日本用二维光子结晶结构提高LED发光效率

日本京都大学和科学技术振兴机构（JST）组成的联合研究小组日前宣布，在发光元件结构中使用二维光子结晶结构，提高了发光二极管（LED）的发光效率（发布资料。与没有光子结晶结构相比，将发光元件内部发出的光线照射到LED发光面法线方向的效率（光导效率）达到了4～5倍。过去，由LED内部发出的光线大多沿发光面方向照射，因为没有出口，就会发热。

　　所谓光子结晶，就是指使光通过的物质像结晶一样周期性地产生折射率的变化。这种结晶具有波长与其栅格间隙相接近的光线无法进入结晶内部的性质。具体来讲就是指，通过形成与发光元件中心波长除以构成光子结晶的介质折射率所得到的值相接近的周期结构，阻止光的进入。

　　沿元件发光面以二维方式形成这种周期结构，使其沿发光面具备一种周期结构。具体来说，就是有规则地形成蜂窝状的孔（图）。由此，光线就无法沿发光面方向前进，绝大部分就会沿发光面的法线方向传导出来。结果，“光导效率就会提高，理论上来讲可达到100％”（京都大学研究生院教授野田进）。而不采用提高光导效率的方法时，红色LED的光导效率仅为20％左右。

　　此次通过在LED的发光部分使用了InGaAsP材料，结晶栅格间隙为390nm～480nm时光导效率得到了提高。与没有光子结晶结构时相比，达到了4倍～5倍。而390nm～480nm的周期就接近于InGaAsP的发光中心波长1550nm除以InGaAsP的折射率3.3所得的值。

　　光导效率能够得到提高的波长之所以分布于390nm～480nm之间，与垂直于发光面形成的孔径有关系。孔径越大，光导效率能够得到提高的波长宽度就越大。反之，孔径越小，波长宽度就越窄。

　　此次只是在LED中使用了光子结晶结构，其实还可应用于半导体激光器和有机发光元件等领域，据称能够提高所有发光元件的发光效率。该公司表示，今后还准备应用于GaN类蓝色LED中。