利用介质光子晶体提高红光发光二极管的光通量的研究

本文利用光子晶体的光栅衍射原理, 在发光二极管(light emitting diode, LED)上制作了光子晶体结构以提高出光效率. 在红光LED器件中引入了SiO₂层的介质光子晶体结构, 并进行了相应的理论分析和实验验证. 结果表明: 介质光子晶体结构对于提高红光LED器件的光提取效率有显著效果, 引入介质光子晶体后, 红光LED的光通量比普通LED增加了26%.     

不同表面结构的半导体发光二极管的效率与寿命的研究

对GaAs基AlGaInP系半导体发光二极管（light emitting diode,LED）提取效率低导致器件发热而寿命缩短等问题进行了分析,提出了一种新型表面结构的LED,在与普通LED相同的外延生长条件下,通过后工艺引入了表面图形并腐蚀出凹凸不平的表面以改变光子传输方向,同时制备了导电光增透层,既增强了电流的扩展同时使得更多的光子能够发射到体外,在相同的注入电流下,新型表面增透结构LED的轴向光强平均是普通LED的15倍,由于光提取效率高,更多的光子能够发射到体外,发热减少,饱和电流更高,达到1 关键词： 表面增透结构 轴向光强 光效 寿命     

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE),然而在制造过程中会存在缺陷或无序.利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化,在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真,研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明,光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降,而可使非优化的60nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到士20 nm之间变化时,LEE最大会产生53.8％的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小,一般可以忽略,研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.     

二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

片上集成光源是未来光电子系统中光源发展的主要趋势,LED光源作为片上集成光源的主要缺点是其出光效率低,二维光子晶体是提高LED出光效率的有效手段。本工作设计了C波段LED的基本结构及参数,并采用时域有限差分法计算了不同阵列不同占空比的二维光子晶体能带结构,利用禁带理论选取提高C波段LED出光效率的最优二维光子晶体结构参数,结果表明三角排列空气孔二维光子晶体晶格常数a=500 nm且占空比R_p=0.44的光子晶体结构最优。     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性EI北大核心CSCD

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

表面微腔光子晶体LED的光提取特性

提出并研究了一种基于表面微腔光子晶体的发光二极管(LED),利用多个谐振腔出射光之间的相干耦合作用产生束流准直效应,从而在提高光提取效率的同时,也改善了出射光的空间指向性。通过对表面光子晶体LED结构进行优化设计,使得表面微腔光子晶体LED的光提取效率较完整光子晶体LED提高了77.3%,而较普通平板LED提高了1.8倍以上。同时,微腔光子晶体LED相对普通平板LED和完整光子晶体LED来说具有更加明显的远场能量汇聚效应,让出射光具有更好的空间指向性。     

双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究

为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d ≈ λ / n_PhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm≤ T ≤ 300 nm且100 nm≤ D ≤ 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.     

基于缺陷光子晶体结构的GaN基发光二极管光提取效率的有关研究

现有的研究表明,利用光子晶体可以有效提高发光二极管的光提取效率.由于在制造时光子晶体中可能会存在缺陷和错位,本文基于时域有限差分法对光子晶体中的缺陷和错位对发光二极管发光效率的影响进行了研究.数值仿真结果表明,光子晶体中少量缺陷或者微小错位并不会降低发光二极管的光提取效率,其中某些缺陷反而能增强光子晶体发光二极管的光提取效率.本文对其物理机理给出了详细的理论分析,并设计了一种具有缺陷的光于晶体,在未刻蚀到有源层(离有源层20 nm)的情况下,其光提取效率达到了完美光子晶体的1.6倍.通过对这种缺陷光子晶体的空间频谱分析可知,可以通过设计具有特殊空间频谱分布的光子晶体来提高发光二极管的发光效率,这对设计高光提取效率的光子晶体结构和制造高效率的发光二极管有指导意义.     

光子晶体结构参数的随机扰动对光子晶体LED出光效率的研究

利用光子晶体(PC)的光子禁带和光栅衍射效应可以提高发光二极管(LED)的出光效率,扩大LED的应用范围。在GaN基蓝光LED的GaN层上引入二维正方排列圆柱形PC,采用时域有限差分方法研究光子晶体的几何参数的随机扰动对LED出光效率的影响,利用禁带理论分析了其机理。     

光子晶体发光二极管

利用光子晶体的光子禁带和光栅衍射效应可以提高LED的出光效率,扩大LED的应用范围。总结了光子晶体发光二极管的原理和典型器件。通过比较表明,与光子禁带效应相比,利用光栅衍射效应提高LED出光效率的方法更适用于电注入发光。因此可望用更廉价的方法在LED表面制造光子晶体,可通过光栅衍射效应来有效地提高其出光效率。     

全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率

为了提高GaN基发光二极管(LED)的外量子效率,在蓝宝石衬底制作了二维光子晶体.衬底上的二维光子晶体结构采用激光全息技术和感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术制作,然后采用金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术在图形蓝宝石衬底(PSS)上生长2μm厚的n型GaN层,4层量子阱和200nm厚的p型GaN层,形成LED结构.衬底上制作的二维光子晶体为六角晶格结构,晶格常数为3.8μm,刻蚀深度为800nm.LED器件光强输出测试结果显示,在PSS上制作的LED(PSS-LED)的发光强度普遍高于蓝宝石平 关键词： 全息 发光二极管 图形蓝宝石衬底 外量子效率     

Enhancement of extraction efficiency by metallic photonic crystal embedding in light-emitting diode

The bandgap effect of photonic crystals (PCs) and the effect of grating diffraction can be used to improve the extraction efficiency of light from the light-emitting diode (LED). The transmission of light at certain wavelength through periodic sub-wavelength hole arrays in metal films is extraordinary, surface plasmon (SP) effects effectively. In this letter, silver metallic photonic crystals with square lattice of cylinder unit cells are fabricated in GaN layer of GaN-based blue LED. We use the finite-difference time-domain (FDTD) method to investigate the optical transmission, the results show that the light extraction efficiency is enhanced by more than four times. Then we use the surface plasmon dispersion relation to analyze the mechanism of antireflection.     

微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

LED以其高效节能、体积小、寿命长等优点被认为是最有可能进入普通照明领域的一种新型固态光源,但LED芯片的光提取效率仍较低。综述了LED外延片表面的各种基于微纳光学结构的加工技术,如通过在LED芯片表面上加工粗糙微结构、LED芯片表面双层微结构、二维光子晶体结构、双光栅结构等。介绍了通过各种加工技术对LED芯片微纳光学结构的加工提高了芯片的外量子效率,从而提高了LED的出光效率。     

GaN基蓝光LED中光子晶体对提取效率及发光偏振态的影响

为了提高氮化镓基蓝光发光二极管的发光提取效率,在其电流扩展层上生长光子晶体.讨论了光子晶体结构周期、刻蚀深度和占空比参数与提取效率的关系,并采用时域有限差分法进行模拟计算.结果表明在晶格周期为300nm、占空比为60%和刻蚀深度为200nm的条件下,生长光子晶体结构后,氮化镓基蓝光发光二极管的提取效率提升了27.93%.研究了激励源在光子晶体晶格周期内位置变化对提取效率的影响,拟合得到更符合实际物理意义的氮化镓基蓝光发光二极管发光提取效率函数.利用等效折射率理论和法布里-珀罗薄膜干涉模型解释了氮化镓基蓝光发光二极管中TE模和TM模偏振之间提取效率的差异,数值仿真得到最大差异值为1.442倍,从而获得高偏振对比度光源.用该结构参数制备的发光二极管器件应用于液晶显示背光源,可提高液晶显示的能耗效率.     

Enhanced photoluminescence from photonic crystal-coated GaN LED wafers

This paper describes results of studies on photoluminescence from blue-emitting GaN LED wafers coated with a layer of synthetic opal photonic crystals. Commercial LED wafer material was used and samples were coated with thin films consisting of several layers of stacked spherical polystyrene balls. Various optical measurements were performed on these samples while they were excited with a 405 nm laser beam. Diffraction pattern due to the photonic crystal structure, showing the underlying six-fold symmetry, was recorded. The spectrum and angle-resolved intensity of photoluminescence were measured to understand the coupling of LED light with the grown photonic crystal structure on top of the wafer.     

GaN-based light-emitting diodes directly grown on sapphire substrate with holographically generated two-dimensional photonic crystal patterns

As an approach to enhance light extraction from GaN-based light-emitting diodes (LEDs), we inserted a submicron period photonic crystal (PC) pattern at the interface between GaN epilayer and sapphire substrate. A two-dimensional square-lattice pillar array of 600-nm period was produced directly onto the sapphire substrate by a combination of laser holography and inductively-coupled-plasma etching. A standard GaN LED heterostructure was grown on top of the nano-patterned substrate, which was then processed to conventional bottom-emitting LED chips. At the drive current of 20 mA, the PC-LED produced surface-normal output power about 40% higher than that of the reference LED (with no PC integrated). Temperature-dependent photoluminescence measurement indicated that the emission enhancement was solely a structural effect by the integrated PC pattern.