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。     

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。     

二维光子晶体LED专利技术分析

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,目前LED已在科研和生产领域取得了广泛的应用。光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构,其中二维光子晶体能使更多方向上的平面光衍射出LED表面,因此目前主要用二维光子晶体来提高LED的出光效率。本文总结了与二维光子晶体LED相关的国内和国外专利的申请趋势、主要申请人分布以及重点技术的发展路线进行了梳理。     

正交光子晶体制备方法研究

光子晶体是周期性的电介质结构,这种结构具有光子带隙是其最根本的特征。本文提出了利用双光束两次曝光法制备常规正方光子晶体,并给出了详细制作步骤。此光子晶体能够有效提高LED的发光效率。     

光子晶体提高GaN基LED发光效率实验与工艺研究

采用聚焦离子束制备了500nm和1.5μm周期两种结构,使GaN基LED光效显著提高。比较长、短周期光子晶体提高光效的程度、制备工艺、设备及其相应的成本,宜采用长周期光子晶体结构来提高蓝光GaN基LED的发光效率。采用聚焦离子束和激光干涉两种方法,在GaN基LED导电层(ITO)上制备了长周期光子晶体,利用光纤光谱仪、显微镜和功率计对光提取效率进行了实验测试,结果表明长周期光子晶体LED比无光子晶体LED的光提取效率提高了90%以上。还采用激光干涉直写方法,以扫描的方式在较大面积上制备了光子晶体LED,确认了该方法及工艺批量化、低成本制备光子晶体的可行性。聚焦离子束方法虽然能够产生较精确的光子晶体图形,但由于耗时长、效率低、成本高等问题,仅适于在实验研究中选择和优化光子晶体的结构和参数。     

光子晶体提高GaN基LED出光效率的研究进展

光子晶体作为有效提高LED出光效率的手段之一,在过去的十多年受到了广泛的关注.简述了光子晶体提高LED出光效率的物理原理.从GaN基LED不同光子晶体的结构、晶格常数和高度等参数的影响出发,通过几种新型光子晶体发光二级管的介绍,总结了近年来利用光子晶体提高LED出光效率所取得的研究进展.     

LED光取出技术研究进展

大功率白光LED目前存在着光取出效率不高的问题。介绍了提高白光LED光取出效率的主要方法与途径,包括光子晶体,表面粗化,倒装芯片,二次光学设计以及荧光粉远离。这些技术不同程度提高了LED的光取出效率,是解决其发光效率不高的有效途径。     

多芯片阵列组合白光LED封装研究

文章阐述了LED器件的发光原理和芯片电极结构,围绕白光HB-LED的封装工艺,设计单个大功率芯片封装结构并对整个封装工艺进行研究,提出了多芯片阵列组合封装的创新理念,将其应用于多芯片阵列封装模块中。得出HB-LED封装中关键技术问题是提高外量子效率,采用高折射率硅胶减少折射率物理屏障带来的光子损失;采用高热导率的材料,减少由于封装工艺的缺陷带来的界面热阻。     

复式晶格光子晶体光纤带隙分析

提出了一种复武晶格光子晶体光纤,通过向传统正方形格子空气孔光子晶体光纤中引入半径相同但折射率为负的介质柱,构成两种正负折射率介质柱嵌套的周期性排列结构.用平面波法分析这种光纤的光子带隙,仿真结果表明:与传统的正方形格子空气孔光子晶体光纤相比,当R/A=0.35,衬底折射率nb=1.30,空气孔折射率na=1.0,介质柱折射率nc=-1.0时,这种光纤可以实现光子带隙效应导光;当品格常数A的范围为1.5～3.0μm时,传输波长范围为880～2 300 nm.     

可调谐双芯光子晶体光纤波分复用器设计

数值分析了双芯光子晶体光纤的耦合特性,设计出0.85/1.55μm、0.98/1.55μm和1.3/1.55μm基于通信波段的波分复用器件,其光纤长度分别为542μm、996μm和932μm.在双芯光子晶体光纤的基础上,光纤长度固定不变时,通过调节中心空气孔材料折射率,材料折射率分别为1.281、1.343和1.348...     

光子晶体结构优化对提高LED光提取效率研究

为了提高GaAsInP发光二极管的发光提取效率,在本文中,将其电流扩展层上生长光子晶体刻蚀深度作为损失的重要因素,并作为一个测试案例,分析波导在板中蚀刻的三个不同的气孔形状作为损失的关键因素,并且计算这些损耗以便在这种结构中达到更高的效率。并通过利用PhC板中的有效折射率建模和研究它们的传输来证明PhC在LED表征中的能力。最后,结果表明,仿真结果与实验数据吻合良好,有限元建模中的大量传输表明,它可以提高超过10%的光提取效率,提高了LED的效率。     

发光效率提高10倍的发光二极管阵列

据报道，日本冲电气工业新开发了发光效率提高10倍以上的发光二极管阵列。过去开发的GaAsxP（1－x）LED）阵列，驱动电流为3mA时的每单位电流的发光强度约为5μW。这次开发的LED阵列．在发光层采用了AlxGa（1－x）As材料．在驱动电流4mA条件下．每单位电流的发光强度高达100μW．使用该材料的光波长为750nm。该LED阵列。是采用控制杂质扩散的固相扩散技术形成的．在一块芯片上以21．2μm间距排列了256个LED。发光效率提高10倍的发光二极管阵列@孙再吉     

一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器

文章提出一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器,在该滤波器的光子晶体环形腔内部引入一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱,基底材料采用折射率n=3.4的硅,晶格常数A为30μm。应用基于FDTD(时域有限差分法)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明,当介质柱半径为5.157 5μm,内部正方形介质柱边长为92μm且其旋转角为6°,散射介质柱半径为5μm时,94.053μm波长的透射率为0.985 56。     

1维全息光子晶体的偏振特性

为了研究两种偏振光通过1维光子晶体的偏振特性,采用传输矩阵法做了相关计算,得到介质折射率、折射率调制的变化,在光正入射和倾斜入射时对不同偏振光的禁带都有影响的结果。结果表明,当光线正入射的时候,折射率和折射率调制的变化都不会影响禁带位置,折射率增大,禁带宽度减小;折射率调制增大,禁带宽度变大,正入射时p偏振、s偏振的禁带完全重合;当光线以一定的角度照射到介质表面上时,两种偏振态下禁带位置随折射率调制的增大移向低频,带的中心位置一样,禁带宽度变大。两种偏振态下禁带带宽随折射率的增大变窄,禁带中心移向低频,s偏振的带宽减小得更明显;介质厚度对不同偏振态下禁带没有任何影响。这为设计1维全息光子晶体偏振片提供了理论依据。     

GaN基微米LED大注入条件下发光特性研究

利用变注入强度的电致发光(EL)测试和数值模拟方法研究了微米LED大注入条件下的发光特性。EL测试结果显示,微米LED(10μm)在工作电流密度高达16kA/cm2时光功率密度输出未饱和,同时不存在明显的由于自热效应引起的发光波长红移。和300μm LED相比,相同注入水平下,10μm LED的EL峰值波长相对蓝移,表明微米LED中存在应力弛豫,10μmLED相对300μm LED应力弛豫大了约23%。APYSY模拟发现,由于应力弛豫和良好的电流扩展,微米LED中电流分布和载流子浓度更加均匀,这种均匀的分布使得微米LED具有高的发光效率,同时能够承受高的电流密度。     

高出光率GaN基光子晶体LED的研究进展

在LED上制作光子晶体结构将会提高LED的出光效率,这使得LED应用范围更广.主要从不同的光子晶体加工工艺出发,总结近年来GaN基光子晶体LED的研究进展,介绍新的工艺和实验结果.通过比较发现,利用光子晶体的光子禁带效应和光栅衍射原理,都能够提高LED的出光效率,但需要和光子晶体的结构参数以及相应的加工工艺相结合,使出光效率和光场能流密度有大幅度的提高,从而实现LED出光效率的提高,使LED取代白炽灯等光源应用于生活照明成为可能.     

光子晶体光纤的Galerkin算法

光子晶体光纤(PCF)是由石英和空气孔构成的二维周期性介电常数分布的微结构光纤，人们已经提出了一些理论方法用于其模式特征的研究。以全反射光子晶体光纤为例。将其折射率结构分解为一个纯粹的中心缺陷结构和一个完美二维光子晶体的叠加，并分别选取厄米-高斯函数和余弦函数对其周期性折射率展开；同时将横向电场分布的x，y分量用正交归一化厄米-高斯(Hermite-Gauss)函数展开。从电磁场的波动方程出发，忽略横向电场之间的耦合。根据折射率和电场的展开式。得到关于各展开系数的矩阵和模式的特征方程。特征方程中涉及的各矩阵元素都可以利用厄米-高斯函数的正交归一化性质及其他一些恒等式解析求得。求解该特征方程，可得到光子晶体光纤的传播常数和模场分布。利用此算法，可以进一步研究光子晶体光纤的模式特性、色散特性、偏振特性等。     

基于电光聚合物缺陷光子晶体的脉冲电场测量技术

针对幅值强、频带宽、持续时间短等脉冲电场测量需求,本文提出一种基于电光聚合物缺陷光子晶体的全介质脉冲电场传感器.在周期性分布的光子晶体中引入电光聚合物作为缺陷层,外界电场的作用下,电光聚合物的折射率发生改变,这将会引起光子晶体的谐振频率偏移,监测谐振频率的变化即可实现被测电场测量.本文通过理论分析与数值模拟光入射角度不同且入射波的偏振状态不同时,光子晶体的结构参数对光子晶体传输光谱特征的影响规律,验证了该传感器的电场敏感特性.仿真结果表明,通过合理设计传感器的结构参数,结合波长-光强解调系统,基于电光聚合物缺陷光子晶体的电场传感器的电场分辨力可以达到约30V/m,最高可测量场强则可达到兆V/m量级.     

颗粒膜电介质光子晶体低频折射率问题分析

应用颗粒膜电介质晶体在低频极限下的准静态折射率和静态折射率的关系,分析和计算了光子晶体低频折射率,结果表明：由于低频电磁波诱导的涡流（或极化电流）,使非磁性光子晶体显现反磁性共振,这个共振依赖于周期性颗粒的半径和趋肤深度之间的关系。即,如果趋肤深度远远小于周期性颗粒的半径,包含物内部电磁场被屏蔽,使每一种包含物的行为像理想反磁性体。对于平行颗粒膜平面的（H偏振）电磁波,光子晶体的反磁性磁导率总体上是随填充数的增加而线性的减少;相反的,当趋肤层大于半径,则反磁性体共振可以忽略。周期性颗粒的磁化引起静态和准静态折射率的结论,解释了非对易限制的问题。     

表面粗化提高GaN基LED光提取效率的模拟

影响GaN基LED的外量子效率低下的主要因素是光子在半导体和空气界面处的全反射.根据实际芯片建立LED模型,利用蒙特卡罗方法进行光线追迹模拟,分析了光子的主要损耗对出光效率的影响.计算不同的表面粗化微元,微元尺寸及微元底角对LED光提取效率的影响;比较不同微元形成的光场分布.模拟显示:所设计最佳的表面粗化结构在理想状况下可以提高光提取效率3倍以上.