利用光子晶體與一維光柵結(jié)構(gòu)提高GaN基LED光取出效率的研究.pdf

1、LED（Light-emitting diodes），即發(fā)光二極管，是一種基于p-n結(jié)電致發(fā)光原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件。相較于傳統(tǒng)的照明光源，LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、體積小質(zhì)量輕、可靠性能高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色照明光源。隨著大功率 LED流明效率不斷提高、成本不斷下降，大功率 LED在通用照明與特種照明領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如LED路燈、LED背光、LED汽車前照燈等等。受全反射限制，傳統(tǒng) LED芯片的光

2、取出效率較低，而提高 LED光取出效率和改善其散熱性能是實(shí)現(xiàn)功率型LED必須克服的技術(shù)瓶頸。本論文的研究工作圍繞著“提高 LED光取出效率”而展開，主要進(jìn)行了基于光子晶體禁帶特性提高 LED光取出效率的研究以及利用一維表面光柵結(jié)構(gòu)提高出光面為平面的倒裝LED芯片光取出效率的研究，通過在倒裝LED芯片的出光面添加一維光柵結(jié)構(gòu)還可以極大的減弱p-GaN層厚度變化對(duì)其光取出效率影響。本論文采用時(shí)域有限差分方法對(duì)所設(shè)計(jì)的LED芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

3、除此之外，由于光子帶隙是光子晶體最主要光學(xué)特性，一般而言，光子帶隙越寬，光子晶體器件的性能越穩(wěn)定。因此，我們的工作有一部分是關(guān)于寬的完全帶隙光子晶體的設(shè)計(jì)和研究，也在這一方面取得了一定的研究結(jié)果。本論文的研究成果如下：
　?。?）采用平面波展開法，系統(tǒng)研究了空氣環(huán)型二維光子晶體完全帶隙隨結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括：介質(zhì)折射率、空氣孔歸一化內(nèi)徑和空氣孔歸一化外徑）變化而變化的規(guī)律情況，并將其與普通的空氣孔型與介質(zhì)柱型二維光子晶體完全帶隙特性進(jìn)行

4、了比較。研究表明：相較與普通的空氣孔型和介質(zhì)柱型二維光子晶體，空氣環(huán)型二維光子晶體可以獲得更寬的完全帶隙，而且可以獲得介質(zhì)柱型和空氣孔型光子晶體在低折射率條件下無法獲得的完全帶隙。
　?。?）系統(tǒng)研究了三角晶格與正方晶格空氣孔型GaN二維光子晶體平板類TE模帶隙隨光子晶體平板結(jié)構(gòu)參數(shù)（包括：平板厚度以及空氣孔歸一化半徑）變化而變化的規(guī)律情況，基于此計(jì)算可以對(duì)GaN光子晶體平板結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以獲得較寬的類TE模帶隙；然后利用三維時(shí)

5、域有限差分方法計(jì)算了GaN二維光子晶體平板LED 光取出效率，數(shù)值計(jì)算結(jié)果證實(shí)了落入光子帶隙內(nèi)的光的導(dǎo)模自發(fā)輻射受到抑制，能量以輻射模形式出射，從而使得LED光取出效率得到極大提高。上述研究為高光取出效率的GaN二維光子晶體平板LED的設(shè)計(jì)提供了理論參考。
　?。?）采用倒裝LED芯片技術(shù)可以有效的解決LED芯片的散熱問題同時(shí)也可以提高 LED光取出效率，但是對(duì)于出光面為平面的倒裝 LED芯片而言，其光取出效率仍受全內(nèi)反

6、射限制，同時(shí)p-GaN層厚度變化對(duì)其光取出效率影響較大，實(shí)際制備時(shí)需要較嚴(yán)格控制p-GaN層厚度以獲得高光取出效率。為進(jìn)一步提高出光面為平面的倒裝LED芯片光取出效率，并減弱p-GaN層厚度變化對(duì)倒裝LED芯片光取出效率的影響，提出了在倒裝LED芯片的出光面即n-GaN層刻蝕形成一維光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。并采用時(shí)域有限差分法首先計(jì)算了出光面為平面的傳統(tǒng)正裝和倒裝LED芯片的光取出效率隨芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化的規(guī)律情況；然后系統(tǒng)研究了在出光

7、面添加了光柵結(jié)構(gòu)的倒裝 LED芯片，當(dāng)光柵截面分別為正三角形和半圓形時(shí) LED光取出效率隨光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及LED結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化的規(guī)律情況。研究表明，對(duì)于出光面為平面的倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)，其光取出效率隨發(fā)光層與金屬反射層之間的距離（即：p-GaN層的厚度）呈較劇烈的周期性振蕩，p-GaN層厚度的微量變化會(huì)極大的影響其光取出效率的大小，因而在實(shí)際倒裝LED芯片的制備過程中為取得較高的光取出效率需要嚴(yán)格的控制p-GaN層的實(shí)際厚度。而通過