利用复模式分析方法对LED光提取效率的研究

摘要

随着能源危机的愈发严峻，世界各国纷纷采取各种措施来积极应对。照明用电作为能源消耗中的一个重要组成部分，依然还有巨大的节能空间。半导体发光二极管(Light EmittingDiode，LED)具有光电转换效率高、响应速度快等诸多优点，进一步提高LED的发光效率极具研究价值。LED的内量子效率普遍已经达到80％以上，但受限于全反射作用，光提取效率较低，因此利用表面微结构、芯片倒装等技术提高LED光提取效率成为了目前研究的热点。通过计算机对不同结构下的LED进行仿真模拟是研究LED光提取效率的主要手段，主要的电磁场数值仿真算法包括:有限元法、时域有限差分法、光束传播法、矩量法等。受限于计算机硬件水平，目前LED仿真模拟尚无法实现对LED模型进行全尺寸和高精度仿真模拟，因此探索和验证新的理论方法有助于明晰纳米结构提高LED光提取效率的物理过程和机理，提高LED的仿真模拟效率。
　　本研究主要内容包括：⑴在圣巴巴拉分校（University of California Santa Barbara，UCSB）的A.David的工作基础上，提出利用复模式理论对纳米结构LED中的辐射模进行定量分析，进而深入研究纳米结构提高LED光提取效率的物理机制。⑵开发了纳米结构LED专用的复模式匹配算法，利用复模式匹配方法对纳米结构LED等效波导进行了仿真模拟，并与FDTD结果进行了对比验证。在同等尺寸和仿真精度的情况下，复模式匹配算法比FDTD算法速度有了极大提高，同时纳米结构调控模式的物理过程更加清晰。⑶利用复模式匹配算法对一维光子晶体LED进行了建模和仿真，得到了光子晶体周期、占空比、高度对LED中导模和辐射模的调控规律，并对一维光子晶体LED的结构参数进行了优化，使光提取效率提高了111.2％。

目录

声明

摘要

论文中常用符号说明

1．1 相关背景及研究意义

1．2 研究现状及存在问题

1．3 研究内容及论文安排

第二章 发光二极管的基本理论

2．1 LED的发展历史

2．2 LED的发光原理

2．3 衡量LED发光效率的指标

2．4 限制LED光提取效率的因素

2．4．1 芯片结构内的全反射现象

2．4．2 菲涅尔损耗

2．5 增强LED光提取效率的方法

2．5．1 芯片倒装技术

2．5．2 双异质结构

2．5．3 芯片形状几何化

2．5．4 表面粗化技术

2．5．5 透明衬底技术

2．5．6 光子晶体

2．5．7 低折射率限制层

2．6 LED常用的模拟分析方法

2．6．1 有限元法

2．6．2 矩量法

2．6．3 时域有限差分法

第三章 复模式分析方法在LED结构优化中的研究与应用

3．1 LED模式分析模型

3．2 辐射模的离散和定量求解

3．2．1 Box模

3．2．2 完美匹配层和PML模

3．3 LED模型中的复模式

3．4 LED波导模型中模式的正交性

3．5 复模式匹配理论

3．5．1 传输矩阵

3．5．2 散射矩阵

3．6 纳米结构LED波导模型中的复模式匹配算法和验证

3．7 本章小结

第四章 利用复模式分析方法对一维光子晶体LED的仿真和优化

4．1 一维光子晶体LED的仿真建模

4．1．1 一维光子晶体LED仿真模型

4．1．2 复模式分析算法中LED量子阱的建模

4．2 一维光子晶体提高LED光提取效率的分析

4．2．1 一维光子晶体高度对LED光提取效率的影响

4．2．2 一维光子晶体占空比对LED光提取效率的影响

4．2．3 一维光子晶体周期对LED光提取效率的影响

4．3 本章小结

5．1 论文的主要成果

5．2 论文的不足之处及后续展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的学术成果