光子晶体结构优化对提高GaN基LED光提取效率影响的研究

摘要

随着LED相关技术的不断发展，LED的应用也从最初的仪器指示向照明领域发展，目前LED取代白炽灯、荧光灯成为下一代最具优势的固态光源的潜力已经越束越明显。而GaN基LED作为制造白光LED的核心部分，其在固态照明、多色彩和高亮度化的LED需求中，都具有极其重要的地位。
　　 实现LED进军照明领域的一大前提就是克服LED的低外量子效率，而其中的关键技术就是提高由于LED与外界空气界面处全内反射而引起的较低的光提取效率，对于GaN基LED同样也面临着低光提取效率这一瓶颈问题。
　　 目前提高LED光提取效率的主要方法有光子晶体、倒装芯片、表面粗化、衬底剥离、等离激元理论等技术，其中光子晶体技术由于能够控制光的出射方向，较好的提高光提取效率而成为关注焦点之一。目前光子晶体LED技术的研究主要集中在实验制备、测试和光子晶体理论分析等方面，而对光子晶体LED结构各参数对光提取效率的影响的系统分析较少。
　　 本文的研究工作主要集中在利用光子晶体技术提高GaN基LED光提取效率的分析，通过对光子晶体GaN基LED结构中各参数的仿真分析，研究了各参数对光提取效率的影响。研究中主要取得了以下成果和结论：
　　 1、光子晶体晶格周期、填充比和高度等参数对光子晶体禁带的位置、宽度和效果的影响的研究。本文通过对三角排列和方形排列的光子晶体各结构参数的仿真扫描，讨论了这些参数对光子晶体禁带的位置、宽度和效果影响：(1)光子晶体晶格周期对光子晶体禁带位置影响最大，且当光子晶体具有一定高度后，晶格周期和光子晶体禁带中心位置和禁带宽度都符合反比的规律；(2)光子晶体高度升高，光子晶体禁带稍有下移，但禁带宽度基本不变。(3)光子晶体填充比增大，禁带初始位置稍有上移，而禁带宽度和禁带效果大大提高。(4)对于不同品格排列形状的光子晶体，这些因素的影响趋势是一致的。
　　 2、光子晶体的垂直方向顶端汇聚效应研究。考虑光子晶体的禁带效应和周期栅格衍射效应，本文归结出光子晶体的垂直方向顶端汇聚理论，并通过对比GaN基蓝光主频率在光子晶体禁带内或者禁带外时的远场方向图，验证了对于频率位于光子晶体禁带内的光波，光子晶体确实对其具有向非禁带方向汇聚的效应。相同参数下三角排列的光子晶体结构比方形排列光子晶体结构汇聚角度要更集中一些，效果更好。
　　 3、光子晶体GaN基LED各参数的优化对光提取效率影响的研究。本文通过对光子晶体LED各层的高度进行扫描分析，分析了各层高度的变化对结构出光功率的影响，证明这种影响与光在介质中的波长有关。同时本文对光子晶体层的增透效应进行了仿真分析，在光子晶体GaN基LED结构中，提出了采用电磁场无反射条件计算光子晶体等效折射率的方法。结果证明利用电磁场无反射条件计算的等效折射率方法，可以较准确的确定光子晶体在不同填充比时的等效折射率，从而使光子晶体高度取为0.25的奇数倍时，出光功率出现峰值。
　　 4、双光子晶体结构对光提取效率的影响分析。结合光子晶体的禁带效应、栅格衍射效应和光子晶体垂直方向的顶端汇聚理论，本文归结出双光子晶体汇聚效应：实现顶端光子晶体向上表面汇聚光，而底端光子晶体向下汇聚光，经反射层反射后以较好的出光角度从上表面辐射出去，可以在整体上提高光提取效率。
　　 结果显示双光子晶体结构的远场方向图相比较纯介质板结构呈现出明显的垂直方向汇聚现象，而且双光子晶体结构在各出光角度时的出光功率都比单光子晶体结构和纯介质板结构高，部分角度增强倍数可达到约2倍，而上表面总出光功率可以达到纯介质板的1.3倍，从而可以有效的提高LED结构上表面的出光功率。
　　 本文的主要创新点为：
　　 1、归纳了光子晶体各结构参数对光子晶体禁带的位置、宽度、效果的影响，总结并验证了光子晶体对光的顶端汇聚效应，从而为后续光子晶体LED整体结构的分析提供参数设置和理论依据。
　　 2、提出并验证了在光子晶体GaN基LED结构中采用电磁场无反射条件计算光子晶体等效折射率的方法，从而可以较准确的确定光子晶体在不同填充比时的等效折射率，为利用光子晶体增透膜效应提高LED光提取效率提供参数设置依据。
　　 3、提出并验证了GaN基LED结构中双光子晶体的汇聚效应理论，可以实现比单光子晶体LED和纯介质板LED更好的出光角度和出光功率，为利用光子晶体技术提高LED的光提取效率提供新的思路和方法。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

缩略词索引

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN基LED的发展及应用

1.2.1 GaN基LED的发展

1.2.2 GaN基LED的应用

1.3 光子晶体LED的研究现状

1.4 论文的主要工作与创新

第二章 光子晶体LED的基本理论

2.1 GaN基LED的基本结构

2.2 LED发光原理

2.2.1 PN结理论

2.2.2 有源区结构

2.2.3 LED的自发辐射

2.3 LED光电特性

2.3.1 光电转换效率

2.3.2 输出光功率

2.3.3 发光光谱特性

2.4 LED光提取效率

2.4.1 LED光提取效率理论

2.4.2 提高LED光提取效率的方法

2.5 光子晶体LED

2.5.1 光子晶体概念

2.5.2 光子晶体LED的工作机理

2.6 小结

第三章 时域有限差分法

3.1 时域有限差分法基本理论

3.2 稳定性分析

3.3 PML边界

3.4 小结

第四章 光子晶体特性分析

4.1 光子晶体禁带分析

4.1.1 光子晶体品格周期对禁带的影响

4.1.2 光子晶体高度对禁带的影响

4.1.3 光子晶体填充比对禁带的影响

4.2 光子晶体汇聚效应分析

4.2.1 光子晶体禁带参数设置

4.2.2 光子晶体顶端汇聚效应验证

4.3 小结

第五章 光子晶体LED结构仿真分析

5.1 有无光子晶体的对比分析

5.2 光子晶体优化对LED光提取效率影响的分析

5.2.1 结构层厚度的影响分析

5.2.2 光子晶体等效折射率的分析

5.3 双光子晶体提高LED光提取效率的分析

5.3.1 结构理论和模型设置

5.3.2 仿真分析

5.4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

学位论文评阅及答辩情况表