利用表面等离子体增强发光二极管发光效率的研究进展

表面等离子体(Surface plasmons,SPs)是近年来国际上研究的一个热点. SPs具有空间局域性,局域场增强等特点,可以用来增强发光二极管(Light-emitting diode,LED)的发光效率.利用表面等离子体场局域性质,在共振时SPs有很高的态密度,这能够影响发光中心的辐射速率,提高发光中心的内量子效率;并且可以制作合适的结构,控制光的出射方向,提高发光二极管的提取效率.近年很多研究小组研究了SPs增强发光效率的物理机理,并得到一些很好的结果,本文对现阶段的研究进展进行综述.     

等离子体填充二维金属光子晶体色散特性研究

 提出了等离子体填充的二维金属光子晶体模型,采用时域有限差分法研究了等离子体填充的二维正方晶格和三角晶格金属光子晶体的色散和带隙特性.对比分析了两种结构中等离子体密度对TM及TE模式传播特性的影响规律.研究发现,由于背景等离子体的引入,二维金属光子晶体的色散曲线明显往高频方向移动,等离子体密度的改变可同时控制TE和TM模的带隙位置和禁带宽度.这些特性使得二维等离子体金属光子晶体在设计可调谐光子晶体器件方面具有潜在的应用价值.     

掩埋光子晶体加强LED出光效率的理论研究

作者采用有限时域差分法计算研究了掩埋光子晶体对发光二极管的出光功率的加强作用。作者计算比较了不同掩埋光子晶体的晶格种类、多层掩埋光子晶体、掩埋光子晶体与发光层的不同距离的发光二极管的正面光输出功率。计算表明掩埋一维光子晶体可发挥与掩埋二维光子晶体相同的作用。同时,作者提出了一种多层掩埋光子晶体结构可以进一步提高加强发光二极管的正面光输出。而同时使用表面光子晶体和掩埋光子晶体的结构使正面光输出达到一般发光二极管的五倍。     

光子晶体GaN LED与量子点的共振能量转移

正设计并研制了光子晶体结构GaN LED,实现了光子晶体GaN LED提取效率的提高及其到胶体量子点的共振能量转移,能量转移效率达到79.50%。设计了光子晶体GaN LED器件结构,利用光刻、感应耦合等离子体刻蚀等工艺研制了光子晶体GaN LED器件,制作的光子晶体区域边缘光滑,满足实验的要求。采用积分球收集LED发光来测试LED的P-I-V曲线,测试了在p-GaN上刻蚀光子晶体的LED在不同电流下输出功率与晶格常数、占空比的关系。研究发现:50 mA驱动电流下,晶格常数为14μm、半径与晶格常数比为0.25的光子晶体GaN LED输出功率比无光子晶体GaN LED提高21%以上。该研究对实现高效率胶体量子点电注入发光器件具有借鉴价值。     

提高LED外量子效率

提高发光二极管的发光效率是当前的一个研究热点.简要介绍了从芯片技术角度提高发光二极管(IED)外量子效率的几种途径,生长分布布拉格反射层结构、制作透明衬底、衬底剥离技术、倒装芯片技术、表面粗化技术、异形芯片技术、采用光子晶体结构等.此外还介绍了发光材料、能带结构以及工艺对外量子效率的影响.     

利用金属光栅提高LED发光效率的研究

为了提高发光二极管(LED)的发光效率,在LED出光面放置金属光栅,采用时域有限差分法进行了理论分析和模拟计算.结果表明,对光栅优化后,金属光栅对波长460nm的透射率接近1,可提高LED的光提取效率;在此波长下,可同时激发局域表面等离激元和表面等离极化激元,有助于提高LED内量子效率;且具有金属光栅结构的LED的发光...     

利用二维光子结晶结构提高LED发光效率

日本京都大学和科学技术振兴机构(JST)组成的联合研究小组最近宣布，在发光元件结构中使用二维光子结晶结构可提高发光二极管(LED)的发光效率。与没有光子结晶结构相比，将发光元件内部发出的光线照射到LED发光面法线方向的效率(光导效率)达到了4～5倍。过去，由LED内部发出的光线大多沿发光面方向照射，因为没有出口，就会发热。     

利用大周期光子晶体结构增强InAs/GaAs量子点的激发态发光

在该研究中,通过激光全息和湿法腐蚀的方法在InAs/GaAs量子点材料上制备光子晶体,研究了由激光二极管激发制备了光子晶体的InAs / GaAs量子点材料的光致发光光谱.发现具有光子晶体的量子点材料的光谱显示出多峰结构,光子晶体对短波长部分的发光增强和调制比对长波长部分的增强和调制更明显.InAs / GaAs量子点的光致发光光谱通过刻蚀形成的光子晶体结构得到了调控,并且量子点的激发态发光得到了明显增强.     

利用大周期光子晶体结构增强InAs/GaAs量子点的激发态发光（英文）

在该研究中,通过激光全息和湿法腐蚀的方法在InAs/GaAs量子点材料上制备光子晶体,研究了由激光二极管激发制备了光子晶体的InAs/GaAs量子点材料的光致发光光谱.发现具有光子晶体的量子点材料的光谱显示出多峰结构,光子晶体对短波长部分的发光增强和调制比对长波长部分的增强和调制更明显.InAs/GaAs量子点的光致发光光谱通过刻蚀形成的光子晶体结构得到了调控,并且量子点的激发态发光得到了明显增强.     

PbS量子点电致发光器件中的光子晶体结构设计

将PbS量子点电致发光器件的发光层引入二维光子晶体结构,利用光子晶体的光子带隙效应提高器件的发光效率。采用平面波展开法计算了以空气为背景,由圆形或方形介质柱所构成的不同晶格排列的光子晶格的能带图,获得光子晶体结构参数对完全带隙的影响规律。结果显示:采用方形介质柱以蜂窝方式排列的光子晶体在填充率f=0.283时具有较宽的完全带隙△ω=0.134 6(2πc/a)。利用有限元法模拟了晶格常数a=476 nm,方形介质柱边长l=167 nm时,波长为1 124 nm的光在该光子晶体中传播的光场分布图。计算得到具有该光子晶体结构的PbS量子点电致发光器件的发光效率可达57.9%。     

GaN基发光二极管外量子效率研究进展

近年来,GaN基发光二极管发展迅猛,但其发光效率一直是制约LED在照明领域广泛应用的主要瓶颈。本文简要介绍了提高发光二极管外量子效率的几种途径：生长分布布喇格反射层（DBR）结构,表面粗化技术,异性芯片技术,采用光子晶体结构,倒装芯片技术,激光剥离技术,透明衬底技术等。     

利用常规工艺提高光子晶体GaN LED的出光效率

计算了GaN二维光子晶体的能带结构,并利用常规工艺在国内首次制备出了GaN基二维平板结构的光子晶体蓝光LED。经过器件测试表明,与没有制作光子晶体的器件相比,光子晶体使器件的有效出光效率达到了原来的1.5倍以上。另外,还对感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的制备光子晶体LED的刻蚀工艺进行了分析。     

太赫兹波段金属光子晶体光纤增强拉曼散射现象的研究

深入探究了金属光子晶体光纤的表面增强拉曼散射现象,建立了时域有限差分法的平板结构的模型,利用观察到的超强透射现象得到了发生拉曼散射的理论依据。金属光子晶体在太赫兹波照射下的表面电磁场增强效果的实验中得到:入射波能量越大,更易激发产生金属光子晶体的表面等离子体共振,可以使金属表面的增强效果得到较大增强;拉曼散射效果在太赫兹波段内十分明显,吸收光谱效果和荧光效应也相对较小,能够显著提高灵敏度和分辨率。     

蓝色LED发光效率提高50%

松下电器产业日前开发成功了发光效率达原来1.5倍的GaN蓝色发光二极管(LED)芯片。该产品是通过在蓝色LED芯片表面大量设置直径约1μm、高约0.5μm的圆柱状凹凸而实现的。芯片内部产生的蓝色光,可将30%左右的光线照射到芯片外部。今后通过改进蓝色LED芯片,预计将能够照射出60%左右的光。此次开发的蓝色LED芯片,利用光子晶体的特性,提高了发光效率。光子晶体是指其内部具有周期性折射率分布的晶体,配置2种折射率差异较大的介质。照射到光子晶体中的光线会因其周期性折射率分布而使光线发生衍射。由于这种效应,从芯片内部照射到芯片外部…     

抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的模拟研究

针对发射到衬底中的光子,提出了一种具有抛物线型衬底结构的InGaN/GaN发光二极管,并对平面衬底和抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的光子运动轨迹、发射功率角度分布和外量子效率进行了模拟计算.结果表明:相对于平面衬底发光二极管,抛物线型衬底发光二极管可以充分利用发射到衬底中的光子,使其正向光子发射功率增加12.6倍,外量子效率提高1.22倍,同时具有发射准平行光的功能.     

表面等离子波导改进LED发光效率的研究

设计了在氮化镓材料上淀积周期光栅银薄膜的结构,利用SPPs增强作用提高LED的发光效率。理论上建立了增强LED的内部发光效率、SPPs辐射匹配以及SPPs辐射衰减模型。实验结果表明:淀积银薄膜的LED结构由于SPPs的增强可以显著提高出光效率;出射光的偏振模式对LED出光效率没有影响;金属光栅的吸收率在占空比达到0.87左右达到峰值;SPPs的增强作用可以显著改善弱光致发光的发光效率和非线性过程。这一研究对于LED发光效率的改进具有明显的理论和实际意义。     

抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的模拟研究

针对发射到衬底中的光子,提出了一种具有抛物线型衬底结构的InGaN/GaN发光二极管,并对平面衬底和抛物线型衬底InGaN/GaN发光二极管的光子运动轨迹、发射功率角度分布和外量子效率进行了模拟计算.结果表明:相对于平面衬底发光二极管,抛物线型衬底发光二极管可以充分利用发射到衬底中的光子,使其正向光子发射功率增加12.6倍,外量子效率提高1.22倍,同时具有发射准平行光的功能.     

混合光子晶体等离子激元纳米微腔

构建了一种三层混合光子晶体等离子体激元结构,分别为金属银(Ag)层,低折射率二氧化硅(SiO2)层和二维光子晶体层。这种混合光子晶体等离子体激元结构具有明显的横磁模(TM)模式带隙。在二维的光子晶体层的中心引入一个单元胞缺陷,形成缺陷腔结构。这种纳米尺度的光子晶体等离子体微腔的体积远小于传统介质的光学微腔,光子能量可以很好地被局域到低折射率层,实现了深亚波长尺度下的对光的限制。通过改变该混合光子晶体等离子激元结构的参数,利用三维时域有限差分(3D-FDTD)方法,分析了这种混合光子晶体等离子微腔结构的光学特性。分析表明:这种纳米微腔具有极小的模式体积0.0141(λ/n)3和高的Q/V值。     

各向异性等离子体衬底的二维光子晶体带隙特性分析

利用基于拉氏变换的电流密度卷积(LT-JEC)时域有限差分(FDTD)方法处理等离子体复杂介质;同时通过引入周期边界条件,将无限大周期结构转换为单个元胞的有限区域的计算,实现了抽象模型向实际计算模型的转变,计算了以等离子为背景的二维等离子光子晶体的功率反射和透射系数。研究了二维等离子体光子晶体带隙特性随等离子体各参数变化的变化规律,为实际制作等离子体光子晶体提供了理论基础。     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制.一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构,腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列,从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为3～4 nm.从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强.微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面:共振模式的增强和非共振模式的抑制.硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强,非共振模式的辐射跃迁被抑制,因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道,导致光致发光谱的窄化和强度的增强.因此,在提高硅材料发光效率方面,光子晶体微腔具有非常大的应用前景.