【摘 要】
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紫外光源因其短波长属性在杀菌消毒、工业固化、芯片光刻等多个领域有着举足轻重的应用价值,但目前的商用紫外光源以汞灯为主,不仅体积大、能效低、响应速度慢,还因其脆弱易碎存在汞蒸气泄露的风险。相比汞灯,紫外发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）有着体积小、寿命长、成本低、响应速度快且坚固环保的优势。然而,目前紫外LED存在诸多严重制约器件外量子效率的技术难题,包括:横磁场极化导致
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紫外光源因其短波长属性在杀菌消毒、工业固化、芯片光刻等多个领域有着举足轻重的应用价值,但目前的商用紫外光源以汞灯为主,不仅体积大、能效低、响应速度慢,还因其脆弱易碎存在汞蒸气泄露的风险。相比汞灯,紫外发光二极管（Light-Emitting Diode,LED）有着体积小、寿命长、成本低、响应速度快且坚固环保的优势。然而,目前紫外LED存在诸多严重制约器件外量子效率的技术难题,包括:横磁场极化导致大量光子束缚在器件内横向传播而无法被提取、LED和空气界面严重的全内反射限制光子出射、高位错密度降低了辐射复合发光效率、金属电极遮挡LED发出的紫外光。为了提高紫外LED的性能,本文围绕上述技术难题展开一系列深入研究,并取得了多项创新性成果。论文的主要研究内容和创新成果如下:1.针对有源区材料横磁场极化导致发射的紫外光局限在器件内横向传播的问题,本文提出利用纳米柱光子晶体抑制光子横向传播的方案,并设计光子晶体阵列将横向传导模式的光子转成纵向辐射模式。借助时域有限差分仿真（FiniteDifference Time-Domain,FDTD）探究了不同晶格排布的纳米柱LED对光提取效率的影响,并基于三角晶格阵列能更有效地抑制光子横向传播的结论,分别设计了三角晶格纳米柱阵列结构的正装和倒装紫外LED,借助粒子群算法探究了上述两种结构中纳米柱的最佳参数。结果表明倒装结构LED在纳米柱直径为85 nm间距为190 nm时能获得最大79%的出光率,远高于薄膜结构10%的出光率。2.针对紫外LED与空气界面全内反射导致大量紫外光无法被提取到器件外的问题,本文分别提出了表面纳米孔和纳米柱光子晶体阵列的解决方案。该方案设计并在薄膜结构紫外LED上制备了9种不同直径和间距的表面纳米孔（柱）光子晶体结构。借助电子显微镜表征和光致发光测试（Photoluminescence,PL）探究了本文提出的纳米孔（柱）表面光子晶体结构对紫外LED光提取效率的影响,并使用FDTD仿真分析了器件内紫外光子的传播模式。实验结果表明在薄膜结构紫外LED上表面制备纳米孔或纳米柱光子晶体阵列能有效地改善界面处全反射问题,可将薄膜结构紫外LED的光提取效率分别提高2.13倍和1.88倍。3.基于本文设计的表面带有浅纳米孔（柱）光子晶体阵列的紫外LED器件,进一步提出了在纳米孔内或纳米柱间隙涂敷直径60-80 nm的银等离子体颗粒来增强器件辐射复合效率。论文通过对制备的器件测试PL光谱,并结合FDTD仿真研究了不同表面微阵列结构上涂覆的银纳米颗粒对器件发光性能的影响。结果表明在纳米孔内或纳米柱间隙涂敷的银颗粒由于距离有源区更近因此与有源区发射光子的耦合能力更强,更有效地提高了有源区的辐射复合发光效率,使得紫外LED的PL光谱强度相比于薄膜结构LED分别提高了2.32倍和2.00倍。4.针对传统镍/金薄膜电极遮挡和吸收LED有源区发射的紫外光问题,本文提出了两种紫外透光性更好的银纳米线和氧化铟锡（Indium Tin Oxide,ITO）替代电极方案。在紫外LED上分别采用旋涂法和磁控溅射法制备了多种厚度的银纳米线薄膜和ITO薄膜,并借助电致发光和IV曲线测试,分析了不同厚度的银纳米线薄膜和退火前后的ITO薄膜作为顶电极对紫外LED器件光电性能的影响。结果表明在相同的电流注入下本文提出的两种电极相比于镍/金薄膜电极能将器件的光输出功率分别提高1.7倍和2.5倍。
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