高亮度、长寿命和热稳定性仿生光子晶体LED关键科学技术研究

光子晶体LED 是未来高亮度LEDs主流产品，本项目针对大功率LED发光效率低、使用寿命短、空间色度均匀性差和热稳定性弱这四项关键技术和难点，从仿生角度，模仿自然界"蝉翅伪色、蝶翅发光、昆虫复眼成像"，提出"仿生光子结构、负热膨胀、高效荧光复合体"三项新技术并引入大功率LED芯片设计，实现"提高发光效率、消除封装树脂紫外劣化增强寿命、光场分布优化和可控高速调制输出、强化芯片散热、提高热稳定型"，并且在"皮秒（10－12s）级超快光发射调制"理论争取获得新突破，模拟动物复眼将"单向"发光拓展为"体"发光，在性能参数方面, 光子晶体LED 的光电转换效率突破80lm/W。研究和运用飞秒激光制作光子晶体和飞秒激光微驱动压印技术，推进大功率LED规模生产。

发光二极管(light-emitting diode,LED)出光效率较低成为制约其发展的主要原因，采用光子晶体技术是未来提高LED出光效率重要要方法，本课题完成了研究计划的目标和内容，具体研究成果与指标如下：（1）研究LED有源区和平板光子晶体微结构之间的耦合特性，建立实用的耦合理论模型。项目较为系统地研究一维和二维光子晶体理论、特性和应用，基于光子的隧穿效应，利用传输矩阵法开展了介质膜非线性微腔结构、一维光子晶体缺陷结构的研究，其具有非线性光学传输方向性，高的色散分辨率等独特特性。展开对二维光子晶体能带、微腔、多模波导及应用进行研究。基于多模干涉(MMI)自成像效应(SIE)和三平行光子晶体单模波导的方向耦合，提出了两种新型二端口分束器，通过在输入、输出耦合区联结处设置介质柱和通过改变输出波导和耦合区连结的一个介质柱位置构成波导微腔结构，达到改变输入/输出耦合区模场分布，达到模式匹配，减小光子晶体波导分束器的反射损耗，大大提高分束器透射率。（2）基于磁偶极子点光源模型，优化设计光子晶体LED的结构模型，通过优化设计一种空气孔三角晶格光子晶体LED结构，提高了LED的发光效率，其增强因子高达4.7倍。（3）构建飞秒激光在材料表面刻蚀制备周期微细结构的系统，开发了高真空飞秒激光刻蚀半导体材料表面的实验装置，研究了在空气、高真空度、ＳＦ６ 气氛中激光加工微纳结构的方法，通过飞秒激光在六氟化硫气氛中成功制备出微锥状结构，并在此基础上考察了激光参数对微米圆锥形成的影响；通过改变飞秒激光的脉冲个数、能量密度等参数对尖锥的形态变化进行了研究，得到了制备微锥结构表面的最佳工艺参数；通过紫外-可见分光光度计，测得微结构硅200-900nm的加权平均反射率为2%（国际报道为2%-3%）。（4）利用波长为800 nm的飞秒脉冲激光对表面贴有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)透明膜的单晶硅片进行扫描, 研究了不同激光制备参数对微结构形成的影响. 发现锥状微结构是否形成取决于激光能量密度,而激光扫描速度可直接影响锥状微结构的质量,分析了贴膜条件下锥状微结构的形因是由激光烧蚀作用和氧化作用共同引起的, 且激光烧蚀作用占主导。（5）本课题首次提出激光飞片加载层裂微成形的概念，创造性的把激光层裂机理运用于微成形加工领域，利用激光飞片加载的优化冲击波对不同基底上的单层/多层薄膜进行微纳制造。