GaN基LED表面微纳结构的偏振出光.docx

硕士学位论文论文题目gan 基 led 表面微纳结构的偏振出光邢贺研 究 生 姓 名指导教师姓名曹冰光学工程专 业 名 称研 究 方 向微纳设计与制造2014 年 5 月论文提交日期gan 基 led 表面微纳结构的偏振出光中文摘要亚波长金属光栅结构是近年来迅速发展起来的纳米功能元件之一。将亚波长光栅结构和 gan 基 led 发光芯片集成一体，在提高出光效率的同时，使 led 具有直接偏振出光功能，对掌握光电子器件核心技术具有重要的意义。这种高效偏振出光 的 led 在集成光子学、光电子器件和新型光显示技术等都有着广阔的应用前景。本论文主要对 gan 基 led 表面的亚波长金属光栅结构的理论设计和制作方法展开了研究，主要包括以下几方面：1利用等效介质理论分析了 gan 表面介质膜结构，通过对过渡介质层的优化，实现了对光传导的调控，改善了结构的光学性能。利用 fdtd 方法研究了 gan 基 led 表面嵌入式复合光栅结构，分析了光栅材料性质和结构尺寸，包括过渡介质层 和复合光栅的材料、过渡介质层薄膜厚度、复合光栅的周期、占空比和深度等等，说明了在 gan 基底和光栅层之间引入过渡介质层结构，可以增强蓝绿光波段 led的的偏振出光。2在 gan 基 led 的表面设计了两种新型的表面微纳偏光结构：（1）空气隙偏振型金属光栅结构，由于更多的能量被局域在空气隙内，近场耦合增强，使得更多 的 tm 光透过，该结构的偏振透射率达到 88%，消光比为 37db，匹配波段几乎覆盖 整个可见光范围，且光栅周期设计达到 200nm；（2）纳米颗粒阵列的亚波长金属光 栅结构，绿光波段透射率达到 84%，消光比为 26db，而且纳米颗粒阵列结构可以降 低凹槽填充的难度。3介绍了亚波长金属光栅结构的制备工艺，研究了光刻剥离工艺和全息-离子 束刻蚀工艺。采用紫外激光双光束干涉光刻技术和剥离工艺，初步研究制作了 330nm周期的复合光栅结构，扫描探测了所得光刻胶光栅掩膜的形貌，并对光栅结构进行了偏振性能测试。i关键词：gan 基 led；亚波长金属光栅；偏振；激光干涉光刻作者：邢贺指导老师：曹冰iipolarization transmission of surface nanostructure ongan-based ledabstractbeing integrated on the emitting surface of gan based led for increasing the lightextraction efficiency and enhancing the polarization transmission, the subwavelength metal grating has been developed rapidly in recent years. the multi-functional gan based led with polarized light emitting has potential applications in flat-panel display and optoelectronic devices which is in great demands in optoelectric industry, integrated photonic and the display technology.the characteristics and fabrication of gan-based led with integrated surface subwavelength structure are investigated in the paper. the main contents are as follows:1the gan multilayer structure is analyzed and optimized by using the equivalentmedium theory in order to control the light transmission and enhance the optical properties. then the fdtd method was used to study the gan-based led withembedded composite grating structure. the material properties and physical dimensionare investigated, including refractive index of the structural components, height of thetransition layer, the grating period, duty cycle and depth. it is found that both tmtransmission and the extinction ratio of the led output can be effectively enhanced by incorporating a dielectric transition layer between the composite grating and gan substrate in the blue and green band.2two kinds of polarized nanostructure are designed and optimized on led surface.(1)the air-gap polarization grating. as the energy localization within the air gap and theenhancement of the near field coupling, such a subwavelength metal grating allows most of the tm polarization through. the tm transmission is up to more than 88% and er is up to more than 37db in visible spectrum practically. the grating period can be designediiilarger than 200 nm. (2)the nano-particle array grating. this nanostructure enables simplefabrication, since the novel arrays can be directly coated on the surface of gan. er up to26db and a tm polarized transmittance of 84% are achieved in the green band.3the fabrization processes of the subwavelength metal grating have been introduced, including the lift-off technique based on traditional photolithography and the holographic ion beam etching process. using the lazer interference lithography and the lift-offtechnique, we preliminary fabricate a metal grating structure with a grating period of330nm. finally the morphology of grating mask and the polarization performance are measured.keyword: gan-based led;subwavelength metal grating; polarization; lithographywritten by: xing hesupervisedby:caobingiv目录中文摘要. i abstract. iii第一章 绪论 . 11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 led 偏振出光器件的研究现状 .31.2.1实现 led 偏振出光的主要途径 . 31.2.2亚波长金属光栅偏光器件 . 31.2.3亚波长金属光栅的透射增强效应 . 51.2.4亚波长金属光栅偏光器件的研究现状 . 61.2.5亚波长金属光栅的制备工艺 . 91.3 本论文的主要研究内容 .10第二章 金属表面微纳结构器件的理论研究 . 122.1 波在金属中的传播 .122.2 亚波长光栅结构的等效介质理论 .142.2.1 等效折射率和周期阈值 . 142.3.2 介质膜理论 . 172.4 时域有限差分（fdtd）方法简介.182.5 本章小结 .19第三章 gan 基 led 表面复合光栅偏光特性研究. 213.1 fdtd 模拟 gan 表面介质膜结构.213.2 gan 基 led 表面嵌入式复合光栅结构偏振出光特性.233.2.1 fdtd 模拟嵌入式复合光栅结构偏振出光简介 . 233.2.2 光栅结构参数对偏光特性的影响 . 253.3 本章小结 .31第四章 新型表面微纳偏光结构. 334.1 gan 基 led 表面空气隙金属光栅结构 .334.1.1空气隙偏振型金属光栅结构 . 334.1.2空气隙厚度对偏振特性的影响 . 344.1.3其他结构参数对偏光特性的影响 . 364.1.4小结 . 384.2 纳米颗粒阵列的亚波长金属光栅结构 .394.2.1纳米颗粒阵列简立方堆积的偏振出光 . 404.2.2光栅深度对纳米颗粒阵列结构偏振出光的影响. 424.2.3纳米颗粒阵列密堆积结构的偏振出光 . 434.3 本章小结 .46第五章 亚波长光栅结构的制备. 475.1 亚波长光栅结构的制备工艺 .475.1.1 激光干涉光刻技术 . 475.1.2 离子束溅射沉积和离子束刻蚀技术 . 495.2 亚波长光栅的实验制备 .505.3 测试与分析 .545.4 本章小结 .55 第六章 总结和展望 . 56 参考文献. 58 攻读硕士学位期间公开发表的论文 . 64致谢 . 65第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义氮化镓（gan）是近二十多年迅速发展起来的第三代半导体材料1-4，其研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点。它具有强的原子键、高的热导率、 好的化学稳定性、强的抗辐照能力和宽的直接带隙，在光电子、高温大功率器件 和高频微波器件等方面有着广阔的应用前景。族氮化物材料是一种理想的短波 长发光器件材料，gan 高亮度蓝绿光 led 技术5,6已经实现商品化，现在世界各 大公司和研究机构都纷纷投入巨资加入到开发蓝光 led 的竞争行列。在族氮化物材料和器件的研究与开发工作上，偏振出光 led7-9是一个很有应用前景的研究方向，具有重要的研究意义和潜在的应用价值。比 如 ， 在液 晶 背 光 源 （lcd）上 ， 如 果 led 芯 片 本 身 就 能 实 现 偏 振 出 光 的 话 ， 将带 来 很 多 设 备 、 体 积 、 耗 资 上 的 节 省 。液晶显示（lcd）技术10-13离不开偏振光，然而目前的商业化背光源解决方 案都是在自然光的基础上通过偏振片设计来实现的，典型的 lcd 结构（如图 1.1 所示）从上到下依次包含上偏振片、彩色滤光片、液晶层、下偏振片和背光源， 光源从 led 发射至反射板、导光板，直到最后液晶显示输出的整个过程，光能的 利用率很低，严重影响了 lcd 的功耗和成本。制备出高效偏振 led 器件，并以 此作为背光源，对于提高 lcd 性能、降低功耗、节省成本是非常有用的。其优点 在于：（1）led 芯片本身就是高效偏振发光的独立功能器件，可舍弃目前背光源 模组中的下偏振片和增亮片部分，从能源角度看可极大的降低 lcd 的功耗；（2）上述传统 lcd 的复杂结构可大大简化，体积和材料上的耗费都会大大节省。1图 1.1 传统液晶显示面板的偏振出光示意图以发展角度来看，将纳米偏振光学结构与 gan 基 led 芯片集成，使 led 直接偏振出光，具有极大的实际应用价值。亚波长金属光栅结构是近年来迅速发展起来 的偏振出光的纳米结构之一。亚波长光栅结构和半导体发光芯片集成一体，通过led 结构和发光端面光栅结合产生协同作用，以获得高偏振出光，其光学功能和其它功能可集成在同一流程中完成，其制造工艺可以方便地在现有半导体生产工艺的 基础上加以拓展。发展具有优异偏光性能的亚波长光栅结构的 gan 基 led 半导体 发光器件14-18，引起了越来越多研究人员的关注，在集成光子学、光电子器件和新 型光显示技术19-22等方向都有着广阔的应用前景。随着纳米加工手段的出现和微细加工技术的出现，亚波长金属光栅结构的研究 波段已经从红外扩展到 gan 基 led 的发光波段（450nm-550nm）。典型的亚波长金 属光栅结构具有 100-400nm 的线度周期，通过调整光栅的周期、深度和占空比等， 可以调控光波的透过性，实现偏振出光。本论文旨在研究 gan 基 led 表面亚波长 光栅结构的偏光特性，通过在 led 芯片表面设计优化不同的微纳光栅结构，提高 led 的 tm 模透射率及偏振消光率。在制造工艺上，探索可大面积快速图形光刻的紫外激光干涉光刻技术，应用于 led 的表面结构制备。21.2 led 偏振出光器件的研究现状1.2.1 实现 led 偏振出光的主要途径当前，实现 gan 基 led 偏振出光主要有三种途径。（1）在材料体系中掺入 mn等元素形成稀磁半导体。这种方法的难点在于：mn 比较难于掺入，掺入后材料还 易于变成 p 型，另外自旋注入的困难还比较大；（2）在非极性和半极性衬底上外延 生长 gan 基 led，其发光本身具有很强的偏振性，但是目前由于此类 led 通常生长在异质衬底上以及非极性膜固有的面内各向异性生长特性，导致外延层中存在的高密度的层错和位错限制了器件性能；（3）在 gan 基 led 芯片表面集成制备纳米光学结构7-9,14-18，如表面亚波长金属光栅结构，通过对纳米结构的优化设计及制备， 达到 led 芯片偏振出光的目的。本论文主要讨论在 gan 基 led 芯片表面集成制备 纳米结构实现偏振出光。为实现偏振出光，在 led 表面集成制备的纳米光学结构主要有光子晶体结构和亚波长金属光栅结构，其中亚波长金属光栅结构是一种常用的纳米结构。我们知道 当光学特征尺寸进一步减小到小于工作光波长时，传统的衍射特性就发生了根本改变，这种光学结构称为亚波长结构。从实际发展来讲，亚波长光学器件只产生零级衍射，避免了光能在其他级次的损失，通过选择合适的材料，精确的结构优化设计，可以获得对光的精确控制。而且在 led 芯片表面制备亚波长金属光栅结构具有大面积工业制造、降低成本的前景和优势，特别是近年来微纳加工手段的巨大进步为此提供了前提条件。从应用前景来讲，基于亚波长光栅的纳米光学器件，光栅周期小于入射光波长，光与光栅作用呈现出导膜共振和表面等离子共振等光学效应，具有传统光学器件难以实现的特性，有巨大的应用价值。本论文主要研究 gan 基 led表面的亚波长金属光栅结构实现偏振出光。1.2.2 亚波长金属光栅偏光器件亚波长金属光栅具有显著的偏振特性即所谓的双折射效应23：对于电场矢量方向垂直于栅条的 tm 模，光栅可近似等效为电介质，具有高透射性；对于电场方向3平行于栅条的 te 模，相当于金属膜，具有高反射性。亚波长金属光栅的偏振特性和有效波段可以通过改变光栅参数实现有效的调控，其结构紧凑、易集成，可以减 少光路原件，增加光学系统设计的灵活性，具有改进和取代传统光学器件的潜力。现在亚波长金属光栅已被广泛应用于传感器、亚波长波导、滤波片、光探测器和偏振分束器等领域。如图 1.2 所示为亚波长金属光栅的偏振原理示意图，当光与亚波长金属光栅相互作用时，金属表面电子在入射光作用下沿光栅栅条方向自由振荡，但在垂直于栅条方向上受到限制，因而对入射光表现出较强的偏振特性。图 1.2 亚波长金属光栅的偏振原理示意图对于亚波长光栅结构的偏振出光，有两个重要的特性需要被优化设计，分别是tm 模的透过率和消光比。消光比(er)是评价偏振特性的参数，定义为er = 10log(ttmtte)(1-1)其中 ttm 表示 tm 模的光强透过率，tte 表示 te 模的光强透过率，er 的单位为分贝（db）。对于 gan 基 led，在实现 tm 模的高透过性的同时，最大程度的抑制 te模的通过，是实现高偏振输出的关键。如图 1.3（a）所示为表面亚波长金属光栅的 gan 基 led 结构图，表面亚波长金属光栅结构设置在 gan 的 p 型层上。led 量子阱激发出蓝绿波长的光穿透 p 型层入射到表面亚波长金属光栅结构，通过亚波长光栅的耦合调制，在增强 tm 模的透射性的同时抑制了 te 模的传播，从而实现了 led 的偏振光输出。4图 1.3 （a）gan 基 led 表面金属光栅结构；（b）亚波长金属光栅结构如图 1.3（b）所示，对于传统的亚波长金属光栅结构，几个主要结构参量深刻影响 led 表面的偏振特性，分别是光栅周期 d，占空比 f（f=a/d）和光栅深度 h。 光栅周期 d 决定了金属光栅产生偏振的最小有效波长；占空比 f 是金属线宽 a 与光 栅周期 d 的比值，通过调节占空比，可以调控偏振器的 tm 透过率和消光比，占空 比越大，透过率往往随之变小，而消光比会随之变大；金属光栅深度 h 对消光比影 响明显，随着光栅深度越大，金属对 te 模的吸收越大，消光比往往会随之增大。第二、三章将会对这些参数进行具体的分析。1.2.3 亚波长金属光栅的透射增强效应1998 年，ebbesen24等在实验中发现，当入射光波的波长为某些特定的数值时，透过具有周期性排列的亚波长小孔金属薄膜的光场能量要远远高于采用经典衍射理 论的计算值。随后，schroter25等运用散射矩阵法给出了光透过一维金属光栅的数值 解，证明了金属光栅同样也存在这种透射增强效应，由此引发了广大研究者对这种 透射增强现象的物理机理的讨论26-29。一些学者认为亚波长金属光栅结构中的表面等离子激元的激发和耦合是引起这 种透射增强现象的主要原因30-32。表面等离子激元是金属表面的自由电子随入射光 子同频率集体振荡产生的一种表面束缚的电磁波它是存在于金属表面的一种非辐射局域模式。当入射光照射到具有周期性排列的亚波长金属光栅表面时会发生衍射和散射，并在金属面内产生倏逝场。经过入射端面表面等离子激元近场增强效应，倏5逝场的场强得到有效放大，并沿着光栅凹槽传输到出射端面，在出射端面，场强再一次由于表面等离子激元近场增强效应而得到放大，并产生了远场增强效应，最终出现了超强透射现象。另一些学者则将周期性狭缝阵列结构中的透射增强现象归因 于类 fabryprot（f-p）谐振效应33产生的腔模共振。亚波长金属光栅狭缝类似于 f-p 腔的结构，当光波通过光栅狭缝时，相当于通过一个 f-p 腔。当光栅厚度一定 时，只有特定波长的入射光的干涉满足匹配条件，在对应的波长位置形成透射增强峰，且因为多缝干涉效应的影响，使得不同的透射增强峰的峰值大小也不相同。亚波长金属光栅透射增强效应对于本论文的研究工作具有非常重要的指导意义。2005 年 crouse34就在文献中指出，通过调整一维亚波长金属光栅的结构参数，特别 是沟槽的宽度，以及栅条间填充介质，可以得到与偏振相关的透射增强效应，实现tm 光的透射增强，从而可设计出金属光栅偏振器和滤波器等。1.2.4 亚波长金属光栅偏光器件的研究现状19 世纪末 hertz 用光栅测试无线电波，发现了金属线栅具有偏振效应。20 世纪下半叶，随着严格耦合波理论（rcwa）以及时域有限差分法（fdtd）的快速发展， 实现了对亚波长结构的精确计算，亚波长金属偏光器件得到了快速发展。20 世纪 80 年代 nevdakh35等研究了全息相位偏振光栅的衍射效率与偏振态之间的关系。其后， finet36等对矩形和正弦形亚波长光栅的偏振特性及衍射效率进行了研究。1999 年 gori37等研究出正弦形亚波长偏振光栅可以用于光波的斯托克斯参量的测量。近几年，研究人员逐步将研究重点转向偏振光栅的设计、制作与应用等方面。2002 年 bomzon38等得出了通过偏振光栅分析光束的斯托克斯参量可实时分析光束 的偏振态的结论，并利用计算全息光刻方法制作了金属和介质偏振光栅。2004 年 lajunen39等研究了基于亚波长偏振光栅宽波带的衍射元件，发现偏振光栅的衍射效 率可接近 100%。2005 年 dahan40等利用偏振光栅实现了热像编码，进一步拓展了 偏振光栅的应用领域。2005 年 seh-wonahn41等利用纳米压印技术制作了周期为100nm 占空比 0.5 的金属线栅，在入射光为 450nm 波长时透过率为 85%以上，消光比大于 2000。2006 年 wang16等发展了可见光波段的纳米结构偏振器件，设计了周6期/金属线宽/金属线高分别为 146/30/100nm 的铝线双面结构，采用紫外纳米压印技术，实现了可见光波段 87%的透过率和 40db 的偏振效果。2008 年 vengurleka42等 研究了刻在 sio2 基底上的亚波长结构的金属（au）深光栅器件的光学特性，针对 器件的不同参数，研究了金属光栅对光传输过程中不同物理机理的影响。我国的科研人员在亚波长金属光栅偏振方面也取得了优异的成果。2003 年陈四 海43等将等效介质理论拓广到二维亚波长结构，分析了一种红外光波段下特定的矩 形柱状结构的透射特性。2006 年武汉大学的张亮44等利用纳米压印和反应离子刻蚀 等技术手段制作了光栅周期为 150nm，光栅深度约 200nm，占空比为 0.5 的铝金属 光栅，在红外波段，tm 模透过率接近 90%，te 模几乎被全部反射。2007 年大连 理工大学的孟凡涛45等设计了一种适用于紫蓝光波段的双层金属偏振光栅，其特征 是在基底和金属光栅之间增加了 mgf2 薄膜，光栅周期为 200nm，光栅占空比为 0.5， 金属铝层的厚度为 160nm，刻蚀的氟化镁薄膜的厚度为 15nm。在垂直光入射下， 光栅的 tm 透射率大于 61.5%，偏振度大于 370。2009 年赵华君46等设计了工作波 长为 650nm 的亚波长金属偏振分束光栅，周期为 100nm，占空比 0.32，槽深 133nm， 在 470nm 到 800nm 的入射波长范围内，tm 透射率与 te 反射率分别大于 90.28%和85.75%，tm 反射率与 te 透射率分别小于 0.86%和 0.065%，反射光与透射光消光 比分别大于 20db 和 32db。2009 年清华大学的康果果47等设计制作了周期 200nm， 高度 100nm，占空比 0.5 的铝光栅，如图 1.4 所示，设计结果表明在中红外（3-5m） 和远红外（8-12m）双波段范围内，以及20的视场范围内能够提供大于 35db 的消光比，并利用电子束曝光、反应离子束刻蚀和干法去胶等微细加工技术，制作了金属铝光栅样品。7图 1.4 清华大学康果果制作的金属铝栅：（a）实物图；（b）局部电镜扫描图随着理论分析和相关实验工作的进展，科学家们提出了将微纳光子结构直接写入或集成到具有出光特性的半导体发光芯片表面上，赋予光子器件直接偏振出光特性的构想。2006 年戴维48等提出了一种具有优化的光子晶体提取器的高效 led， 衍射光栅被应用在 led 表面以提高 led 的出光效率。随后 lai7和 l. zhang8等分 别提出了在蓝光 led 芯片表面集成制备微纳米量级的光子晶体或微纳光栅结构以 实现偏振出光，所报道的最高偏振比为 7:1。虽然在蓝绿光波段 led 芯片表面集成 制备亚微米量级的光子晶体或金属光栅以实现 led 偏振出光的相关工作已逐步展开，但是结果仍是初步性的，还有大量的工作需要开展。和国外相比，我国在 gan 基 led 芯片表面微纳结构的研究方面也开展了不少工作，如苏州大学、中科院苏州纳米所、北京大学、南京大学、北京半导体所等单位，但是迄今为止这些工作都比较侧重利用表面微纳结构来提高 led 的出光效率，而对于采用表面微纳结构实现 led 芯片偏振出光特性等功能调控方面则较少关注。2009 年苏州大学的张桂菊49等（图 1.5）设计优化了金属-介质复合微纳米光栅结构 表面的直接偏振出光 gan 基 led，实现了高透过率和高消光比，突破了传统亚波长光栅结构中高透过率和高消光比不可能同时获得的矛盾。8图 1.5 苏州大学张桂菊提出的 gan 基 led 表面的复合微纳米光栅结构：（a）type-i：传统亚波长金属光栅结构；（b）type-ii：金属-介质复合纳米光栅结构；（c）type-iii：金属光栅和介质光栅复合结构1.2.5 亚波长金属光栅的制备工艺亚波长光栅广阔的应用前景吸引了不少研究人员对其制备技术进行研究，在制备技术的研究中，光刻技术是工艺流程的关键点。光刻技术作为一种精密的微细加工技术，主要技术有 x 射线光刻50、电子束光刻51,52、纳米压印技术53,54、激光干涉光刻55,56和离子束刻蚀技术等。当前，随着工艺手段日趋成熟，光刻技术传递图形的尺寸限度从毫米级缩小到了亚微米级，使用波长已从 4000 埃扩展到 0.1 埃数量级范围。但是制作百纳米级亚波长光栅结构依然面临着很大困难，比如幅面偏小，成本偏高，工艺的可控性不够，缺少便捷批量生产手段。x 射线光刻是一种接近式光刻，采用软 x 射线波段光源，波长很短，所以可获 得极高的分辨率。x 射线光刻的焦深容易控制，对于 130nm 的光刻分辨率，其焦深 也可达 7m，x 射线曝光的视场也远大于传统的光学光刻。不过，x 射线光刻也有 一些关键技术问题尚需解决，如 x 射线聚焦、掩模制作和 x 射线点光源等。电子束光刻是利用电子枪所产生的电子束流，通过磁场聚焦、扫描、控制，轰击在光刻胶表面，形成图形。电子束光刻是纳米级加工技术的主要手段，主要的应用是纳米器件精细加工和制作光学光刻中使用的掩模版。电子束光刻不宜做大面积的光刻实验，对环境要求较高，对基片的导电性也有一定的要求。纳米压印技术可以大批量重复性大面积制备纳米图案结构。其一般工艺流程是：在基片上涂覆聚合物层，采用某种方式如加热使聚合物层软化，将带有纳米图案的9刚性压模压印在基片上，再将温度降低到聚合物凝固点附近时把压模和基片分离，压模上的图形就转移到了聚合物层上，最后就可以对基片进行常规的镀膜、刻蚀、剥离等工艺，最终制成纳米结构的器件。在半导体制造领域，纳米压印技术能够做到低成本量化生产，但是需要为其特别制作纳米模板。我们知道两束相干光束相遇后会形成干涉条纹，光波的波峰相遇则为亮条纹，光波的波谷相遇则为暗条纹。研究人员可以利用这一原理进行光刻，在百纳米波长级别的光源干涉下，制备出更小图形，最小刻度间于 /2 与 之间。一般选用激光 作为光源，故称为激光干涉光刻。激光干涉光刻在制备周期性纳米结构偏振片和光 学图像方面，成本低，快捷方便，近几年得到了快速的发展，是极有希望从纳米制造通向纳米量产的重要技术。离子束刻蚀技术是以离子束流轰击以实现刻蚀目的，其分辨率受制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可以获得最小线宽 12nm 的加工结果。离子轰击到固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行刻蚀，但是容易造成结构的损伤，且加工精度还不易控制。本论文采用了激光双光束干涉光刻和光刻剥离的方式来制作金属光栅。首先在衬底通过表面激光双光束干涉制备光刻胶光栅掩膜，然后用离子束沉积技术在光刻胶结构上镀金属材料，填充光栅凹槽，最后用化学溶剂溶去除光刻胶结构，得到亚波长金属光栅形貌。1.3 本论文的主要研究内容当前，表面纳米结构集成的 led 偏振出光器件研究处于发展阶段，纳米图样和材料性质对 led 偏振光学输出的影响和机理研究还缺乏深入和系统的工作，传统亚 波长结光栅构制作的难度较大，对工艺控制要求非常严格，影响其产业化应用。本论文介绍了亚波长金属光栅结构的偏振原理和计算方法，主要是等效介质理论23,46和时域有限差分（fdtd）方法57，通过等效介质理论定性分析了金属光栅 的偏振特性，通过 fdtd 方法对亚波长结构进行数值模拟。本论文分析了 gan 表面介质膜结构，研究了 gan 基 led 的表面嵌入式复合光10栅结构，采用时域有限差分（fdtd）方法模拟了相关微结构的光学特性，分析了复合光栅的材料选择、光栅周期、占空比、光栅深度和过渡层厚度等参量对金属光 栅的 tm 透过率和消光比的影响，并优化设计了一种性能增强型嵌入式复合光栅的 gan 基 led，实现了在蓝绿光波段 led 的高偏振输出。本论文提出两种新型的微纳偏振结构，其一，在 gan 的 p 型层和表面金属光栅 之间加入空气层结构，增强了偏光特性，拓宽了光栅周期；第二，用纳米颗粒阵列 结构代替传统线光栅，降低了工艺流程的难度。本文采用 fdtd 方法分析了上述两 种结构的相关参量，并分别获得了一种最优化结构。在实验工作上，初步尝试采用了激光双光束干涉和光刻剥离工艺。利用 325nm紫外激光干涉光刻系统，在衬底上制备了周期为 330nm、线宽为 150nm 的复合光栅 结构，并测试了光栅结构的偏振性能。11第二章 金属表面微纳结构器件的理论研究对于金属表面微纳结构器件的理论研究一般可以通过三种方法来实现。第一种是利用严格耦合波分析(rcwa)。rcwa 可以给出精确的结果，但是对于周期、占 空比变化的光栅等复杂光学元件，其求解比较繁琐。第二种方法是时域有限差分（fdtd）方法。用该方法分析问题的时候要考虑研究光栅材料和几何结构，其优 点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用比较多的数值模拟的方法之 一。第三种方法是等效介质理论。在等效介质理论中，亚波长光栅类似于各向异性 的晶体，通过介质等效，得到亚波长光栅的透射系数与反射系数，即可用介质膜理 论58或者干涉原理对亚波长结构器件进行理论分析和设计。通过这种方法使整个模 型形象化，简化了计算过程，较好的解释了 gan 基 led 表面的亚波长金属光栅结 构偏振出光现象。本论文主要介绍等效介质理论和 fdtd 方法，通过等效介质理论定性分析了金属光栅的偏振特性，通过 fdtd 方法对亚波长结构进行数值模拟。2.1 波在金属中的传播在时谐电场的影响下，导体中的自由电子形成传导电流产生焦耳热，使电磁场能量损耗。设导体内部自由电荷密度为，电导率为，在激发电场 e 的作用下，导 体内引起传导电流 j，由麦克斯韦方程和欧姆定律有ve e = r(2-1)vvj = se(2-2)根据电荷守恒定律，有rv(2-3)+ j = 0t综上所述，解得-s tr (t ) = r0 ee(2-4)其中，0为初始时刻的电荷密度。所以，一般情况，金属导体内部没有自由电荷分布，电荷只能分布于导体表面.12对于，导体内部 = 0，j = e，金属媒介电场的亥姆霍兹方程为2 e + k 2e = 0(2-5)式中，2k 2 = ( + i 4)(2-6)c2 = + i 4(2-7)介电常数为，磁导率为，电导率为 ，k为在金属中传播的波失，是金属的复介电常数。如果再引入一个复折射率n ，定义为n = c k(2-8)保持折射率表达形式上的一致性，令n = n(1 + i)n和是实量，叫做衰减指数。我们可以把导体的单色平面波解写为(2-9)e = e0exp(r s )expi(kr s t)(2-10)指数因子er s 表示电磁波振幅随着距离的增加而衰减，其振幅降为原来的1e的传播距离称为趋肤深度 d0d =(2-11)4 4n式中为煤质中的波长，0是