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橢球周期结构增强LED发光效率的研究

于晓杰  
【摘要】:发光二极管(LED)作为一种绿色光源,具有体积小,节能环保,寿命长,响应速度快等优点,被广泛应用于信号灯,背光源及日常照明等领域,具有广阔的市场前景。在能源危机日益突出的今天,LED高效的能源转换及巨大的应用市场在我国节能减排的实施过程中起到巨大的作用。但是,LED较低的外量子效率导致的低发光效率制约了其快速发展。提高外量子效率一方面通过提高内量子效率实现,另一方面通过提高光提取效率实现。随着技术的发展,LED的内量子效率已超过80%,提升空间较小。所以,如何提高LED的光提取效率成为增强LED发光效率所要解决的主要问题。而影响LED光提取效率的主要因素是菲涅耳反射和全内反射。因此,如何克服LED内存在的菲涅尔反射和全反射,提高LED光提取效率成为国内外研究的重点。目前国内外研究者提出了光子晶体,表面粗化,图形化衬底,复合结构,微纳米周期结构等方法提升LED的光提取效率并进行了大量的实验研究。其中表面微纳米周期结构能抑制LED的全内反射,提高其光提取效率,得到广泛关注。实验研究作为LED光提取效率研究的一种重要手段,但有时候会耗费大量不必要的人力物力。因此需要开展系统科学的理论研究为实验提供理论指导,同时通过数值理论计算优化LED表面微纳米结构参数,进一步为实验指明方向,以减少实验带来的不必要耗费。本文以表面椭球周期结构氮化镓(GaN)基薄膜倒装LED为研究对象,通过数值仿真计算优化分析椭球结构对薄膜倒装LED光提取效率的影响,优化其结构参数并通过内部能量分布图样和衍射效率分析了椭球周期结构增强薄膜倒装LED光提取效率的原因。本文主要研究内容如下:(1)利用时域有限差分方法(FDTD)数值计算表面椭球周期结构对薄膜倒装LED光提取效率的影响。仿真分析薄膜倒装LED光提取效率随椭球结构周期,高度变化而变化的趋势。同时仿真计算薄膜倒装LED内部能量分布图样,探讨椭球周期结构增强薄膜倒装LED光提取效率的原因。仿真结果表明,椭球周期结构能够将更多的入射光聚集到临界角内,削弱薄膜倒装LED内的导模,与平板LED相比提高薄膜倒装LED的光提取效率达2.8倍。(2)为了进一步研究椭球周期结构增强LED光提取效率的原因,利用严格耦合波分析(RCWA)方法分析了椭球周期结构薄膜倒装LED的衍射效率。通过分析不同结构参数的椭球周期结构薄膜倒装LED的衍射效率发现,椭球周期结构可以有效地抑制薄膜倒装LED的全内反射,扩展薄膜倒装LED的临界角,有利于LED光提取效率的提高。


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