用于提高LED出光效率光子晶体的新型制作方法

发光二极管(Light emitting diode , LED) 是一种新型的低功耗、长寿命固态光源，但因其结构特点不仅导致出光效率低，也使LED寿命缩短，因而限制了在背光照明、显示、普通照明等领域的应用范围。在LED各层制作光子晶体是一种提高LED出光效率的方案，但电子束、离子束、全息法、纳米压印法等技术手段虽可制作光子晶体，但效率低、成本昂贵、无法实现大尺寸制作等缺点，导致了光子晶体LED无法实现规模化生产。III-V族是高效LED的衬底外延材料，本项目提出了在GaN基LED各层（p-GaN, n-GaN, ITO）制作光子晶体的新方法- - 数控激光干涉刻蚀方法，通过实验研究和理论分析，探索GaN基LED各层制作深亚微米尺度光子晶体的工艺参数与提高LED发光效率的关系，建立快速、高效率光子晶体制作方法，期望为高效率LED提供一种有效的制造方法。

发光二极管(Light emitting diode , LED) 是一种新型固态光源，具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度快、易于调制和集成等优点，已被广泛应用于液晶显示用背光模组、照明和室外全色显示设备、通信等领域。与传统光源相比其转换效率仍然不具备竞争优势，从而制约了其应用的推广范围和速度。光子晶体结构提高LED出光效率一直受到国内外研究人员的关注，并通过电子束、粒子束、全息法、纳米压印等技术手段，实现了光子晶体LED的制作。由于上述制作方法效率低、成本昂贵、无法实现大尺寸制作等缺点，导致了光子晶体LED 无法实现规模化生产。本项目从应用基础研究角度，利用数控激光干涉刻蚀方法在LED结构各表面制作光子晶体，采用紫外（351nm）高功率半导体抽运全固态激光（Diode Pumped Solid State Laser, DPSSL）作为光源，利用数控干涉刻蚀系统（双光束双曝光、四光束干涉），直接在GaN 基LED 各层（ p-GaN, n-GaN, ITO）刻蚀出深亚微米尺度的光子晶体。在主要的研究成果有：.(1)利用波动光学理论，建立了四光束干涉的物理模型，获得干涉光场分布。.(2)建立了高斯型重复脉冲激光辐照材料导致的二维热效应模型，利用热传导方程和边界条件，求解了纳秒激光辐射材料的温度场模型，计算得到相应的热破坏阈值。.(3)实验样机的设计、搭建及优化。.(4)耐高功率的分光棱镜和光栅、高数值孔径光学干涉头等光路关键器件的设计加工，最高支持400nm周期，200nm线宽的结构制作。.(5)建立并完善数控激光干涉刻蚀工艺流程，在2 英寸的GaN制作了200nm尺度的周期性光子晶体结构，.(6)基于DMD干涉光刻技术，突破了大面积光子晶体加工的无缝拼接难题。(7)发表了4篇EI收录论文，申请并授权3项国家发明专利。.本项目的实施，为光子晶体LED的加工提供了一种新的技术途径，在加工方法和软、硬件的设计以及高精密实验样机取得了关键性的突破，获得了相关技术的知识产权，基本达到了本项目的设定目标。