光子晶体发光二极管的光操控设计与实验研究

Photonic crystal structure have been proved to be an effective way to improve the light properties of light emitting diodes (LEDs)，but as an interdiscipline of science, in spit of its great applicable potential, photonic crystal LEDs have to overcome many scientific obstacles. The research of this project mainly focus on the light manipulation in photonic crystal LEDs. In theory, based on the actual radiation of real emitting device, we develop the planar source model to study the novel light manipulation phenomenons in photonic crystal LEDs, especially the highly reflective merit of photonic crystals and its related application in LEDs. Experimentally, as to address the obstacle of fabricating submicron-patterns photonic crystal LEDs, we develop low cost, mass-production technique used in the fabrication of submicron photonic crystal patterns in semiconductor materials. In addition, we design and fabricate photonic-crystals-embedded LEDs structure with novel light properties. We the proposed model and experiment results to further study the light properties of photonic crystal LEDs.

光子晶体结构被证明能有效提高LED器件的发光效应，具有巨大的应用潜力，但作为一门交叉学科，光子晶体LED在理论与实验上还有很多没有解决的科学问题。本项目重点研究光子晶体结构在LED中的光操控作用。在理论上，针对目前基于发光器件实际辐射特性的研究模型的基本空白，本项目使用更接近LED 实际发光的面光源模型来研究光子晶体LED 中的光操控新特性，重点研究光子晶体的高反射特性在LED 中的应用及相应新型结构的设计。实验上，针对亚微米图形的光子晶体LED的制作困难，本项目研究开发成本低廉，适合在半导体材料上大面积制作亚微米图案的光子晶体掩膜的技术，并实现在半导体材料上的图形转移。在上述理论与实验基础上，设计和制作具有特殊光学特性的内嵌光子晶体LED 结构，研究新型发光器件的光学性能，进一步提高光子晶体LED的发光效率。

光子晶体结构被证明能有效提高LED器件的发光效率，但目前仍存在许多函待解决的科学问题和产业问题。本项目针对实际LED器件的若干技术难题，进行了光子晶体LED的实验和理论的探究。项目成功制备了面积可大于2英寸，厚度在2~20um可调， 正反面双通，周期为100~150nm或300~450nm，孔洞大小为0~300nm，边缘有铝支撑的有序多孔透明氧化铝掩膜。采用该掩膜，通过电感耦合等离子刻蚀（ICP）技术，在GaN、ZnO、SiO2、Si等常见的半导体材料的表面实现了掩膜的大面积有序孔洞图形转移。采用该图形制备技术，在使用掺Al的ZnO（AZO）为电流扩展层的LED器件的SiO2钝化层表面大面积制作了光子晶体图案。经过结构和工艺的优化，AZO电流扩展层没有被刻蚀所损伤，和平面LED相比，20mA下的工作电压只提高了5mV，小于大部分国内外报道的光子晶体LED结构；光子晶体LED的发光功率较平面LED提高了19%，100mA下发光功率进一步提高了56%。同时，项目对LED模拟平台进行扩展，采用分层近拟的方法，使得模型可处理任意的孔洞轮廓的光子晶体结构的反射和透射的计算。为解决硅衬底LED的衬底吸光问题，结合实际的silicon on insulator (SOI)衬底结构，在SOI衬底表面设计并制作出界面具有高反射率的光子晶体结构。经设计的优化，蓝光波段460nm的界面反射率可以从平面SOI的19%提高到75%，相应的实验结果显示，460nm波长的垂直反射率由平面SOI的37%提高到光子晶体SOI的61%，在我们所监测的蓝光波段，SOI的界面反射率提高到原来的约2~4倍，基本上达到了预期的设计效果，且实验结果与理论模拟计算结果基本吻合。. 经过项目的开展，我们掌握了大面积的有序多孔双通氧化铝掩膜的制备方法，发展了一套在半导体材料和器件中低成本大面积制作光子晶体结构的技术，对未来光子晶体光电器件的实用化起到了一定的推动作用。在理论和实验上，验证了具有光子晶体结构的硅衬底可具有较高的界面反射率，为后续解决硅衬底LED的衬底吸光问题提供了一种可行的方案。另外，项目在LED芯片封装和结温测试、太阳能电池材料的制备方面也开展了一些工作。