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具有光子晶体结构的LED制备技术的最新进展
更新时间：2016-05-30 浏览数：次

【高工·新产业综合报道】 【来源：《高工LED-技术与应用》10月刊】


一、前言


    LED若要在照明领域完全替代白炽灯、节能灯等传统光源，除了努力降低生产成本之外，还需要进一步提高电光效率，减小芯片的发热量，以有效地提高LED的使用寿命和可靠性[1]。LED的光提取效率或外量子效率低的主要原因是由于LED表面物质与空气的折射率差异巨大，导致LED有源区所发出的光线在界面处受到全反射而无法出射[2]。目前国际上已出现数种提高LED光提取效率的方法，如表面粗化技术，在LED内部引入布拉格反射层，以及在衬底或LED的表面制作光子晶体结构等[3]。将光子晶体结构引入普通的LED器件，利用光子晶体所特有的光子带隙效应，可在垂直于LED表面的方向上增强光的自发辐射，从而显著提高LED的出光效率[4]。Fan等人[5]从理论上研究了二维光子晶体平板结构对改变LED的自发辐射强度空间分布的影响，证明二维光子晶体可以有效地提高LED的光提取效率。
    另一方面，国内外的一些研究小组已经运用不同的制作工艺，制备出具有光子晶体结构的氮化镓基LED，并实际观测到LED出光效率的大幅度提高。Lin等人使用电子束刻蚀法制备出了世界上第一个具有光子晶体结构的LED器件。其研究结果显示，具有光子晶体结构的LED，其输出功率比不具有光子晶体结构的普通LED高2.3倍。包魁等人利用纳米压印技术制作出具有光子晶体结构的蓝光氮化镓基LED，同样获得使LED的光输出功率提高60%的优良成果。Kim等人则采用激光全息干涉方法在氮化镓基LED的表面透明电极层(ITO)上，制作出呈方形排列的光子晶体结构，也取得将LED的光提取效率一举提高2.1倍的惊人结果。由于激光全息干涉技术具有方便、快捷、低成本地制作大面积的光子晶体图形的优点，因而比电子束刻蚀法或纳米压印法更适合工业化生产的要求。图1所示为在ITO表面制备有光子晶体结构的氮化镓基LED的示意图。

二、光子晶体及其提高LED光提取效率的工作原理

    1987年，Yablonovitch和John借鉴了半导体晶体及其电子带隙的概念，首次分别独立提出了光子晶体(photonic crystal)的概念。光子晶体是由具有不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排布的结构。当光波在其中传播时，遵循折射、反射、透射原理，恰如电子在晶体中受到原子的周期性扰动而形成电子能带结构，光子遭遇到折射率呈周期性变化的介质的布拉格散射而受到调制，从而形成光子能带结构。在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的光波完全不能透过的频率区域，此频率区域称为光子带隙或光子禁带。