半导体固体发光器件的层状结构中,大量的光子以波导模式的形式被束缚在发光器件内,此时微结构可用于器件内光子的提取以增强发光效率。微结构是由两种或两种以上的材料在空间按照一定规律排列分布而成的,其特征尺寸与电磁波波长相当甚至更小。近年来微结构已被应用于多个领域,如能源的高效利用,航天器热控制以及新型人工材料等。当微结构与辐射光子相互耦合作用时,会产生近场电磁效应,如表面等离子激元、微腔谐振效应以及光子禁带效应等。深入研究不同微结构和辐射光子的相互作用,掌握其近场电磁效应产生机理,可以有效地利用微结构来调控光电器件的光谱辐射特性,增大器件的能源利用率。本文以微结构金属光栅的光谱辐射特性研究为起点,结合LED光提取问题,将微结构应用于LED芯片中,以增大LED的光提取效率。研究内容主要包括以下几个方面:1微结构光栅光谱特性研究金属/介质多层光栅微结构具有独特的光谱特性,如二维孔阵列(2DHAs)的单层金属薄膜光栅,具有绝缘体/金属/绝缘体(IMI)的多层结构特点,表现出异常光透射(EOT)现象,其产生机理为表面等离子激元(SPPs)。金属/介质多层结构具有多种排列方式,不同的排列,其光谱特性必然不同,产生机理也不尽相同。文中,首先对一维金属/介质光栅微结构建立了时域有限差分(FDTD)数值模型,通过计算获得了此光栅微结构的光谱吸收率及微结构内电磁能量的分布。同无光栅金属/介质层状结构的光谱特性比较,发现光栅微结构表现出特定波段的增强吸收特性。深入研究了二维金属/介质/金属(MIM)光栅表面微结构的光谱特性。分析了多个结构参数对其光谱特性的影响及产生特定光谱现象的内在机理。发现选择合适的核心层厚度,由于内表面等离子激元(internal-SPPs)和外表面等离子激元(external-SPPs)的同时激发,MIM光栅微结构在特定波长表现出超90%的强吸收特性。2微结构光栅用于提升LED光提取效率的数值研究在LED芯片内,由于全内反射的原因,由电子空穴辐射复合从有源区产生的光子很难逃出芯片,特别是对于那些由折射率差别很大的材料所构成的芯片,光子更难逃出,大部分被限制在芯片内,使得芯片的光提取效率非常低。在已有的研究光提取的文献中多采用单一微结构,如在表面粗化、做纹理、采用光子晶体结构以及金属纳米颗粒等,而对采用复合的微结构很少涉及。文中基于对LED光提取中存在的问题的分析,提出了在全内反射的倏逝波衰减长度内放置一金属Ag光栅的二维倒装LED模型,采用时域有限差分法计算得到LED的光提取效率,同无光栅芯片的提取效率比较,得到光提取效率增强因子。进一步采用金属/介质组合光栅来增强芯片的光提取效率,计算发现由于金属光栅表面SPPs的激发,以及介质光栅对表面等离子波的散射作用,金属/介质组合光栅在可见光长波段的光提取效率比只有金属光栅或只有介质光栅的光提取效率要高数倍。3不同金属材料的微结构光栅在LED光提取增强中的应用作为激发表面等离子激元的必要条件,需要材料介电函数的实部为负值。由于金属内存在大量自由电子,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以及衰减频率的不同,在表面等离子效应中体现在产生表面等离子激元的波段以及表面等离子波的衰减程度不同。同时,表面等离子效应的产生还与金属及周围媒质的微结构特征相关,不同微结构特征也会使产生表面等离子效应的波段不一样。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。4金属微结构光栅在LED光提取应用中的吸收特性采用金属微结构的表面等离子发光二极管(SP-LEDs),需要在LED芯片内部的金属微结构周围激发SPPs。SPPs有助于增强芯片内微结构对波导光子的提取,但如果激发的SPPs不被耦合为传播波模式辐射出芯片,会导致金属对光子的大量吸收。因此,在SP-LEDs芯片内金属的吸收是一个非常重要的研究内容,需要深入的进行分析讨论。文中基于时域有限差分法对几种不同微结构的三维LED芯片进行了数值模拟研究,讨论了不同的光栅组合,光栅类型,金属材料以及源项的极化特性对LED芯片光提取效率的影响,重点研究分析了各因素对金属吸收特性的影响。发现金属/介质组合光栅显著增大芯片光提取效率的同时,其对光子的吸收率也非常大,是光提取效率的数倍。因此选择合适的金属以及合适的结构对LED的光提取至关重要。