利用光子晶体与一维光栅结构提高gan基led光取出效率的研究.pdf

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1、分类号学号D201077731密级学校代码10487博士学位论文利用光子晶体与一维光栅结构提高GaN基LED光取出效率的研究学位申请人：刘会学科专业：光学工程指导教师：高义华答辩日期：2014.5.17 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofOpticalEngineeringStudyonenhancingthelightextractionefficiencyofGaN-basedlight-emit

2、tingdiodesbyphotoniccrystalandone-dimensionalgratingstructureCandidate:LiuHuiMajor:OpticalEngineeringSupervisor:Prof.GaoYihua 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承

3、担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在不保密□。年解密后适用本授权书。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学博士学位论文摘要LED（Light-emittingd

4、iodes），即发光二极管，是一种基于p-n结电致发光原理制成的半导体发光器件。相较于传统的照明光源，LED具有发光效率高、使用寿命长、节能环保、体积小质量轻、可靠性能高等优点，被誉为21世纪绿色照明光源。随着大功率LED流明效率不断提高、成本不断下降，大功率LED在通用照明与特种照明领域得到了越来越广泛的应用，如LED路灯、LED背光、LED汽车前照灯等等。受全反射限制，传统LED芯片的光取出效率较低，而提高LED光取出效率和改善其散热性能是实现功率型LED必须克服的技术瓶颈。本论文的研究工作围绕着“提高LED光取出效率”而

5、展开，主要进行了基于光子晶体禁带特性提高LED光取出效率的研究以及利用一维表面光栅结构提高出光面为平面的倒装LED芯片光取出效率的研究，通过在倒装LED芯片的出光面添加一维光栅结构还可以极大的减弱p-GaN层厚度变化对其光取出效率影响。本论文采用时域有限差分方法对所设计的LED芯片结构进行仿真。除此之外，由于光子带隙是光子晶体最主要光学特性，一般而言，光子带隙越宽，光子晶体器件的性能越稳定。因此，我们的工作有一部分是关于宽的完全带隙光子晶体的设计和研究，也在这一方面取得了一定的研究结果。本论文的研究成果如下：（1）采用平面波展

6、开法，系统研究了空气环型二维光子晶体完全带隙随结构参数（包括：介质折射率、空气孔归一化内径和空气孔归一化外径）变化而变化的规律情况，并将其与普通的空气孔型与介质柱型二维光子晶体完全带隙特性进行了比较。研究表明：相较与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体，空气环型二维光子晶体可以获得更宽的完全带隙，而且可以获得介质柱型和空气孔型光子晶体在低折射率条件下无法获得的完全带隙。（2）系统研究了三角晶格与正方晶格空气孔型GaN二维光子晶体平板类TE模带隙随光子晶体平板结构参数（包括：平板厚度以及空气孔归一化半径）变化而变化的规律情况，基

7、于此计算可以对GaN光子晶体平板结构参数进行优化以获得较宽的类TE模带隙；然后利用三维时域有限差分方法计算了GaN二维光子晶体平板LEDI 华中科技大学博士学位论文光取出效率，数值计算结果证实了落入光子带隙内的光的导模自发辐射受到抑制，能量以辐射模形式出射，从而使得LED光取出效率得到极大提高。上述研究为高光取出效率的GaN二维光子晶体平板LED的设计提供了理论参考。（3）采用倒装LED芯片技术可以有效的解决LED芯片的散热问题同时也可以提高LED光取出效率，但是对于出光面为平面的倒装LED芯片而言，其光取出效率仍受全内反射限

8、制，同时p-GaN层厚度变化对其光取出效率影响较大，实际制备时需要较严格控制p-GaN层厚度以获得高光取出效率。为进一步提高出光面为平面的倒装LED芯片光取出效率，并减弱p-GaN层厚度变化对倒装LED芯片光取出效率的影响，提出了在倒装LED芯片的出光面即n-GaN层刻蚀形成