CN101916805A - 增加发光二极管外发光效率的同心光子晶体结构 - Google Patents

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柏宁丰
孙小菡
李大晨
孙斌
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Abstract

本发明公开一种增强发光二极管外发光效率的同心光子晶体结构，用于发光二极管(LED)覆层或ITO层的光子晶体结构，该结构是在LED表面的覆层或ITO层上经刻蚀或压印形成，刻蚀或压印形成由中心向外交替排列的空气或低折射率材料(1)与LED覆层或ITO层介质(2)构成封闭环，该周期结构在径向最少包含2个空气或低折射率材料(1)与LED覆层或ITO层介质(2)的基本单元。本发明利用这种环形周期结构，与原有的光子晶体LED相比，可有效提高LED的外发光效率，且其加工工艺要求相比原有光子晶体结构要求大为降低。

Description

增加发光二极管外发光效率的同心光子晶体结构
技术领域
本发明涉及一种用于增强LED外发光效率的光子晶体结构，属于物理电子学技术领域。
背景技术
大功率LED面临的问题是低外出光效率和高发热量。这两个问题同时也是相互联系的，若能有效的提高外出光效率，就可以使得能量尽可能的辐射出去，从而降低其发热量。目前，有多种方法提高LED的外出光效率，其中提高幅度最大的就是采用电磁带隙结构作为LED的外表面层。电磁带隙结构(在光频领域称为光子带隙(Photonic Band Gap)，是一种人造周期结构，能够在电磁波波长量级上制作器件并限制其中电磁波运行方向。利用两维光子晶体结构限制光在LED表面的传播，将其约束在垂直于LED表面的方向传播，可有效提高LED的外出光效率。但是，目前的光子晶体结构，对工艺要求较高，造成大规模应用的困难。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种增强发光二极管外发光效率的多环形光子晶体结构，本结构的LED外发光率更高，约为现有光子晶体LED结构外发光效率的1.5倍。
技术方案：本发明的增强发光二极管外发光效率的多环形光子晶体结构是在LED表面的覆层或ITO层上经刻蚀或压印形成，刻蚀或压印形成由中心向外交替排列的空气或低折射率材料与LED覆层或ITO层介质构成封闭环，该周期结构在径向最少包含2个空气或低折射率材料与LED覆层或ITO层介质的基本单元。
空气或低折射率材料与LED覆层或ITO层介质构成的封闭环为圆形或矩形结构，或其它封闭结构。
所述的多环形光子晶体结构由纵横排列的多个所述基本单元组成。
该周期结构每个基本单元由一个空气或低折射率材料形成的环形和LED覆层或ITO层介质构成的环形组合而成，在径向最少包含2个这样的基本单元。每个基本单元在径向的宽度相同，仅至中心点的半径不同。
有鉴于此，本发明的目的是对工艺要求较低的光子晶体结构，且能有效的提升LED的外出光效率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
通过对采用本结构的仿真，发现与未采用光子晶体结构的LED或目前已有光子晶体结构相比，本结构的LED外发光率更高，约为现有光子晶体LED结构外发光效率的1.5倍。
本结构主要利用该单元结构进行外发光效率的增强。每个单元结构都能独立起到外发光效率的增强，而原有光子晶体则只有整体结构才能起到增强外发光效率的作用。因此，只需控制每个单元的精度，就可以达到良好的效果，而整体排布时，每个单元所在位置的精度则不需很高。因此，其加工工艺与现有光子晶体结构相比，更为简单。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。
图1是本发明的多环单元结构；
图2是本发明的多矩形单元结构；
图3是本发明单元组合示意图；
图4是本发明组合单元用于LED表面示意图。
具体实施方式
本发明采用如下技术方案：
本发明在LED表面覆层或ITO层，通过刻蚀形成径向多层环形单元结构，每个单元结构最大直径只需在10μm左右即可达到满意效果，但单元结构的最大直径若过大，则将会起到抑制发光的效果。因此，最大直径不能超过50μm。基于上述原则，在大功率LED表面，可能需要数万个该结构，这些结构可以有序排列，形成正方、六角等光子晶体排列，也可以进行无序排列。每个单元中，其封闭结构可以是矩形，也可以是圆形或任意封闭几何形状。
本结构经合理设计参数，其封闭环的宽度在几百纳米至几微米之间，且其几何图形简单，完全可以用普通微电子工艺实现。同时，该结构只要设计出单个单元结构，其单元之间的组合可以为有序或无序组合，因此对于工艺要求极为简单。
如图1所示为本发明提出的多环形光子晶体元胞结构，斜线区域为LED表面覆层介质或ITO层介质，白色部分为空气或填充的较低折射率材料；设计合适的参数，可以使得光斑主要集中于元胞结构的中心部分，且其有效折射率为0.998，十分接近于空气的折射率。该结构三维仿真结果表明，发光面位于光子晶体下方，其出光效率经仿真为未加光子晶体结构的3倍，为现有光子晶体结构发光效率的1.5倍。图2本发明提出的多矩形光子晶体元胞结构。图3为采用本元胞结构构成的一种可能组合方式。图4是采用本元胞结构构成的一种可能组合并刻蚀在LED表面层的示意图，其中有GaAs基底3，(多周期反射层4，蓝宝石衬底5，LED发光层6，LED覆层7，利用本元胞结构构成的可能排布8。

Claims (3)

1.一种增强发光二极管外发光效率的多环形光子晶体结构，其特征在于该结构是在LED表面的覆层或ITO层上经刻蚀或压印形成，刻蚀或压印形成由中心向外交替排列的空气或低折射率材料(1)与LED覆层或ITO层介质(2)构成封闭环，该周期结构在径向最少包含2个空气或低折射率材料(1)与LED覆层或ITO层介质(2)的基本单元。
2.如权利要求1所述的增强发光二极管外发光效率的多环形光子晶体结构，其特征在于，空气或低折射率材料(1)与LED覆层或ITO层介质(2)构成的封闭环为圆形或矩形结构，或其它封闭结构。
3.如权利要求1或2所述的增强发光二极管外发光效率的多环形光子晶体结构，其特征在于，所述的多环形光子晶体结构由纵横排列的多个所述基本单元组成。
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