全息方法实现高外量子效率光子晶体LED

论文摘要

发光二极管（LED）被称为21世纪照明光源,其与传统光源相比具有节能,环保,使用寿命长等优点,其主要应用领域包括:交通指示灯,户外全彩色显示器,LCD背光照明,和日常照明以及装饰照明等方面,是将来社会发展所需要的更高亮度、更低能耗的照明器件。然而,目前LED要在照明领域上完全替代其他光源,还需要解决提高光效,降低成本,降低芯片发热量,提高LED使用寿命等问题,而这些问题全部都受到LED外量子效率很低的制约。LED的外量子效率低主要是由于其表面与空气界面的全反射条件的限制,导致其光提取效率不高。目前国际上有许多提高LED光提取效率的方法,如表面粗化,制作布拉格反射层,制作二维光子晶体等。在这些方法当中,利用二维光子晶体提高LED的外量子效率具有工艺简单,光提取效率高等优点成为目前提高LED外量子效率的研究热点之一。目前国际上制作光子晶体LED的方法各自存在其优缺点,还没有一种方法能方便、快捷、低成本的制作大面积小晶格常数的光子晶体图形。这使光子晶体LED还无法进行产业化生产。利用激光全息技术在光刻胶上制作光子晶体具有成本低,制作周期短,可方便制作大面积光子晶体等优点。而且使用全息光学元件（HOE）制作光子晶体的光路系统具有工艺简单,制作系统稳定,容易调节等优点。因此本研究使用由三个两两夹角为120°的全息光栅组成的HOE通过一次曝光制作二维六角光子晶体图形的光刻胶掩模层（在本文中称这种方法为HOE光全息方法）,并根据半导体的不同性质,使用湿法刻蚀将图形转移到GaN基LED的电流扩展层ITO上,使用干法ICP刻蚀技术将图形转移到蓝宝石衬底上,来提高GaN基LED的外量子效率。实验结果证明这种方法可以方便、快捷、低成本的制作大面积光子晶体图形,能够满足产业化生产的要求,并能有效的提高LED的外量子效率。本课题从理论到实验对制作二维光子晶体的方法和提高LED外量子效率的效果进行了研究,本文的主要研究工作和结果包括以下几个方面:1.从理论上分析了只要在干涉面上投影两两夹角为120°的三束光相干涉就能形成二维六角晶格结构,模拟分析了不同光强和偏振态对于干涉形成的晶格结构的影响,结果表明只有三束光的光强和偏振态完全一致才能干涉形成结构完整的二维六角晶格结构。在此基础上,模拟以正性光刻胶作为记录介质的显影过程。最后从理论上分析HOE制作光路系统和使用HOE制作光子晶体系统的参数选择。2.分析了二维光子晶体提高GaN基LED光提取效率的两种机理,并针对在ITO表面制作二维六角光子晶体作为表面光栅提高GaN基LED光提取效率的机理进行理论分析和计算,得出了能够衍射出LED的入射光角度与光子晶体晶格常数之间的关系,从而找出了最有利于提高GaN基LED光提取效率的晶格常数的范围为250nm～500nm。3.使用HOE光全息方法和湿法刻蚀技术相结合在GaN基LED的ITO电流扩展层上制作二维六角光子晶体图形提高GaN基LED的光提取效率。并对相同晶格常数（1μm）不同表面形貌的结构进行比较,结果表明在晶格常数相同的情况下,结构完整,侧壁有一定侧壁厚度（200nm）,刻蚀深度为70nm的图形有利于提高LED的光提取效率,提高的幅度为25%。接着比较了表面形貌相同的晶格常数分别为1.2μm、1.5μm、1.8μm的结构的提高效果,测试结果表明在表面形貌相同的情况下,小晶格常数（1.2μm）的结构更有利于LED光提取效率的提高,提高的幅度为22.5%。4.使用HOE光全息方法和干法ICP刻蚀技术相结合在蓝宝石衬底上制作晶格常数为3.8μm,刻蚀深度为800nm的二维六角光子晶体结构。并在制作好的蓝宝石图形衬底上生长GaN材料,制作成PSS-LED器件。通过测试结果证明这是一种提高LED外量子效率的有效途径:PSS-LED相对于普通LED平均光强提高了接近100%,最大光强提高了30%。最后对PSS大幅度提高GaN基LED外量子效率的原因进行分析,认为在GaN晶格质量没有提高的情况下提高外量子效率的主要原因是衬底图形对衬底与GaN层之间的波导光的散射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 LED的重要意义
• §1.2 LED的优点、应用领域及市场前景
• §1.3 LED的外量子效率以及降低外量子效率的原因
• §1.4 目前国际上提高LED光提取效率的方法
• §1.4.1 生长分布布拉格反射层（DBR）结构
• §1.4.2 制作透明衬底LED（TS-LED）
• §1.4.3 倒金字塔形LED
• §1.4.4 表面粗化技术
• §1.4.5 光子晶体方法
• §1.5 光子晶体LED的种类及制作方法分析
• §1.5.1 光子晶体谐振腔LED
• §1.5.2 深刻蚀光子晶体LED结构
• §1.5.3 表面光子晶体LED结构
• §1.5.4 衬底光子晶体LED结构
• §1.5.5 全方位结构
• §1.6 本研究的特点
• §1.7 本文的主要内容
• [参考文献]
• 第二章 全息术制作二维六角光子晶体图形的模拟分析
• §2.1 全息方法实现二维六角光子晶体的理论基础
• §2.2 计算模拟三束光干涉的光强分布
• §2.3 计算机模拟全息光子晶体在光刻胶中的制作
• §2.3.1 光刻胶作为全息记录材料的机理
• §2.3.2 在光刻胶上制作二维六角光子晶体显影过程的模拟
• §2.4 二维六角全息光子晶体制作光路系统的理论分析
• §2.5 本章小结
• [参考文献]
• 第三章 在ITO表面制作二维六角全息光子晶体结构
• §3.1 光子晶体提高LED外量子效率的基本原理
• §3.1.1 制约LED外量子效率的主要原因
• §3.1.2 光子晶体提高LED光提取效率的基本原理
• §3.1.3 使用光子晶体作为表面光栅提高LED光提取效率的理论分析
• §3.2 光子晶体LED的实验制作及测试
• §3.2.1 ITO材料的选取
• §3.2.2 ITO的表面清洗处理
• §3.2.3 光刻胶的选择与涂覆
• §3.2.4 光刻胶上光子晶体图形的制作
• §3.2.5 ITO上的光子晶体图形制作及测试结果
• §3.3 本章小结
• [参考文献]
• 第四章 图形蓝宝石衬底（PSS）LED的设计与制作
• §4.1 图形蓝宝石衬底（PSS）LED制作概述
• §4.1.1 在倒置的GaN基LED的蓝宝石衬底表面制作二维光子晶体结构
• §4.1.2 图形蓝宝石衬底（PSS）LED
• §4.2 图形蓝宝石衬底（PSS）的设计
• §4.3 PSS-LED的实验制作及测试结果
• §4.3.1 蓝宝石衬底表面清洗处理
• §4.3.2 光刻胶的选择与涂覆
• §4.3.3 光刻胶上二维六角光子晶体图形的制作
• §4.3.4 PSS-LED的实验制作
• §4.4 PSS-LED的光学和电学特性测试结果
• §4.5 PSS提高LED外量子效率的原因分析
• §4.6 本章小结
• [参考文献]
• 第五章 总结与展望
• §5.1 本研究工作总结
• §5.2 未来工作展望
• [参考文献]
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢