胡曉龍， 齊趙毅， 黃華茂， 王 洪,3*

(1. 華南理工大學(xué) 廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 3. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

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基于諧振腔效應(yīng)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED光萃取效率優(yōu)化

胡曉龍1,2， 齊趙毅1,3， 黃華茂1,2， 王 洪1,2,3*

(1. 華南理工大學(xué) 廣東省光電工程技術(shù)研究開發(fā)中心， 廣東 廣州 510640；2. 華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 3. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

利用有限時(shí)域差分法研究近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率的影響因素。結(jié)果顯示，LED的光萃取效率隨p-GaN層厚度的變化呈周期性振蕩變化，在極大值點(diǎn)處的光萃取效率是極小值點(diǎn)處的4.8倍。進(jìn)一步地，對上述振蕩極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)的n-GaN層厚度和表面光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化的光萃取效率分別達(dá)到35.3%和24.7%，比優(yōu)化前各提高了37.9%和280%。因此，合理的外延層和光子晶體結(jié)構(gòu)可有效提高近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率，這對實(shí)驗(yàn)制備高效近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片具有一定的指導(dǎo)作用。

發(fā)光二極管； 光萃取效率； 近紫外； 光子晶體； 諧振腔效應(yīng)

1 引 言

氮化鎵基發(fā)光二極管(Light-emitting diode, LED)具有功耗低、壽命長、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于顯示，照明以及固化等領(lǐng)域[1-4]。一般地，紫外LED是指發(fā)光波長小于400 nm的LED，而將發(fā)光波長在320～400 nm范圍內(nèi)的LED稱為近紫外(Ultraviolet-A ，UV-A) LED。與傳統(tǒng)的紫外光源相比，紫外LED具有波長集中、半寬窄、體積小、無汞污染等優(yōu)點(diǎn)，因而可以有效替代汞燈在固化領(lǐng)域的應(yīng)用，其市場潛力巨大。與目前商業(yè)化的藍(lán)光LED相比，UV-A波段LED的發(fā)光效率還有很大的提升空間。而決定發(fā)光效率的兩個(gè)因素分別為內(nèi)量子效率和光萃取效率(Light extraction efficiency，LEE)[5-7]。目前在近紫外LED的內(nèi)量子效率方面的研究已經(jīng)取得了較大的突破[8]，而由于GaN層在近紫外波段吸收較大，并且在該波段光提取角更小，因此，有必要進(jìn)一步優(yōu)化芯片的結(jié)構(gòu)提高其光萃取效率，從而實(shí)現(xiàn)高效率的近紫外LED芯片。

目前提高LED光萃取效率的方法有表面粗化[9-10]、倒裝芯片[11-12]、反射鏡[13]以及光子晶體[14-16]等。其中，光子晶體是一種介電常數(shù)隨著空間周期性變化的光學(xué)微結(jié)構(gòu)。當(dāng)介電常數(shù)的變化較大且與光的波長可比擬時(shí)，介質(zhì)的布拉格散射就會產(chǎn)生帶隙，使頻率在禁帶范圍內(nèi)的光被禁止傳播。同時(shí)，光在光子晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播時(shí)，光子晶體結(jié)構(gòu)會耦合出射光錐內(nèi)的導(dǎo)波模式的光為出射光[17]。因此，利用光子晶體對光進(jìn)行有效調(diào)制，可以達(dá)到增強(qiáng)LED光萃取效率的目的。而光子晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)制備則可以利用納米球、全息干涉和電子束曝光等技術(shù)實(shí)現(xiàn)[15-17]。Lai等[18]制作了具有三角排列結(jié)構(gòu)的光子晶體LED，發(fā)現(xiàn)含有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的出光能量值約是無光子晶體結(jié)構(gòu)LED芯片的1.8倍。Ding等[19]通過FDTD算法發(fā)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)可以大幅提高藍(lán)光倒裝薄膜LED芯片的光萃取效率，通過優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)所獲得的最大光萃取效率值是無光子晶體結(jié)構(gòu)LED的2.8倍。在垂直結(jié)構(gòu)LED內(nèi)部，底層反射鏡和頂部空氣界面之間構(gòu)成了半導(dǎo)體平板微腔結(jié)構(gòu)，其中的光在上下兩個(gè)界面發(fā)生反射，反射光在微腔內(nèi)部形成干涉，使得能量主要集中在特定的微腔模式上，合理的微腔結(jié)構(gòu)可以使更多的能量聚焦到LED表面的逃逸角錐內(nèi)而輻射到空氣中，因此垂直結(jié)構(gòu)LED相比早期的普通結(jié)構(gòu)LED有更強(qiáng)的出光效率[10,20]。Kim等[21]優(yōu)化了近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的p-GaN厚度，使其光萃取效率提高了24%。在Zhu等[22]對倒裝薄膜藍(lán)光LED芯片光萃取效率的理論模擬中，通過優(yōu)化LED芯片表面單層TiO2陣列的結(jié)構(gòu)最終所獲光萃取效率達(dá)到75%，其光萃取效率是無表面TiO2陣列LED芯片的3.6倍。

本文研究了基于諧振腔效應(yīng)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率。首先，通過優(yōu)化p-GaN層的厚度，使得LED的光萃取效率從1.5%提高到21.9%。其次，通過減少n-GaN的厚度來降低其對紫外光的吸收，優(yōu)化后的LED光萃取效率進(jìn)一步提升至28.3%。最后，我們在上述芯片結(jié)構(gòu)上引入表面光子晶體結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)(周期、高度、占空比)獲得的最大的光萃取效率達(dá)到35.3%。

2 仿真結(jié)構(gòu)設(shè)置

FDTD算法被廣泛應(yīng)用于計(jì)算有限幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)現(xiàn)象。FDTD算法利用改良后的麥克斯韋方程組進(jìn)行計(jì)算，它采用中心差分近似法，由微分形式的麥克斯韋旋度方程出發(fā)進(jìn)行差分離散，進(jìn)而獲得一組時(shí)域推進(jìn)公式。本文所采用的模擬研究就是基于上述算法，所采用的模型是基于我們先前所制備的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片結(jié)構(gòu)[23]。本文采用的仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示，由n-GaN、多量子阱(MQWs)、p-AlGaN、p-GaN和反射鏡5層組成。其中n-GaN的材料折射率為2.67，消光系數(shù)為0.01，層厚用h1表示。MQWs厚度固定為10 nm，折射率為2.99，消光系數(shù)為0.02。p-AlGaN厚度固定為30 nm，折射率為2.5，消光系數(shù)為0。p-GaN的折射率為2.67，消光系數(shù)為0.01，層厚用h2表示。底部反射鏡為金屬Ag，厚度設(shè)置為200 nm以保證其達(dá)到最大反射率，Ag的折射率和消光系數(shù)分別為0.2和1.67。發(fā)光源采用電偶極子光源，位于MQWs中間，方向如圖1所示，其波長λ=(375±10) nm。邊界條件為完美匹配層(PML)。量子阱有源區(qū)的發(fā)光大部分都是TE方向(即如圖1所示偶極子的方向)的輻射光，因此，我們只采用了水平方向的偶極子。此外，我們也對垂直方向的偶極子進(jìn)行了計(jì)算，但是兩者的比例并不確定，因此，本文只考慮水平方向的偶極子而忽略占比較少的垂直方向的偶極子。此外，所設(shè)置的兩組探測器Eup和Esource分別放置于頂部靠近邊界處和電偶極子四周。仿真面積為4 000 nm×4 000 nm，為保證仿真結(jié)果的正確性和精確性，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)為2.5 nm，仿真采用2D計(jì)算。

圖1 近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的FDTD仿真模型

Fig.1 FDTD simulation model of UV-A vertical-structure LEDs

3 結(jié)果與討論

3.1 p-GaN層與n-GaN層厚度對LED光萃取效率的影響

圖2所示為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度h2的變化。在該模擬中，我們設(shè)定整個(gè)結(jié)構(gòu)的物理腔長L為2 050 nm并保持不變，p-GaN厚度h2則從50 nm變化到400 nm。從圖中可以看出，隨著p-GaN厚度的增加，近紫外LED的光萃取效率呈現(xiàn)周期性振蕩，振蕩周期約為70 nm。近紫外LED的光萃取效率呈現(xiàn)周期性振蕩的主要原因是內(nèi)置MQW中的電偶極子輻射光在上下兩個(gè)界面反射，在微腔內(nèi)部形成干涉，導(dǎo)致出射光的光萃取效率表現(xiàn)為周期性振蕩分布[20,22]。如圖2所示，當(dāng)處于周期振蕩波節(jié)時(shí)，LED的光萃取效率最低僅為1.5%；而處于波腹時(shí)，其光萃取效率最高達(dá)21.9%。

圖3所示為采用Ag反射鏡和完美反射鏡(Perfect mirror，PFM)時(shí)LED的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化。從圖中可以看出，當(dāng)采用PFM時(shí)，近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率會有10%左右的提升。此外，采用不同反射鏡時(shí)，LED的光萃取效率隨p-GaN厚度變化的振蕩周期相同。

圖2 近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化

Fig.2 LEE of the UV-A vertical-structure LEDs as a function of the thickness of p-GaN

不過反射層采用完美反射鏡時(shí)的光萃取效率值曲線相對于Ag反射層右移10 nm左右，這是由Ag材料的色散機(jī)制造成的[24]。因此，為了更接近實(shí)際情況，本文采用Ag作為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的底部反射鏡[19-20]。

圖3 采用Ag反射鏡和完美反射鏡的LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化

Fig.3 LEE of UV-A vertical-structure LEDs with Ag mirror and PFM as a function of the thickness of p-GaN

在上述的模擬中，我們發(fā)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化呈現(xiàn)周期性振蕩，處于振蕩波腹和波節(jié)時(shí)光萃取效率相差很大。為此，我們分別選取光萃取效率為極大值點(diǎn)(p-GaN厚度為200 nm)和極小值點(diǎn)(p-GaN厚度為310 nm)兩組對n-GaN層厚度進(jìn)行優(yōu)化。圖4(a)和(b)分別對應(yīng)p-GaN厚度為200 nm和310 nm時(shí)，LED光萃取效率隨n-GaN厚度h1的變化情況。從圖中可以看出，光萃取效率都表現(xiàn)為周期性的振蕩，周期都約為70 nm。在n-GaN厚度增加的過程中，光萃取效率在整體上呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。如圖4(a)所示，在n-GaN厚度從520 nm變化到2 000 nm的過程中，光萃取效率由30.0%下降到20.4%，下降幅度達(dá)到32.0%；圖4(b)中的光萃取效率則由6.7%下降到4.1%，下降幅度達(dá)到38.8%。光萃取效率下降的主要原因是n-GaN厚度的增加使得LED對紫外光的吸收增加。因此，在近紫外LED芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用較薄的n-GaN層，或者采用吸收更低的n-AlGaN層替換n-GaN層。此外，從圖4(a)中發(fā)現(xiàn)，光萃取效率在n-GaN厚度為900 nm附近有一個(gè)不規(guī)則的變化，我們認(rèn)為這是由于在模擬中加入了MQWs層和p-AlGaN層，它們與GaN層間的折射率差是使振蕩出現(xiàn)不規(guī)則變化的原因[22,25]。

上述結(jié)果表明，p-GaN和n-GaN層的厚度變化都會使垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率呈現(xiàn)振蕩性變化，并且p-GaN層的厚度對光萃取效率的振蕩影響更大(因?yàn)閜-GaN層較薄)；其次，n-GaN厚度也應(yīng)盡量薄，以減少其對紫外光的吸收。從圖4可知，當(dāng)n-GaN厚度為600 nm時(shí)，p-GaN厚度為200 nm(光萃取效率極大值)和310 nm(極小值)的兩組LED芯片的光萃取效率分別為28.3%和6.5%。接下來我們將在此基礎(chǔ)上引入光子晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨n-GaN厚度的變化。(a) p-GaN 厚度為 200 nm；(b) p-GaN 厚度為310 nm。

Fig.4 LEE of UV-A vertical-structure LEDs as a function of the thickness of n-GaN. (a) p-GaN thickness of 200 nm. (b) p-GaN thickness of 310 nm.

3.2 表面光子晶體結(jié)構(gòu)對LED的光萃取效率的影響

下面我們將研究具有表面光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外LED芯片的光萃取效率。如圖5所示，所采用的光子晶體結(jié)構(gòu)為三角排列，主要考慮的光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：光子晶體周期a、光子晶體高度h、占空比(光子晶體直徑2r與光子晶體周期a的比值)2r/a。為獲取較寬的光子晶體禁帶，我們計(jì)算了占空比范圍為0.5～0.8的三角排列光子晶體結(jié)構(gòu)的TE能帶圖，如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)占空比為0.6時(shí)，光子晶體在較大的a/λ下具有較寬的禁帶，這樣更有利于實(shí)現(xiàn)更大周期的光子晶體結(jié)構(gòu)。Long[26]及Kim[27]等通過仿真與實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了占空比為0.6時(shí)，LED有較好的光萃取效果。

從前面的討論可知，p-GaN厚度對光萃取效率的影響很大，p-GaN厚度的變化使光萃取效率呈現(xiàn)周期性振蕩變化，為此我們將分別取光萃取效率在振蕩波腹和波節(jié)位置處兩種情況來研究光子晶體結(jié)構(gòu)對LED芯片的光萃取效率的影響。

圖5 (a)具有光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的仿真模型示意圖；(b)所采用的光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

Fig.5 (a)Schematic diagram of UV-A vertical-structure LEDs with photonic crystals. (b) Plan view of the photonic crystals.

圖6 不同占空比條件下的二維光子晶體結(jié)構(gòu)的TE模能帶圖。(a)2r/a=0.5；(b)2r/a=0.6；(c)2r/a=0.7；(d)2r/a=0.8。Fig.6 TE mode band diagrams of the photonic crystals with duty cycle (2r/a) of 0.5(a), 0.6(b), 0.7(c), and 0.8(d), respectively.

3.2.1 p-GaN厚度滿足振蕩波腹時(shí)的光子晶體LED的光萃取效率

在這部分模擬中，我們選取p-GaN厚度為200 nm(振蕩波腹點(diǎn))，n-GaN厚度為600 nm。圖7(a)所示為光子晶體LED芯片的光萃取效率隨光子晶體周期a的變化情況。在光子晶體周期從100 nm增加到500 nm的過程中，光萃取效率最大值出現(xiàn)在晶體周期為200 nm處，該處光萃取效率達(dá)到了35.1%。圖7(b)為光子晶體LED芯片的光萃取效率隨光子晶體高度h的變化情況。其中光子晶體周期為200 nm，光子晶體高度h則從50 nm變化到400 nm。從圖中可以看出，隨著光子晶體高度的增加，光萃取效率值會出現(xiàn)先減小、再快速增大、最后再次減小的變化趨勢。當(dāng)光子晶體高度為275 nm時(shí)，近紫外LED結(jié)構(gòu)的光萃取效率最大，達(dá)到了35.3%。接著我們采用優(yōu)化后的光子晶體周期200 nm和高度275 nm，再優(yōu)化光子晶體的占空比2r/a。LED的光萃取效率隨著占空比的變化情況如圖7(c)所示。從圖中可以看出，隨著光子晶體占空比的增大，光萃取效率值的曲線會出現(xiàn)振蕩性的變化，在占空比為0.1和0.6處出現(xiàn)峰點(diǎn)，在占空比為0.3和0.8處出現(xiàn)谷點(diǎn)。當(dāng)占空比為0.6時(shí)，LED的光萃取效率達(dá)到最大值35.3%。

圖7 p-GaN厚度滿足振蕩波腹情況時(shí)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的LEE隨光子晶體周期(a)、高度(b)和占空比(c)的變化。

Fig.7 LEE of UV-A vertical-structure LEDs as a function of lattice constant(a), height (b), and 2r/a(c) of the PC, respectively.

通過上述模擬優(yōu)化后，具有光子晶體LED芯片的最大光萃取效率比優(yōu)化外延層厚度后的LED芯片的光萃取效率提高了37.9%。接著我們模擬了具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片(光子晶體高度、周期和占空比分別為275 nm、200 nm和0.6)和無光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的遠(yuǎn)場分布圖，結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過計(jì)算，光從有源區(qū)逃逸的全反射臨界角約為22°。從圖8可以看出，光子晶體可以將原本不能逃逸出有源層的引導(dǎo)模式(Guided modes)耦合入泄漏模式(Leaky modes)，從而提高了LED的光萃取效率。這是光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外LED的光萃取效率大于無光子晶體結(jié)構(gòu)的LED的主要原因。

圖8 有無光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的遠(yuǎn)場分布對比圖

Fig.8 Far field diagram of LED with and without PCs structure

圖9所示為具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化圖。從圖中可以看到，隨著p-GaN厚度增加，有光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外LED光萃取效率整體上會有很大的提升(與圖2中無光子晶體結(jié)構(gòu)的LED對比)，且近紫外LED的光萃取效率依然呈現(xiàn)周期性震蕩，振蕩周期約為70 nm。該曲線變化與無光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外LED的光萃取效率曲線(圖2)變化相一致，證明光子晶體結(jié)構(gòu)的增加并未影響近紫外LED的諧振腔效應(yīng)，同時(shí)也進(jìn)一步說明合理的光子晶體結(jié)構(gòu)能夠很大程度地提高近紫外LED的光萃取效率。

圖9 有光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率隨p-GaN厚度的變化

Fig.9 LEE of UV-A vertical-structure LEDs with PCs as a function of the thickness of p-GaN

3.2.2 p-GaN厚度滿足振蕩波節(jié)時(shí)的光子晶體LED的光萃取效率

在本部分的模擬研究中，LED芯片所采用的p-GaN厚度為310 nm，n-GaN厚度為600 nm。圖10(a)展示了近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率隨光子晶體周期a的變化。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著光子晶體周期的增大，光萃取效率值曲線會出現(xiàn)先增大、再減小、最后再增大的變化規(guī)律。LED的光萃取效率在晶體周期為100 nm和150 nm處分別達(dá)到7.3%與21.2%。光萃取效率隨光子晶體高度h的變化情況如圖10(b)所示。從圖中可以看出，當(dāng)光子晶體高度較小，即n-GaN刻蝕深度較淺時(shí)，LED的光萃取效率較低。而隨著光子晶體高度的增大，光萃取效率值漸漸增大，最大值23.7%出現(xiàn)在光子晶體高度為225 nm處。光子晶體高度繼續(xù)增加，則光萃取效率呈現(xiàn)振蕩性下降的趨勢。圖10(c)為改變光子晶體占空比所得的光萃取效率曲線，所采用的光子晶體周期和高度分別為150 nm和225 nm。從圖中可知，在占空比小于0.5時(shí)，光萃取效率都較低；而當(dāng)占空比大于0.5之后，光萃取效率先迅速提高再緩慢下降。在占空比為0.7時(shí)，LED芯片的光萃取效率達(dá)到24.7%。

圖10 p-GaN厚度滿足振蕩波節(jié)時(shí)的LEDs的萃取效率隨光子晶體周期(a)、高度(b)和占空比(c)的變化。

Fig.10 LEE of UV-A vertical-structure LEDs as a function of lattice constant (a), height (b), and 2r/a(c) of the PC, respectively.

當(dāng)p-GaN厚度滿足振蕩波節(jié)情況時(shí)，通過優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)得到的最大光萃取效率值為24.7%，比無光子晶體結(jié)構(gòu)的光萃取效率提高了280%。圖11為兩者的遠(yuǎn)場分布圖，可以看出無光子晶體結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場能量分布在-22°～22°范圍內(nèi)的比例極小，表明優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)對近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率有很大的提高作用。

最后，我們對比分析了A部分和B部分的模擬結(jié)果，如表1所示，分別選取了A部分和B部分中的光萃取效率最大值和最小值的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。從表1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)p-GaN厚度滿足光萃取效率振蕩極大值時(shí)，有光子晶體結(jié)構(gòu)的芯片A1的光萃取效率相比于無光子晶體結(jié)構(gòu)的芯片A2提高了37.9%；而當(dāng)p-GaN厚度滿足光萃取效率振蕩極小值時(shí)，有光子晶體結(jié)構(gòu)的芯片B1的光萃取效率相比于無光子晶體結(jié)構(gòu)B2提高了280%。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，芯片A1的光萃取效率比芯片B1提高了42.9%，表明p-GaN層厚度對具有光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的光萃取效率也有很大的影響。因此，在設(shè)計(jì)合理的光子晶體結(jié)構(gòu)提高LED芯片的光萃取效率的同時(shí)也需要考慮p-GaN層厚度這一個(gè)關(guān)鍵因素。通過對p-GaN和n-GaN層厚度及光子晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，LED的光萃取效率最終達(dá)到35.3%，而與100%還有較大的差距，我們認(rèn)為這是選取的模型中所設(shè)置的PML和模型尺寸大小等條件造成的。

圖11 有無光子晶體結(jié)構(gòu)的LED芯片的遠(yuǎn)場分布對比圖

Fig.11 Far field diagram of LED with and without PCs structure

表1 不同結(jié)構(gòu)近紫外垂直結(jié)構(gòu)LEDs芯片的光萃取效率

4 結(jié) 論

通過FDTD算法研究了近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的p-GaN層和n-GaN層的厚度以及表面光子晶體結(jié)構(gòu)對芯片光萃取效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)芯片光萃取效率隨著p-GaN厚度的變化呈現(xiàn)振蕩性變化，通過優(yōu)化p-GaN層厚度可以使LED的光萃取效率從1.5%提高到21.9%，所以合理的p-GaN厚度能有效提高芯片的光萃取效率。其次，在n-GaN層的厚度變化的研究中，發(fā)現(xiàn)降低n-GaN層的厚度能有效降低對有源層發(fā)光的吸收，優(yōu)化后的LED的光萃取效率進(jìn)一步提升至28.3%。最后，分別優(yōu)化不同p-GaN厚度情況下的LED芯片的表面光子晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過改變光子晶體周期、高度及占空比能大幅提升LED芯片的光萃取效率，優(yōu)化后的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的最大光萃取效率達(dá)到35.3%。因此，通過優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)以及外延層厚度可以大幅提高近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED的光萃取效率，這為制備高效大功率近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片提供了一定的理論指導(dǎo)。

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胡曉龍(1986-)，男，福建三明人，博士，助理研究員，2013年于廈門大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事氮化物外延材料生長和光電子器件制備等方面的研究。

E-mail: scxlhu@scut.edu.cn

王洪(1964-)，男，江蘇無錫人，博士，教授，2004年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事微納光電子材料與器件、光通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的研究。

E-mail: phhwang@scut.edu.cn

Optimization of Resonant-cavity Effect and Photonic Crystals Structure for High Light Extraction Efficiency UV-A Vertical-structure LEDs

HU Xiao-long1,2， QI Zhao-yi1,3， HUANG Hua-mao1,2， WANG Hong1,2,3*

(1,EngineeringResearchCenterforOptoelectronicsofGuangdongProvince,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;2.SchoolofPhysicsandOptoelectronics,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China;3.AcademyofElectronicsandInformation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Optimization of LED epilayer and photonic crystals (PC) structure for high light extraction efficiency (LEE) UV-A vertical-structure LEDs (VS-LEDs) were performed by using finite difference time domain method. The LEE of the VS-LEDs was markedly enhanced by optimizing the thicknesses of p-GaN layer and parameters of PC structure. The LEE of the VS-LEDs shows cyclic variation as function of the thicknesses of p-GaN layer. It is showed that the LEE of the VS-LEDs with the p-GaN thickness of 200 nm is 4.8 times to that of the VS-LEDs with the p-GaN thickness of 310 nm. In addition, the thickness of the n-GaN layer and the surface photonic crystal structure were further optimized, and the LEE of the VS-LEDs with the p-GaN thickness of 200 nm and 310 nm reaches 35.3% and 24.7%, respectively. The optimized LEE of the VS-LEDs is 1.4 and 3.8 times to that of the VS-LEDs without PC structure, respectively. Therefore, the reasonable LED epilayer and the PC structure can effectively improve the LEE of the VS-LEDs. It provides a theoretical guide for the preparation of the UV-A VS-LEDs.

light-emitting diodes; light extraction efficiency; ultraviolet-A; photonic crystals; resonant cavity effect

2016-03-17；

2016-04-26

“863”國家高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃(2014AA032609); 國家自然科學(xué)基金(61404050，61504044); 廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金(2012A080302003); 廣東省重大科技專項(xiàng)(2014B010119002)資助項(xiàng)目

1000-7032(2016)07-0836-09

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20163707.0836

*CorrespondingAuthor,E-mail:phhwang@scut.edu.cn