天津工业大学
毕业设计（论文）
金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究
·
姓名：李艳辉
院(系)别：电子与信息工程学院
专业：电子科学与技术
班级：电科083
指导教师：刘宏伟
2012年 6 月5 日
天津工业大学毕业设计（论文）任务书题目金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究
学生姓名李艳辉学院名称电子与信息工程学院专业班级电科083课题类型实际课题
课题意义
本课题旨在研究金属颗粒结构对LED 内部光辐射吸收，探索不同结构金属颗粒的等离子体激元模式与LED内部光辐射模式的耦合，提取LED内部导波模式为辐射模式，进而提高LED出光效率。这对于提高LED器件出光效率，改善LED器件发光结构具有参考价值。对于提高半导体照明灯具发光效率，节约照明能耗，具有重要意义。
任务与进度要求2.21-3.05 查阅相关资料，熟悉课题内容
3.06-3.20 总结课题要点，安排具体课题计划
3.21-
4.05 课题相关模拟软件、模拟程序学习
4.06-
5.05 程序模拟和数据处理
5.06-5.25 课题数据及结论分析
5.26-
6.05 论文撰写及修改
6.06-6.10 准备答辩
主要参考
文献1、基于表面等离子激元的金属薄膜微结构的研究，王保清，硕士学位论文，浙江大学信息学院.
2、表面等离子体激元的若干新应用，雷建国等，长春理工大学理学院.
3、Adaehi S，Oe K. Chemical etehing characteristies of (001)GaAs. J Electroehem Soc，1983，130:2427.
4、Nishida T, Hisao Saito, Naoki Kobayashi, Efficient and high- power AlGaN- based ultraviolet light- emitting diode grown on bulk GaN[J]. Appl. Phys. Lett. 2001, 79(6):711～712.
起止日期2012.2.21-2012.6.10 备注
院长教研室主任指导教师
毕业设计（论文）开题报告表
20 12年 3 月1 日
姓名李艳辉学院电子与信息
工程学院
专业
电子科学与技
术
班级电科083
题目金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究指导教师刘宏伟一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：
金属表面等离子激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)是一种在金属一介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮演着重要角色。近年来表面等离子光学和基SPPs的纳米光子器件的研究引起了国际上科学家们的广泛关注。学习SPPs的基本原理和在亚波长结构下的光学特性，了解基于亚波长金属结构的表面等离子激元在空间光束准直与聚焦、平面内光束聚焦与传导和在近场纳米光束的控制等方面的研究情况，以及其在纳米光子学器件中的潜在应用，对研究它为提高LED出光效率所提供的新的途径具有极其重要的意义。
本课题旨在研究金属颗粒结构对LED 内部光辐射吸收，探索不同结构金属颗粒的等离子体激元模式与LED内部光辐射模式的耦合，提取LED内部导波模式为辐射模式，进而提高LED出光效率。这对于提高LED器件出光效率，改善LED器件发光结构具有参考价值。对于提高半导体照明灯具发光效率，节约照明能耗，具有重要意义。
二、进度及预期结果：
起止日期主要内容预期结果
2.21-
3.05
3.06-3.20
3.21-
4.05
4.06-
5.05
5.06-5.25
5.26-
6.05
6.06-6.10 查阅相关资料，熟悉课题内容
总结课题要点，安排具体课题计划
课题相关模拟软件、模拟程序学习
程序模拟和数据处理
课题数据及结论分析
论文撰写及修改
准备答辩
对课题内容进行了解
总结课题方案
掌握模拟软件用法
完成论文主体部分
得到课题结论
撰写毕业论文
做答辩准备
完成课题的
现有条件
Rsoft软件,相关研究论文等
审查意见
指导教师：年月日
学院意见
主管领导：年月日
天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录题目金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究
学生姓名李艳辉学院名称电子与信息工程
学院
专业班级电科083
指导教师姓名刘宏伟指导教师职称讲师日期指导记录
3.9 布置任务
3.16 学习并查阅相关文献
3.20 LED相关知识学习
3.25 金属纳米颗粒等离子体的理论知识学习
4.1 金属纳米颗粒等离子体的理论知识学习
4.8 金属纳米颗粒用于提高LED出光效率结构的理论知识学习
4.15 金属纳米颗粒用于提高LED出光效率结构的理论知识学习
4.22 学习Rsoft软件的使用方法
4.30 学习Rsoft软件的使用方法
5.18 仿真模拟
5.21 仿真模拟
5.24 按要求书写论文
6.4 查看论文完成情况,毕业论文指导
6.6 对论文进行最后修改检查并打印
6.8 上交论文，制作答辩幻灯片
6.10 准备答辩
（设计类）
毕业设计
题目
金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究
学生姓名李艳辉学生班级电科083 指导教师姓名刘宏伟评审项目指标满分评分
选题能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工
作量饱满，能得到较全面训练。
10 题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10
课题调研文献检索能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理
解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中
获取新知识的能力。
15
外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。 5
设计说明书（设计）设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全
合理，能正确使用国家标准单位。
15 设计说明书（设计）结构严谨，表达清楚，文字通顺，
用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。
15 能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处
理正确无差错，对实验结果的分析准确。
20 设计具有创新性或实用价值。10
合计100
意见及建议
评阅人签名：年月日
学生姓名李艳辉学院名称电子与信息工程
学院
专业班级电科083
题目金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究
1．毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：
指导教师签字：年月日2．毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：
答辩主席（或组长）签字：年月日3．毕业设计（论文）总成绩：
a.指导教师给定成绩
b.评阅教师
给定成绩
c.毕业答辩成绩
总成绩
(a×0.5+b×0.2+c×0.3)
成绩：成绩：
摘要
随着半导体照明行业的不断深入发展，作为半导体照明产品中的核心组成部分——LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，LED芯片的亮度和可靠性不断提高。在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率一直是核心内容，因此，如何提高光提取效率显得至关重要。
本文就LED器件中光提取效率提高途径问题，着重介绍了一种新的光提取结构——金属颗粒表面等离子体，通过在发光材料表面建立金属纳米颗粒结构，在出射光激发下金属表面将产生等离子体，这些等离子体可吸收介质材料发光光能而发生振荡，再通过其他的结构或手段将这部分能量重新转化成光能辐射出去，进而提高LED器件的光提取效率。
本文一方面介绍了LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论知识，另一方面利用仿真的手段着重研究了金属纳米颗粒的周期（占空比）、尺寸以及不同材料对金属纳米颗粒等离子激元提高LED出光效率的影响，同时也仿真了该结构下不同偏振方向的出射光对光提取的影响。
关键词：LED；等离子体；吸收；光提取效率
ABSTRACT
With the development of semiconductor illuminance, as the core components of semiconductor illuminance——LED chips, its research and production technology has been rapid development as well as its brightness and reliability. In the production process of LED chips. the external quantum efficiency has been the core content and, therefore, the light extraction efficiency is crucial.
This article prove a way to enhance the light extraction efficiency of device, by a new structure——Surface Plasmon Polaritons of metal.In order to enhance the light extraction efficiency , then, on the metal particle surface ,the output beam excitate the plasma, these plasma can absorb the luminous light of dielectric material oscillate. By other structure or means, this part of the energy can re-converte into light energy and radiate out .thus, this way can improve the light extraction efficiency.
This article, firstly, will introduction the basic theoretical knowledge of the surface plasmon of the metal particles and LED. On the other hand ,by using tools of simulation, we simulate different metal particles with different cycle (duty cycle), different dimensions and different materials to improve the light extraction efficiency, and then simulate the impact of the different emitted light polarization direction。
Keywords: LED; Plasma; Absorb; Light extraction efficiency
目录
第一章绪论 (1)
第二章LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论 (3)
2.1 LED及提高其出光效率的几种途径 (3)
2.1.1 LED的发光原理 (3)
2.1.2 LED的优势 (4)
2.1.3 LED面临的主要问题 (4)
2.1.4 提高其出光效率的几种途径 (7)
2.2 等离子振荡的概念 (10)
2.3 表面等离子体的生成 (11)
2.3.1 表面等离子体的产生条件 (11)
2.3.2 表面等离子体的激发方式 (12)
2.4 表面等离子激元的应用 (14)
2.5 金属纳米颗粒等离子体的消光特性 (15)
2.5.1 纳米颗粒的等离子体激元共振 (15)
2.5.2 单个金属颗粒的光学特性 (16)
2.5.3 金属纳米颗粒阵列的消光特性及其影响因素 (17)
2.6 本章小结 (18)
第三章金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构研究 (19)
3.1 Rsoft 简介 (19)
3.2 模拟不同金属颗粒的等离子体激元模式提高LED出光效率 (26)
3.2.1 金属纳米颗粒分布周期对其提高LED出光效率的影响 (27)
3.2.2 模拟不同尺寸金属颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率 (29)
3.2.3 模拟不同材料金属颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率 (32)
3.2.4 出射光偏振方向对银颗粒的等离子体激元结构提高LED出光效率的影响 (33)
3.3 总结 (34)
3.3.1 对已完成工作的总结 (34)
3.3.2 存在的不足及展望 (34)
参考文献 (35)
外文资料 (37)
中文翻译 (44)
谢辞 (49)
第一章绪论
发光二极管(Light Emitting Diode, LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光效率的红光LED己是1969年了。到今天，LED已生产了50多年，回顾过去，它己茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品（如白光LED驱动器）发展迅速，新产品不断上市，已发展成不少新型产业。展望将来，还期望更进一步地提高。
众所周知，目前能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化困扰着我们，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。目前在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的19%[1]。各国发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。LED作为新型高效光源，特别是白光光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用。因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。因此如何制造出高效能的LED以使其早日取代现有的照明光源成为当今科学研究的一个重大课题，并越来越得到各界人士的广泛重视。
这些年来，随着半导体照明的不断深入发展，作为半导体照明产品中的核心组成部分——LED芯片，其研究与生产技术有了飞速的发展，芯片亮度和可靠性不断提高。这使得在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率的提高成为了核心内容，因此，如何提高光提取效率显得至关重要。
本文就LED器件中光提取效率提高途径问题，着重介绍了一种新的结构——金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构。
金属表面等离子体激元就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的激发态倏逝波。在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的金属表面等离子激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)。表面等离子体激元的电磁场局限于介质表面，依靠改变导体表面的性质，可以改变表面等离子体激元的性质，这就为研制新型的光子学器件提供了的途径。同时，SPPs理论在亚波长领域的应用解释了很多传统光学难以解释的问题。近年来，随着扫描近场光学显微技术的发展，使直接在材料表面观测SPPs变为可能，这极大促进了表面激元的研究。随着SPPs及SPW(Surface Plasmon Wave)理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些经典光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长
结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储近场光学等领域的应用大放光彩。另外，金属表面等离子体的按结构不同大致分为金属薄膜型和金属纳米颗粒型。
本文着手于将金属颗粒等离子应用于LED光提取，着重研究不同结构的金属颗粒表面等离子体提高LED的出光效率，并进行比较得出相应结论。主要内容有：首先，着重介绍了LED及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论知识其中包括LED 的发光基本原理、优势、提高LED为量子效率和金属表面等离子体的基本概念、原理及金属纳米颗粒结构制备、消光特性等的介绍。帮助读者建立起关于本课题的基本知识框架。
然后，通过利用仿真软件Rsoft，模拟研究金属纳米颗粒的周期（占空比）、尺寸以及不同材料对金属纳米颗粒等离子激元提高LED出光效率的影响，同时也仿真了该结构下不同偏振方向出射光对出光效率的影响，并得出来相应的结论。
第二章 LED 及金属纳米颗粒表面等离子体基本理论
本章将简单介绍关于LED 及金属纳米颗粒表面等离子体一些基本理论。主要内容包括LED 的发光基本原理、优势、光提取途径的介绍和金属表面等离子体的基本概念、原理及金属纳米颗粒结消光特性等的介绍。
2.1 LED 及提高其出光效率的几种途径
2.1.1 LED 的发光原理
LED ，即半导体固态照明采用发光二极管，其核心是PN 结，所以它具有一般PN 结特性，即正向导通、反向截止和击穿特性。在正向电压下，如图2-1所示。
图2-1 LED 的发光原理
PN 结正偏，外加电场减弱PN 结内建电场的作用，打破了载流子扩散与漂移的动态平衡，使得载流子的扩散作用大于漂移，即大量的电子从N 区扩散到P 区，P 区大量的空穴扩散到N 区，进而在P 区和N 区形成非平衡载流子，这些非平衡载流子在各自的区域与区域内的平衡多数载流子复合，并以光子的形式辐射能量，就形成了发光，这就是LED 的基本发光原理。
另外，光子的能量v g E hv E ==，其中g E 为PN 结材料的带隙宽度，由此也可以看
出对应于不同的材料结构，LED 所发光的能量不同，对应的光子波长λ不同，即呈现出不同的颜色，这对于制作发不同颜色光的LED 起着决定性的作用。
天津工业大学本科毕业设计（论文）
另一方面，LED的发光效率是是评价一个发光器件优劣的重要指标，决定的该器件是否能够应用于日常生活中，而对于不同的发光材料也有着不同的发光效率，所以正确的选择LED的发光材料也是当今LED研究的重要内容。
2.1.2 LED的优势
LED作为新型光源，应用范围十分广泛，主要包括了LED照明和LED显示两个大类，其中LED照明主要包括各类灯具的应用，LED显示则包括LED显示屏和液晶LED 源的应用。其优点主要体现在以下几方面[2]：
1.节能：LED灯具功耗低、光效高，比日光灯节约电量约70%~80%；
2.寿命长：在正常使用的情况下，寿命超过5000小时，理想状态下甚至可达10万小时以上，相当于连续点亮n年，并且性能稳定，5万小时光衰仅为30%；
3.环保：不含汞等有害物质、可回收再利用，无红外和紫外线辐射(因此可避免招惹蚊虫)；
4.人眼舒适度高：由于LED为恒流驱动，因此不存在闪频问题，能很好地保护眼睛；
5.外形尺寸灵活：单个LED尺寸小巧，可随意组合形成发光模块，实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果；
6.安全性高：LED使用低压恒流电源供电，工作电压低，十分适合在公共场所和某些特定作业场合使用；
7.适合做大屏幕：LED色彩丰富饱满、演色性强，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，显色效果极佳；而且LED可控性强，可实现多变、逐变、混光效果，亮度和色彩动态控制容易，可实现色彩动态变换和数字化遥控控制；
8.适合做液晶屏背光源：LED亮度高、发光均匀并可调;而且LED驱动响应快，达到纳秒级；此外，LED还有便于单点维护的优点。
2.1.3 LED面临的主要问题
自从1962 年世界上第一个商用红光GaAsP发光二极管由通用电器公司制作成功，发光二极管开始显示出它在发光器件市场中的地位。在20世纪70 年代初，虽然当时的发光二极管只有大约0.1%的发光效率，红光发光二极管就已经广泛应用在计算器和电子表的显示等场合。自从1991 年Nichia公司和Nakamura[3]公司等成功研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED后，GaN基LED 得到了迅速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景，将来还有可能代替白炽灯、荧光灯，实现人类照明史上的又一次革命。
LED 作为一种光源，衡量它的一个重要指标就是光电的转换效率。目前，商用白光LED 的发光效率只有70~80lm/W ，其发光效率与荧光灯相比还比较低。表2-1给出了不同年份LED 的发光效率，可以看出近30 年来LED 的发光效率提高了250 倍以上。随着LED 的应用越来越广泛，如何提高GaN 基LED 的发光效率越来越成为关注的焦点。
表2-1不同生产年份LED 的发光效率比较[4] 年份
材料 发光效率（lm/W ） 1970
GaAs 0.6P 0.4 <0.2 1973
GaP:Zn,O <0.4 1980
GaAsP:N 1 1985
AlGaAs/GaAs 2 1990
AlGaAs 8 1995
AlInGaP 16 2000
AlInGaP ，InGaNSiC >30 2005 AlInGaP ，InGaNSiC >50
提高LED 发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。由于工艺和技术的成熟，已经可以制备内量子效率达到70%~80%的GaN 基LED 。因此，通过提高内量子效率来大幅度提高LED 发光效率已没有很大的余地。半导体照明LED 关键技术之一也就是如何通过提高外量子效率来提升其出光效率。对于一个LED ，它的外量子效率ex η可用公式(2-1)表示：
ex in ext ηηη=? (2-1)
式中，in η是内量子效率；ext η是LED 的光提取效率。由于ext η非常低，所以LED 内量子
效率与外量子效率之间存在巨大的差距。一般来说，高质量LED 的内量子效率可以达到99％以上，而它的外量子效率却非常有限。因此，通过提高内量子效率来大幅提高LED 发光效率已经没有很大的余地。半导体照明LED 关键技术之一也就是如何提高外量子效率即提高其出光效率。出光效率，即衡量实际有多少辐射从器件发出，是众多LED 所面临的关键问题。降低LED 光提取效率的原因主要有两点:
1.半导体材料本身对光的吸收
2.在半导体材料与空气界面，由于折射率差引起的全反射损耗。
由于半导体材料本身对光的吸收是不可避免的，下面主要分析由全反射引起的损耗，普通的LED 结构示意图如图2-2所示，从下至上依次是:衬底，N 区，用于发光的有源区，P 区，最上面是P 电极和N 电极。有的材料的LED 还需要在P 区上加电流扩展层(如GaN 基LED)。图中，1n 是介质的折射率，2n 是空气的折射率，i ω是入射角，r
ω
是折射角。
图2-2 LED 结构示意图
其中光提取率是由光学的折射定律所决定的，光线从根据光学折射定律，光线从光密物质(如芯片)向光疏物质(如空气)时，根据折射公式:
i r n n ωωsin sin 21= (2-2)
因此当折射角r ω=90°，即s i n r ω=1达到全反射条件，设全反射的临界角为c ω，则根据式
(2-2)可得：
21
21sin arcsin()c c n n n n ωω== (2-3)
空气的折射率11n =，当介质为InGaAsP 时，其n 1=3.3，则c ω=17.6°。也就是说LED 内
只有锥角为17.6°的光锥内的光可以射出LED ，如图2-3所示。
图2-3 LED 全反射光锥示意图
从以上的分析可以看出提高LED 的光提取效率成为提高LED 外量子效率的关键。下面详细介绍目前国际上提高LED 外量子效率的几种方法。
2.1.4 提高其出光效率的几种途径
1、生长分布布拉格反射层(DBR)结构
在2000年N.Nakada [5]等人使用分布布拉格反射器DBR (Distributed Bragg Reflector)来提高LED 的外量子效率。其LED 的结构如图2-4所示，作者在衬底和有源区之间制作15对的GaN/AlGaN 布拉格反射层。能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率。
其DBR 结构直接利用MOCVD 设备进行生长，无需再次加工处理。其反射率R 与材料折射率以及布拉格反射层对数N 的关系由以下公式[6]给出：
22114()N L H
n n R n n =- (2-4) 其中1n 和2n 分别是空气的折射率和介质的折射率，L n 和H n 是低折射率材料和高折射率
材料的折射率，可见两种材料的折射率差越大，反射率越高。在/L H n n 一定的情况，反
射率随着对数N 的增加而提高。
这种方法的缺点是随着层数的增加，难以控制在DBR 上生长的材料的晶格质量，引起缺陷较多，降低了LED 的内量子效率，也影响了LED 的外量子效率。
图2-4 带有DBR 的LED 结构图
2、制作透明衬底LED(TS-LED)
除了将光反射从LED 上表面射出，另外一种减少衬底吸收作用的方法就是将GaAs 基LED 的衬底换成透明衬底，使光从衬底出射。可以在LED 结构生长结束后，移去吸光的N 型GaAs 衬底，利用二次外延生长出透明的、宽禁带的导电层。也可以先在N 型GaAs 衬底片上生长厚50mm 的透明层（比如AlGaAs ），然后再移去GaAs 衬底。这两种技术的问题在于透明层的价格昂贵，难于生长，而且与高质量的有源层之间匹配不好。
另外一种技术就是粘合技术。它是指将两个不同性质的晶片结合到一起，并不改变原来晶体的性质。粘合的方法非常多，有范德华粘合bonding技术[7]、金属共熔技术[8]、外延粘合和氧化粘合技术等。但它们都因为结合力太弱、界面不透明或界面导电性差等原因不适合做透明衬底的粘合。最终直接粘合技术引起人们的关注。制作透明衬底的过程如图2-5所示，图中原来的GaP有源区是生长在GaAs衬底上的，由于GaAs材料是黑色的对光的吸收很强。因此F.A.Fish等人首先使用选择腐蚀的方法将GaAs衬底腐蚀掉[9]，在高温单轴力的作用下将外延片粘合到透明的N型GaP上[10,11]。制成的器件是GaP 衬底-有源层-GaP窗口层的三明治结构。它允许光从六个面出射，因而提高了出射效率。
1994年，Hewlett-Packard公司开始生产TS（Al x Ga1-x）0.5In0.5P/GaPLED，这是当时所能获得的最高亮度的LED。根据1996年的报道，636nm的TS-LED外量子效率可以达到23.7%；607.4nm的TS-LED的发光效率达到50lm/W但是这种方法工艺复杂对技术要求很高，没有办法满足大规模生产的要求。
图2-5 透明衬底LED的制作过程示意图
3、倒金字塔形LED
这种方法旨在减小光在LED内部反射而造成的有源层及自由载流子对光的吸收。光在内部反射的次数越多，路径越长，造成的损失越大。通过改变LED的几何形状，可以缩短光在LED内部反射的路程。这种新技术在1999年被提出[12]。它是在透明衬底LED基础上的再次加工。将粘合后的LED晶片倒置，切去四个方向的下角，如图2-6（a）所示。斜面与垂直方向的夹角为35o。图2-6(b)是横截面的示意图，它演示了光出射的路径。
图2-6 倒金字塔形LED 的实物图(a)和侧面出光意图(b )[13]
LED 的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面，而以小于临界角的角度出射。使那些传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程。这种方法只能每个分别加工，而且工序复杂，也无法大量生产。
4、表面粗化技术
光波在分子密度均匀介质中传播时，次波相干叠加的结果是遵循几何光学定律的光线。光波传递到不均匀的媒体介质的表面时，不均匀的媒质小块成为了次波源，从他们到空间各点已有了不可忽略的光程差。这时，除了按几何光学规律传播的光线外，其他方向也有光线的存在，这就是散射光。这样，即使在光线入射角C ωω>（全反射临界角）
的情况下，光线也不会完全遵循全反射定律，角度分布的随机性使一部分光出射出来[14]，如图2-7所示。
图2-7 平面对光的反射(a)，粗糙表面对光的散射作用(b) [14]
表面粗化的方法很多，加州大学的I.Schnitzer 和E.Yablonovitch 提出用自然光刻法。就是先用旋转镀膜的方法将直径300nm 的聚苯乙烯球镀在LED 的表面，这些小球遮挡一部分表面，然后用等离子腐蚀的方法[15]，们将未遮蔽的表面腐蚀到深度为170nm 左右，形成了粗糙的LED 表面。另外，德国物理技术研究所的R.Windisch 等人用430nm 的聚苯乙烯球进行了进一步的实验[16]，发现了比前人更好的结果，如表2-2所示，表中的数值代表LED 的外量子效率。
表2-2 不同颗粒度对外量子效率的影响 （a ）未封装的LED
光滑表面
粗糙度为300nm 粗糙度为430nm 2.15%
2.55%
3.2% （b ）封装后的LED 光滑表面 粗糙度为300nm
粗糙度为430nm
4.4% 4.7%
5.7%
表中(a)，(b)分别代表未封装的和封装后的LED。可见表面粗糙技术确实能够提高LED的外量子效率。但是作用并不是很明显。
5、光子晶体的方法
利用二维光子晶体提高LED的提取效率具有工艺简单，光提取效率高等优点而成为目前提高LED外量子效率的研究热点之一，在二维光子晶体应用到LED中也有相关的报道，已经有了多种制备二维光子晶体晶格的技术，如光刻腐蚀、电化学、选择性氧化等等。由于光子晶体限制了导波模，理论上的光提取效率可以达到90%以上。但是光子晶体LED的研制尚为理论验证和实验室阶段，尚不成熟。不过，对于未来的LED光提取效率接近1的诱人前景，仍然吸引了很多研究机构对此进行研究探索。
6、金属表面等离子激元耦合法
金属表面等离子激元是一种在金属一介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电
磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，在纳米光子学的研究中扮演着
重要角色。近年来表面等离子光学和基SPPs的纳米光子器件的研究引起了国际上科
学家们的广泛关注。
本文就是在前人研究的基础上着重介绍了这一提高LED光提取效率的结构——金属颗粒LED等离子体激元耦合光提取结构。旨研究金属颗粒结构对LED内部光辐射吸收，探索不同结构金属颗粒的等离子体激元模式与LED内部光辐射模式的耦合，提取LED内部导波模式为辐射模式，进而提高LED出光效率。具体内容将在下一章详细介绍，下面我们先对金属表面等离子体给予介绍。
2.2 等离子振荡的概念
假设所研究的体系是一个无限大的块状金属，根据Drude[17]金属自由电子气模型，金属内的自由电子就像是电子的海洋，和理想的气体分子一样，符合玻尔兹曼分布。假设电子群在某一时刻偏离了平衡位置,则势必在其周围形成电场，并受到电场力的作用向平衡位置运动，也就是说：像机械振动一样，如果忽略散射所引起的衰减，当电子群偏离平衡位置时，将会受到使它们返回平衡位置的恢复力，即电场力；在该恢复力的作用下，电子群将回到平衡位置，但是由于到达平衡位置时，势能为零，动能最大，所以电子群将通过平衡位置继续向前运动，直至全部动能变为势能。如此往复，电子这种简单的周期性运动被称为电子集体振荡。
前面讨论的是块状金属内电子群的振荡，这一段我们主要考虑金属表面自由电子振荡的情形，由于电子的横向运动受到金属表面的阻碍，所以在金属表面上电子的浓度以梯度分布，形成了局限于金属表面的等离子体振荡，Powell和Swan的电子能量损失实验已经证明了该振荡的存在。伴随着表面等离子体的振荡，产生了一种传播于金属表面，
并且振幅沿z 方向衰减的表面电磁波，我们把该电磁波称为表面等离子体波(SWP)。 由于金属表面电荷的振荡，产生横向和纵向的电磁场，可知该电磁场在∞→z 时消失，在金属的表面最强，因此对表面的性质很敏感。另外研究发现，电磁波能量能在z 方向上指数衰减，其在界面处，表面等离子体波沿x 方向传播，没有y 分量，且x 方
向传播的波失'''k k k +=为虚数；其中'k 决定了表面等离子体的振动频率，''k 则相当于
表面等离子体波的阻尼因子，所以表面等离子体在沿金属表面传播过程中，振幅以负指数的形式衰减。
2.3 表面等离子体的生成
2.3.1 表面等离子体的产生条件
介质l 和介质2均为半无限大的各向同性非磁性介质，其相对介电常数分别为()
ωε1和()ωε2，假设在如图2-8所示的界面上存在表面等离子体波，且沿界面x 轴方向传播。
图2-8 表面等离子体界面条件
由金属表面等离子波的传播特性可得式(2-5)：
2
121z z k k -=εε (2-5) 由于1z k 和2z k 均为正实数，那么介质1和介质2的相对介电常数的符号一定相反，即表面等离子体一定存在于两种介质介电常数符号相反的界面上。如果其中一个介质是介电常数的实部为负的金属，那么就符合表面等离子波产生的条件。在可见光和近红外区域，像金、银、铝等这些反射率较高的金属来说，它们的复介电常数具有实部的绝对值比其虚部大得多的负数的特性，即有
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