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激光全息光刻法制作光子晶体LED

2013-05-24 16:03
论恒
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  LED是一种低功耗、长寿命的固体光源,在汽车灯、液晶显示器的背光照明、交通灯等有广泛应用。GaN作为现在研究热点的第三代半导体材料代表,越来越多的应用在LED中。单由于GaN及其相关的化合物半导体的折射率都较高,远大于空气折射率,其折射率与空气折射率之间的严重失配使有源区所产生的多数光由于全内反射不能从LED中有效的发射出去,其外量子效率很低。典型的LED大约有70%的电能转化为光,但只有约20%的光挣脱限制成为出射光,其余大部分光将被限制在空气-GaN-蓝宝石衬底之间而形成波导光。

  光子晶体的出现使LED出光效率的大幅度提高成为可能。其特殊结构可用于增强自发辐射,进而提高固态光源的出光效率。1997年,S.H.Fan等人首次利用三维时域有限差分法并且考虑吸收的边界状态,研究了二维光子晶体平板结构对LED的自发辐射空间分布的影响。美国加州大学Santa Bartara分校通过使用激光剥离去掉蓝宝石衬底后,在GaN层上使用反应离子蚀刻法和电子束刻蚀制备出第一个光子晶体辅助出光的LED,当对光子晶体结构的刻蚀时间为2min时,LED输出功率增加到原来的1.9倍,10min时则增加到2.3倍。目前,国内外许多研究人员已经应用不同的制作工艺制备GaN基光子晶体LED,实现了LED出光效率的大幅度提高。

  1、GaN基光子晶体LED的研制

  光子晶体最本质的特征是存在光子禁带,利用这一特征,将其集成在LED上,当光子晶体的禁带宽度大于LED的发光谱宽度时,发光区发射出的光能够在光子晶体表面上全反射。另一个主要特征是光子局域,即在光子晶体中引入缺陷,使原有的平移对称性受到破外,原光子带隙中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率对应的光可以传播,而带隙中其他频率的光被禁止。

  最近几乎国内外研究人员对光子晶体应用于LED上做了很多研究,他们相继应用不同的光子晶体制作工艺制成了GaN基光子LED,使其出光效率提高了10%--100%。从布拉格条件可知,光子带隙出的光波波长与光子晶体的晶格常数相当。因此,要得到光子带隙在蓝光或紫外的光子晶体,对光子晶体制作需要更高精度的加工方法。

  1.1、激光全息光刻法制作光子晶体LED

  针对电子束光刻的缺点,人们越来越多地利用激光全息光刻技术制作光子晶体结构。激光全息光刻技术利用光的干涉衍射特性,通过特定的光束组合方式,来调控干涉场内的光强度分布,并用感光材料记录下来,从而产生光刻图形。

  2005年D.H.Kim等人采用激光全息术在GaN基LED结构上制作了方形光子晶体图形,结构如图1、2所示。

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