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Philips Lumileds制造出光提取效率最高的光子晶体发光二极管

2009-04-27 11:50
论恒
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  Philips Lumileds的科学家日前宣布在氮化镓(GaN)LED上直接刻蚀出三角晶格(triangular lattice)结构,制造出号称至今光提取效率最高的光子晶体发光二极管(photonic-crystal LED),其光提取率高达73%,最高亮度是一般LED的2倍。

  在LED中,由于半导体晶粒的折射率相当大,活性介质发出的光子往往因全反射而被困在晶粒中。为了要提高光提取率,LED表面通常会加以粗糙化,将光提取率提升至约65%。若再进一步以硅树脂(silicone)或类似的透明料封装,光提取率更可高达80%。不过,封装虽然可以提高光提取效率,但由于LED的亮度与封装材料的折射系数平方成反比,却会牺牲掉LED的亮度。一般封装材料的折射系数约为1.5,在同样的光提取率下,加了封装后LED的亮度会降低约2.25倍。

  为了避开这个缺点,Lumileds团队选择在LED上直接制作光子晶体结构。他们在发光波长为450 nm且以银反射镜取代蓝宝石基板的InGaN/GaN LED上,试验了各种晶格图案及薄膜厚度,结果发现薄的氮化镓膜表现最好,它使原本局限在芯片中的光能与光子晶体作用。该小组的最佳组件具有厚700 nm的氮化镓膜,并以干法刻蚀方式制作250 nm深的光子晶体图样,以便让光绕射离开LED。最理想的光子晶体具有Archimedean A13晶格,它是单位晶胞由13个孔洞组成的三角图形,晶格常数为450 nm。


光子晶体结构

  该公司最佳的光子晶体LED在2 mA的输入电流下,外部量子效率(external quantum efficiency)为47%,在20 mA下外部量子效率为36%,测量得到的内部量子效率在60-69%左右,由此结果推算出的光提取率为68–78%,取平均为73%。


为了优化光子晶体结构,研究人员分别测试了膜膜厚( 从0.5µm到1 µm)、晶格常数从0.2µm到1µm,lattice 深度从0.1µm到0.3µm,以及三角形和蜂窝等图案。

  LED的封装材料不但会影响组件亮度,而且在高光通量密度下容易降解(degrade)。因此发展出不使用封装而仍能得到高提取效率的方法,成为制造亮度更高的LED的首要任务。(编译:于占涛)

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