采用光子晶体与全向反射镜提高LED光提取效率

摘要

发光二极管（light-emittingdiode，LED）是一种可将电能转化为光能的有源器件。LED具有节能环保、寿命长、可靠性高、体积小等诸多优点，因此被广泛地应用于移动设备、交通信号、平板显示、车辆照明、液晶显示、普通照明等领域，显示出了巨大的应用前景。随着相关技术的飞速发展，LED将取代白炽灯、荧光灯成为下一代最具优势的固态光源。但是传统LED的输出光功率仍然很低，提高LED的量子效率成为最为关键的问题。目前部分LED的内量子效率达到了80％以上，因此如何提高LED的光提取率成为了目前国内外的研究热点之一。 本文首先概述了LED及GaN基LED的发展历程，分析了LED的应用及发展前景。LED是由PN结组成的电致发光器件，因此从半导体及其能带理论角度分析了LED的发光原理，并详细讨论了LED的一些特性参数，重点分析了光提取效率及造成普通LED光提取效率低的原因。本文是基于采用光子晶体和全向反射镜结构来提高LED的光提取效率的，因此文章介绍了光子晶体的概念、特性及其理论研究方法，分析了周期性结构是如何提取平板光波导中的导模光的。重点研究了本文所采用的两种数值计算方法：时域有限差分算法（FDTD）和衍射模理论的严格耦合波分析法（RCWA）。随后，概述了目前主要用以提高LED光提取效率的方案。本文提出设计了结合优化参数的光子晶体和复合布拉格反射层的LED结构，并采用FDTD和RCWA两种算法进行仿真与分析。结果表明，该LED结构通过复合布拉格反射层解决了衬底等材料吸收损耗光的问题，采用光子晶体提取波导模，从而有效地提高了其光提取效率，且结构中的光子晶体相对容易制作实现。最后，对全文进行了简要的总结，并展望了下一步的研究方向。 总之，根据布拉格反射层和光子晶体的特性，采用FDTD和RCWA算法通过反复仿真选择参数设计出效果比较理想的结构，以提高普通LED的光提取效率。复合布拉格反射层构成全向反射镜设置在有源层和衬底之间，将有源层发出的底向光反射回上表面，从而减小了有源层以下包括衬底、电极等材料的光损耗；光子晶体设计在p-GaN层，通过光子禁带和衍射作用破坏LED内的导模，减小LED材料和外围介质的全反射效果，最大化地提取LED内部光。结构的仿真结果表明，该LED结构的光提取效率有了很明显的提高，并对该仿真结果进行了详细的分析讨论。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略名词索引

声明

第一章 绪论

1.1 LED发展概论

1.2 GaN基LED的发展历程

1.2.1 MIS结构LED

1.2.2 PN结LED

1.2.3 同质结LED

1.2.4 双异质结LED

1.2.5 量子阱LED

1.3 LED的应用与发展前景

1.4 论文的主要工作与安排

第二章 LED发光原理及其特性

2.1 半导体与能带理论

2.1.1 能带理论

2.1.2 半导体与杂质半导体

2.2 PN结理论

2.3 LED发光原理

2.4 LED特性

2.4.1 光电转换效率

2.4.2 输出功率

2.4.3 亮度

2.4.4 发光光谱特性

2.4.5 LED光提取效率

第三章 光子晶体与导模光提取

3.1 光子晶体的概念

3.2 光子晶体的特征

3.2.1 光子禁带

3.2.2 抑制自发辐射

3.2.3 光子局域化

3.3 光子晶体的理论研究

3.3.1 转移矩阵法

3.3.2 平面波法

3.3.3 时域有限差分算法

3.3.4 N阶法

3.4 光子晶体提取波导光的理论

3.4.1 平板波导的导模

3.4.2 具有周期结构的波导

第四章 光子晶体LED仿真设计的数值方法

4.1 时域有限差分算法

4.1.1 FDTD算法公式及Yee氏网格

4.1.2 FDTD算法的稳定性

4.1.3 边界条件

4.2 严格耦合波分析法

4.2.1 TE扁振

4.2.2 TM偏振

第五章 采用光子晶体和全向反射镜提高LED光提取效率

5.1 提高LED光提取效率的方案

5.1.1 光子晶体

5.1.2 表面粗化

5.1.3 生长分布布拉格反射层

5.1.4 倒装芯片技术

5.1.5 衬底剥离技术

5.2 全向反射镜的设计

5.3 光子晶体的设计

5.4 结构模型的仿真与分析

5.4.1 结构模型及仿真

5.4.2 仿真结果分析

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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