Lett, 011, 98: 151115 3549