利用亞波長納米微鏡表面結(jié)構(gòu)增強GaN基LED出光效率的研究現(xiàn)代光電子器件技術(shù)發(fā)展迅速,尤其以納米科技為代表的亞波長結(jié)構(gòu)的研究突破了以往發(fā)光二極管光提高效率瓶頸,為國家節(jié)能減排提供了嶄新的思路。研究波導介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)在電磁場中的能量傳輸、近遠場能量分布特點和波導模等基本物理問題,深刻認識和理解電磁場與表面納米微結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的能量傳輸、波導模耦合等物理規(guī)律,可以為利用表面納米微結(jié)構(gòu)提高發(fā)光二極管的光提取效率提供理論指導。為實現(xiàn)上述目標,本論文緊密圍繞表面納米微結(jié)構(gòu)和GaN基藍光發(fā)光二極管,以提高發(fā)光效率為目的,利用計算機仿真模擬等手段,著重研究了以下問題：通過FDTD時域有限差分法,實現(xiàn)表面納米微結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的計算機數(shù)值仿真；通過麥克斯韋方程組,推導不同模型區(qū)域的表面納米微結(jié)構(gòu)與電磁場作用下的基本物理性質(zhì)；通過研究發(fā)光二極管LED的發(fā)光原理和光、電能量轉(zhuǎn)換過程探索提高LED發(fā)光效率的途徑和相關(guān)基礎(chǔ)理論；通過對表面納米微結(jié)構(gòu)的各種對比分析,獲得對抗表面全反射效應(yīng)的各種表面結(jié)構(gòu)的特點和優(yōu)勢；通過對表面納米微結(jié)構(gòu)的微鏡結(jié)構(gòu)的各種材料以及參數(shù)變量的電磁場數(shù)值仿真,得到表面微鏡結(jié)構(gòu)對發(fā)光二級管光提取效率的影響規(guī)律；由表面微鏡結(jié)構(gòu)對發(fā)光二級管光提取效率的影響規(guī)律,結(jié)合光波導模式分析方法,對GaN基藍光LED的結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化。本論文主要通過計算機數(shù)值仿真,研究表面納米微結(jié)構(gòu)對于GaN基藍光LED光提取效率的影響以及在提高電光轉(zhuǎn)化效率中起到的積極作用。文章密切圍繞國家節(jié)能減排的大前提,通過在發(fā)光二極管的微小表面用現(xiàn)代科技構(gòu)造亞波長尺度的微鏡結(jié)構(gòu),在深入研究有源層發(fā)光與GaN/空氣界面出光內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上,探索提高GaN基藍光LED光提取效率的改善措施,為實驗和大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)提供了有益的借鑒。根據(jù)以上研究內(nèi)容與目標,課題組對比分析了多種改進GaN基藍光LED電光轉(zhuǎn)化效率的方法,總結(jié)論述了包括倒裝結(jié)構(gòu)、表面圖形化、光柵浮雕、光子晶體等各種提高光輸出效率的基礎(chǔ)原理及實驗效果,從制作工藝及成本分析等角度綜合論證了目前提高GaN基藍光LED光提取效率的各種方法優(yōu)劣。本論文的創(chuàng)新工作共分為以下三部分：1.通過三維GaN基藍光LED模型實現(xiàn)了表面微結(jié)構(gòu)在發(fā)光二級管中的三維時域有限差分方法的數(shù)值模擬仿真。針對不同周期與結(jié)構(gòu)的GaN基藍光LED發(fā)光特性和場分布特點,在亞波長尺度的球冠陣列表面微鏡結(jié)構(gòu)分析引入分層等效折射率概念,進行模式光傳導分析,并驗證了方法的正確性。2.為驗證同一種結(jié)構(gòu)下不同材料的出光特點和對GaN基LED光提取效率的影響,首次引入GaN、ZnO、SiO2,PS等不同折射率波導材料在同一種表面納米微結(jié)構(gòu)仿真模型下的運算比較,獲得對亞波長結(jié)構(gòu)下不同材料對該模型下出光效率的周期性影響規(guī)律。3.在前期工作基礎(chǔ)上,首先通過三維時域有限差分方法的數(shù)值仿真確定了表面微鏡結(jié)構(gòu)對GaN基藍光LED光提出效率的顯著影響,并且通過確定深度變角度、確定半徑變相對深度的辦法最終優(yōu)化了納米球冠三角陣列排列表面結(jié)構(gòu)的各種參數(shù),使光提取效率達到五倍以上的增強效果。本論文選題來自國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃,國家自然科學基金資助項目。課題通過對表面亞波長尺度下的納米微鏡結(jié)構(gòu)以及在發(fā)光二極管中光波導模式理論的分析研究,拓展了對光在二極管波導材料中的光電轉(zhuǎn)化的理論與實