利用光子晶体与一维光栅结构提高GaN基LED光取出效率的研究

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LED（Light-emitting diodes），即发光二极管，是一种基于p-n结电致发光原理制成的半导体发光器件。相较于传统的照明光源，LED具有发光效率高、使用寿命长、节能环保、体积小质量轻、可靠性能高等优点，被誉为21世纪绿色照明光源。随着大功率 LED流明效率不断提高、成本不断下降，大功率 LED在通用照明与特种照明领域得到了越来越广泛的应用，如LED路灯、LED背光、LED汽车前照灯等等。受全反射限制，传统 LED芯片的光取出效率较低，而提高 LED光取出效率和改善其散热性能是实现功率型LED必须克服的技术瓶颈。本论文的研究工作围绕着“提高 LED光取出效率”而展开，主要进行了基于光子晶体禁带特性提高 LED光取出效率的研究以及利用一维表面光栅结构提高出光面为平面的倒装LED芯片光取出效率的研究，通过在倒装LED芯片的出光面添加一维光栅结构还可以极大的减弱p-GaN层厚度变化对其光取出效率影响。本论文采用时域有限差分方法对所设计的LED芯片结构进行仿真。除此之外，由于光子带隙是光子晶体最主要光学特性，一般而言，光子带隙越宽，光子晶体器件的性能越稳定。因此，我们的工作有一部分是关于宽的完全带隙光子晶体的设计和研究，也在这一方面取得了一定的研究结果。本论文的研究成果如下：
　　（1）采用平面波展开法，系统研究了空气环型二维光子晶体完全带隙随结构参数（包括：介质折射率、空气孔归一化内径和空气孔归一化外径）变化而变化的规律情况，并将其与普通的空气孔型与介质柱型二维光子晶体完全带隙特性进行了比较。研究表明：相较与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体，空气环型二维光子晶体可以获得更宽的完全带隙，而且可以获得介质柱型和空气孔型光子晶体在低折射率条件下无法获得的完全带隙。
　　（2）系统研究了三角晶格与正方晶格空气孔型GaN二维光子晶体平板类TE模带隙随光子晶体平板结构参数（包括：平板厚度以及空气孔归一化半径）变化而变化的规律情况，基于此计算可以对GaN光子晶体平板结构参数进行优化以获得较宽的类TE模带隙；然后利用三维时域有限差分方法计算了GaN二维光子晶体平板LED 光取出效率，数值计算结果证实了落入光子带隙内的光的导模自发辐射受到抑制，能量以辐射模形式出射，从而使得LED光取出效率得到极大提高。上述研究为高光取出效率的GaN二维光子晶体平板LED的设计提供了理论参考。
　　（3）采用倒装LED芯片技术可以有效的解决LED芯片的散热问题同时也可以提高 LED光取出效率，但是对于出光面为平面的倒装 LED芯片而言，其光取出效率仍受全内反射限制，同时p-GaN层厚度变化对其光取出效率影响较大，实际制备时需要较严格控制p-GaN层厚度以获得高光取出效率。为进一步提高出光面为平面的倒装LED芯片光取出效率，并减弱p-GaN层厚度变化对倒装LED芯片光取出效率的影响，提出了在倒装LED芯片的出光面即n-GaN层刻蚀形成一维光栅结构的设计方案。并采用时域有限差分法首先计算了出光面为平面的传统正装和倒装LED芯片的光取出效率随芯片结构参数变化而变化的规律情况；然后系统研究了在出光面添加了光栅结构的倒装 LED芯片，当光栅截面分别为正三角形和半圆形时 LED光取出效率随光栅结构参数以及LED结构参数变化而变化的规律情况。研究表明，对于出光面为平面的倒装LED芯片结构，其光取出效率随发光层与金属反射层之间的距离（即：p-GaN层的厚度）呈较剧烈的周期性振荡，p-GaN层厚度的微量变化会极大的影响其光取出效率的大小，因而在实际倒装LED芯片的制备过程中为取得较高的光取出效率需要严格的控制p-GaN层的实际厚度。而通过在倒装LED芯片的出光面添加一维光栅结构，不仅可以有效的提高LED光取出效率，同时可以极大的降低p-GaN层厚度的变化对芯片光取出效率大小的影响。上述研究为在利用光栅结构提高倒装LED芯片光取出效率时光栅结构参数的优化提供了参考。

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作者
刘会;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科光学工程
授予学位博士
导师姓名高义华;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TN312.8;
关键词
钙氮基发光二极管; 光取出效率; 光子晶体; 一维光栅结构;

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