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无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

陈新莲 孔凡敏 李康 高晖 岳庆炀

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

陈新莲, 孔凡敏, 李康, 高晖, 岳庆炀
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  • 亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE), 然而在制造过程中会存在缺陷或无序. 利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化, 在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真, 研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明, 光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降, 而可使非优化的60 nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到±20 nm之间变化时, LEE最大会产生53.8% 的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小, 一般可以忽略. 研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2009CB930503, 2009CB930501)、国家自然科学基金(批准号: 61077043)、教育部留学回国人员科研启动基金、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(批准号: BS2009NJ002)和济南大学校科研基金(批准号: XKY0917)资助的课题.
    [1]

    Schubert E F 2006 Light-Emitting Diodes (New York: Cambridge University Press) p21

    [2]

    Fang Z l, Qin J M 1992 Semiconductor Light-Emitting Material and Device (Shanghai: Fudan Univerty Press) [方志烈, 秦金妹 1992 半导体发光材料和器件 (上海:复旦大学出版社)]

    [3]

    Department of Energy 2008 Solid State Lighting Research and Development Multi-Year Program Plan FY'09-FY'14 2012.2.7

    [4]

    Wierer J J, Steigerwald D A, Krames M R, O'Shea J J, Ludowise M J, Christenson G, Shen Y C, Lowery C, Martin P S, Subramanya S, Gotz W, Gardne N F, Kern R S, Stockman S A 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3379

    [5]

    Shchekin O B, Epler J E, Trottier T A, Margalith T, Steigerwald D A, Holcomb M O, Martin P S, Krames M R 2006 Appl. Phys. Lett. 89 071109

    [6]

    Chao C H, Chuang S L, Wu T L 2006 Appl. Phys. Lett. 89 091116

    [7]

    Krames M R, Ochiai-Holcomb M, Höfler G E, Carter-Coman C, Chen E I, Tan I H, Tan T S, Kocot C P, Hueschen M, Posselt J, Loh B, Sasser G, Collins D 1999 Appl. Phys. Lett. 75 2365

    [8]

    Fujii T, Gao Y, Sharma R, Hu E L, Denbaars S P, Nakamura S 2004 Appl. Phys. Lett. 84 855

    [9]

    Matioli E, Weisbuch C 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 354005

    [10]

    Xu X S, Chen H D, Zhang D Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 6433 (in Chinese) [许兴胜, 陈宏达, 张道中 2006物理学报 55 6433]

    [11]

    Raedt H D, Lagendijk A, Vries P D 1989 Phys. Rev. Lett. 62 47

    [12]

    Wang B W, Jin Y, He S L 2009 J. Appl. Phys. 106 014508

    [13]

    Savona V 2011 Phys. Rev. B 85 085301

    [14]

    Long D H, Hwang I K, Ryu S W 2009 IEEE J. Sel. Top. Quan. Elec. 15 1257

    [15]

    Long D H, Kag H I, Wan S 2008 Jpn. J. Appl. Phys. 47 4527

    [16]

    Wiesmann C 2009 Ph. D. Dissertation (Regensburg: Regensburg Universität)

    [17]

    Köhler U, As D J, Schöttker B, Frey T, Lischka K, Scheiner J, Shokhovets S, Goldhahn R 1999 J. Appl. Phys. 85 404

    [18]

    Ryu H Y 2009 J. Kore Phys. Soci. 55 2644

    [19]

    Matiolio E, Fleury B, Rangel E, Melo T, Hu E, Speck J, Weisbuch C 2010 Appl. Phys. Exp. 3 032103

  • [1]

    Schubert E F 2006 Light-Emitting Diodes (New York: Cambridge University Press) p21

    [2]

    Fang Z l, Qin J M 1992 Semiconductor Light-Emitting Material and Device (Shanghai: Fudan Univerty Press) [方志烈, 秦金妹 1992 半导体发光材料和器件 (上海:复旦大学出版社)]

    [3]

    Department of Energy 2008 Solid State Lighting Research and Development Multi-Year Program Plan FY'09-FY'14 2012.2.7

    [4]

    Wierer J J, Steigerwald D A, Krames M R, O'Shea J J, Ludowise M J, Christenson G, Shen Y C, Lowery C, Martin P S, Subramanya S, Gotz W, Gardne N F, Kern R S, Stockman S A 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3379

    [5]

    Shchekin O B, Epler J E, Trottier T A, Margalith T, Steigerwald D A, Holcomb M O, Martin P S, Krames M R 2006 Appl. Phys. Lett. 89 071109

    [6]

    Chao C H, Chuang S L, Wu T L 2006 Appl. Phys. Lett. 89 091116

    [7]

    Krames M R, Ochiai-Holcomb M, Höfler G E, Carter-Coman C, Chen E I, Tan I H, Tan T S, Kocot C P, Hueschen M, Posselt J, Loh B, Sasser G, Collins D 1999 Appl. Phys. Lett. 75 2365

    [8]

    Fujii T, Gao Y, Sharma R, Hu E L, Denbaars S P, Nakamura S 2004 Appl. Phys. Lett. 84 855

    [9]

    Matioli E, Weisbuch C 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 354005

    [10]

    Xu X S, Chen H D, Zhang D Z 2006 Acta Phys. Sin. 55 6433 (in Chinese) [许兴胜, 陈宏达, 张道中 2006物理学报 55 6433]

    [11]

    Raedt H D, Lagendijk A, Vries P D 1989 Phys. Rev. Lett. 62 47

    [12]

    Wang B W, Jin Y, He S L 2009 J. Appl. Phys. 106 014508

    [13]

    Savona V 2011 Phys. Rev. B 85 085301

    [14]

    Long D H, Hwang I K, Ryu S W 2009 IEEE J. Sel. Top. Quan. Elec. 15 1257

    [15]

    Long D H, Kag H I, Wan S 2008 Jpn. J. Appl. Phys. 47 4527

    [16]

    Wiesmann C 2009 Ph. D. Dissertation (Regensburg: Regensburg Universität)

    [17]

    Köhler U, As D J, Schöttker B, Frey T, Lischka K, Scheiner J, Shokhovets S, Goldhahn R 1999 J. Appl. Phys. 85 404

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    Ryu H Y 2009 J. Kore Phys. Soci. 55 2644

    [19]

    Matiolio E, Fleury B, Rangel E, Melo T, Hu E, Speck J, Weisbuch C 2010 Appl. Phys. Exp. 3 032103

  • [1] 岳庆炀, 孔凡敏, 李康, 赵佳. 基于缺陷光子晶体结构的GaN基发光二极管光提取效率的有关研究. 物理学报, 2012, 61(20): 208502. doi: 10.7498/aps.61.208502
    [2] 陈健, 李海华, 王庆康, 李小丽. 基于正方和六角排列结构光子晶体对发光二极管出光效率的研究. 物理学报, 2009, 58(9): 6216-6221. doi: 10.7498/aps.58.6216
    [3] 林瀚, 刘守, 张向苏, 刘宝林, 任雪畅. 全息技术制作二维光子晶体蓝宝石衬底提高发光二极管外量子效率. 物理学报, 2009, 58(2): 959-963. doi: 10.7498/aps.58.959
    [4] 陈依新, 汤益丹, 沈光地, 郑婉华, 陈微, 陈良惠. 表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究. 物理学报, 2010, 59(11): 8083-8087. doi: 10.7498/aps.59.8083
    [5] 高晖, 孔凡敏, 李康, 陈新莲, 丁庆安, 孙静. 双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究. 物理学报, 2012, 61(12): 127807. doi: 10.7498/aps.61.127807
    [6] 陈湛旭, 万巍, 何影记, 陈耿炎, 陈泳竹. 利用单层密排的纳米球提高发光二极管的出光效率. 物理学报, 2015, 64(14): 148502. doi: 10.7498/aps.64.148502
    [7] 李炳乾, 刘玉华, 冯玉春. 大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响. 物理学报, 2008, 57(1): 477-481. doi: 10.7498/aps.57.477
    [8] 黎振超, 陈梓铭, 邹广锐兴, 叶轩立, 曹镛. 有机添加剂在金属卤化钙钛矿发光二极管中的应用. 物理学报, 2019, 68(15): 158505. doi: 10.7498/aps.68.20190307
    [9] 时强, 李路平, 张勇辉, 张紫辉, 毕文刚. GaN/InxGa1-xN型最后一个量子势垒对发光二极管内量子效率的影响. 物理学报, 2017, 66(15): 158501. doi: 10.7498/aps.66.158501
    [10] 郭浩, 吴评, 于天宝, 廖清华, 刘念华, 黄永箴. 一种新型的光子晶体偏振光分束器的设计. 物理学报, 2010, 59(8): 5547-5552. doi: 10.7498/aps.59.5547
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-02-07
  • 修回日期:  2012-07-29
  • 刊出日期:  2013-01-05

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

  • 1. 山东大学信息科学与工程学院, 济南 250100;
  • 2. 济南大学物理科学与技术学院, 济南 250022
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号: 2009CB930503, 2009CB930501)、国家自然科学基金(批准号: 61077043)、教育部留学回国人员科研启动基金、山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(批准号: BS2009NJ002)和济南大学校科研基金(批准号: XKY0917)资助的课题.

摘要: 亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE), 然而在制造过程中会存在缺陷或无序. 利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化, 在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真, 研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明, 光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降, 而可使非优化的60 nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到±20 nm之间变化时, LEE最大会产生53.8% 的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小, 一般可以忽略. 研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.

English Abstract

参考文献 (19)

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