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%。     

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.     

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。     

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。     

全无机胶体量子点显示技术

基于胶体量子点发光的全无机显示器件具有优于OLED的电致发光和抗环境性优势,将成为新一代平板显示器件。本文介绍了全无机胶体量子点显示的优势和发展潜力,介绍了GaN电荷传输层量子点显示器件、金属氧化物电荷传输层量子点显示器件、交流驱动多层结构的透明量子点显示器以及单极性量子点显示器件等。指出深入研究全无机胶体量子点发光器件的电荷输运机制,在新材料、新器件结构和新驱动机制等方面,改进器件的电致发光效率是目前需要解决的主要问题。     

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

应用FDTD方法计算了二维无限大光子晶体的能带结构,并制备出了InP基二维平板结构的光子晶体器件.在制备过程中尝试了仅用PMMA做掩模以及PMMA和SiO2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO2做掩模的情况下,由于PMMA胶选择性较差,在刻蚀过程中难以保证图形的准确转移.而增加SiO2掩模后,获得了图形质量良好的光子晶体结构.成功实现了利用光子晶体结构增强LED的出光效率,与未制作光子晶体结构的LED相比,光子晶体结构LED的出光效率可在原来基础上提高1倍以上.并且随着晶格常数的增加,出光效率进一步提高.     

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

应用FDTD方法计算了二维无限大光子晶体的能带结构,并制备出了InP基二维平板结构的光子晶体器件.在制备过程中尝试了仅用PMMA做掩模以及PMMA和SiO2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO2做掩模的情况下,由于PMMA胶选择性较差,在刻蚀过程中难以保证图形的准确转移.而增加SiO2掩模后,获得了图形质量良好的光子晶体结构.成功实现了利用光子晶体结构增强LED的出光效率,与未制作光子晶体结构的LED相比,光子晶体结构LED的出光效率可在原来基础上提高1倍以上.并且随着晶格常数的增加,出光效率进一步提高.     

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…     

LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用。采用感应耦合等离子体(ICP)技术对涂覆有光刻胶阵列图案的蓝宝石衬底进行刻蚀。通过研究及优化不同ICP刻蚀工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响,分别成功制备出蒙古包形和圆锥形图形化蓝宝石衬底片,并在其表面完成InGaN/GaN多量子阱外延及芯片工艺。借助光致发光和电致发光等手段测试其LED器件的光电学性能。实验结果发现圆锥形的图形化蓝宝石衬底拥有更强的光功率和更窄的半峰宽,说明这种形貌的衬底在GaN外延时有效减少了晶格失配造成的缺陷,提高了晶体质量,从而更有效地增加LED出光效率。     

p型InGaN/GaN超晶格N面GaN基LED的光电特性

随着氮(N)面GaN材料生长技术的发展,基于N面GaN衬底的高亮度发光二极管(LED)的研究具有重要的科学意义.研究了具有高发光功率的N面GaN基蓝光LED的新型结构设计,通过在N面LED的电子阻挡层和多量子阱有源层之间插入p型InGaN/GaN超晶格来提高有源层中的载流子注入效率.为了对比N面GaN基LED优异的器件性能,同时设计了具有相同结构的Ga面LED.通过对两种LED结构的电致发光特性、有源层中能带图、电场和载流子浓度分布进行比较可以发现,N面LED在输出功率和载流子注入效率上比Ga面LED有明显的提升,从而表明N面GaN基LED具有潜在的应用前景.     

基于Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的白光LED的研究进展

作为发光可覆盖整个可见光波段的发光材料,Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点自上世纪90年代以来一直是构筑白光发光二极管（LED）的关键材料之一。本文主要介绍基于缺陷态发光、单源二色互补发光、三基色复合发光和光致发光等发光原理的半导体量子点的白光LED,并比较了不同类型器件的特点。凭借发光效率等主要性能参数的优势,基于GaN基蓝紫光与量子点荧光粉组合得到的白光LED将最有可能首先实现商业化应用。而在高清显示技术方面,结合微接触印刷技术的三基色复合白光LED具有潜在应用价值。最后简要介绍在提高白光LED发光效率方面的进展。     

InGaN绿光LED中p型GaN层的优化设计

InGaN绿光LED的量子阱结构具有较高的In含量,InN与GaN之间较大的晶格失配度使得该结构的稳定性下降.由于量子阱结构生长完成之后的p型GaN的生长温度要远高于量子阱结构生长温度,因此,p型GaN的生长过程对多量子阱质量有重大影响.论文探讨了p型GaN的生长温度与厚度对绿光LED的材料结构及器件性能的影响.研究发现,p-GaN过高的生长温度和过大的厚度都能加剧多量子阱结构中In组分的波动,使得发光峰宽化,同时降低绿光量子阱的发光效率.论文据此提出了优化的p型GaN生长温度与厚度,探讨了量子阱保护层对InGaN绿光LED性能的影响,该结构有利于增强绿光LED发光波长的稳定性.     

基于锗量子点的硅基发光器件

硅基光源是实现硅基集成光电子芯片的核心器件,虽然近年来国内外已经取得多项重要成果,但适合于下一代大规模光电集成芯片的小尺寸、低功耗、工艺兼容的高效硅基发光器件仍然缺乏。文章介绍了基于嵌入光学微腔中的锗量子点实现硅基发光器件方面的研究成果,通过将分子束外延生长的锗自组装量子点嵌入硅光子晶体微腔中,实现了室温下处于通信波段的共振发光。通过在图形化衬底上生长实现锗量子点的定位,并精确嵌入光子晶体微腔中,实现了基于锗单量子点的硅基发光器件。     

表面等离子体提高GaN-LED发光效率的研究进展

表面等离子体能够增强氮化镓发光二极管的发光效率,为高效发光二极管芯片的研究提供了可行的方案。近年来,国内外研究小组在利用表面等离子体增强氮化镓发光二极管发光效率的实验中,取得了很多有价值的结果。介绍了具有金属薄膜、金属颗粒和金属光子晶体等典型结构的氮化镓发光二极管。重点探讨了表面等离子体增强发光二极管发光的机理、结构和关键技术。对具有二维金属光子晶体的氮化镓发光二极管发光增强机理进行了分析和预测,认为利用二维光子晶体可以从内量子效率和外量子效率两方面增强器件发光,并且有很好的可控制性,是提高发光效率的可行方案。     

低损伤ICP刻蚀技术提高GaN LED出光效率

首先分析了在制作GaN基LED时,采用干法刻蚀技术会对材料的表面和量子阱有源区造成损伤,影响了GaN基LED的内量子效率。针对这个问题,研究实验采用感应耦合等离子反应刻蚀(ICP-RIE)技术,分别选择了氯气/三氯化硼(Cl2/BCl3)气体体系和氯气/氩气(Cl2/Ar)气体体系,通过优化射频功率、ICP功率、气体流量以及相应的真空度,得到了良好的刻蚀端面,对于材料造成的损伤较低,得到更好的I-V特性。实验结果表明,采用低损伤的偏压功率刻蚀后制作的LED器件,出光功率提升一倍以上,同时采用Cl2/Ar气体体系,改善了器件的I-V特性,有效提高了LED的出光效率。     

UHB-LEDs的市场和技术需求

GaN基LED以每年消耗超过500万片相当于2 in的衬底片成为氮化物材料的最主要用户,其器件产值达到35亿美元.LED的下一个挑战是使市场份额超过普通照明产业.因此,提高美元/流明(($)/lumen)比率是一个关键因素.研究人员为此进行了大量的技术改进:●在管芯层面上,将光子晶体和表面纹理化技术结合,提高了光提取效率.实验室水平的外量子效率已经超过了75%.●在材料层面,用于GaN外延的新型衬底的迅速涌现以及复合衬底的直径达到6 in.这些技术为实现更高LED流明效率和降低成本,通往广阔的固态照明(SSL)产业开启了一扇新的大门.     

垂直结构GaN基LED的侧壁优化技术

为了提升垂直结构LED提取效率,针对器件侧壁出光的研究越发引起研究人员的关注。由于GaN的高折射率,大部分有源区发出的光线将被限制在GaN层内横向传输。对不同刻蚀倾角侧面的光提取效率进行分析模拟,模拟结果显示,LED的提取效率可以通过侧壁倾斜角度的优化得以提升。实验结果表明,特定侧壁倾角器件的提取效率相比较垂直侧壁提高了18.75%,电致发光光谱测试(EL)结果表明,实验结论与理论计算值基本吻合。本结论对垂直结构GaN基LED器件的优化设计与性能提升有重要指导意义。     

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.     

基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅设计与制备

刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件,有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅,该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示,相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅,光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗,同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明:该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB,串扰为5.87~8.72 dB,后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局,进一步提高器件的性能。     

LED光电器件的性能调控

制备了具有高量子效率的发光二极管(LED)器件。对于LED光电器件提高辐射复合速率有利于缓解电子泄露,增加了LED的发光功率,缓解了LED在大电流下的效率下降问题。本文通过采用InGaN/GaN作为LED的垒层,减小由极化引起的静电场,增大电子和空穴波函数的交叠比,从而增大了辐射复合速率。