微纳光学在LED芯片中应用研究的综述

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3LED芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

J. H. Kang 等人[11]通过对芯片进行双层微结构的加工，可以大幅度提升其光学性能，能够得到比较好的外量子效率。但是该技术也有其缺陷，由于加工过程中的沉积和蚀刻都有比较大的随机性。生产的重复性不好，并且由于对p 型GaN 半导体材料表面的粗糙化，难免会破坏LED 芯片中的p-GaN 层，影响了芯片的电学性能，由于微结构的加工，芯片的方阻会有所提升。中国照明网技术论文·LED照明

3 LED 芯片表面二维光子晶体结构的加工

光子晶体( Photonic Crystal) 即光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计及制造的晶体[12]。由于晶粒之间存在的周期性，光子晶体间会出现类似于半导体禁带结构的光子带隙( Photonic band gap) 。当电磁波在光子带隙中传播时，由于存在布拉格散射效应，故光子晶体具有调制相应波长电磁波的能力。1997 年，S. H. Fan 等人[13]首次研究了光子晶体对LED 自发辐射能量及空间分布的影响。光子晶体结构示意图如图8。

光子晶体具有三种特性: 能够利用光子带隙遮蔽光; 具有异向性，通过光子晶体的光会无规则的散射; 光子晶体曲线变化非常快，同波长有关。光子晶体可分为三类: 一维、二维、三维结构。一维的光子晶体只能在很小的角度范围内发出衍射光，不能衍射平面任意角度的入射光; 由于技术限制，制备符合规范的三维结构光子晶体目前还比较困难。而二维光子晶体可以衍射较大角度上的入射光，因此目前主要用二维的光子晶体来提高LED 的出光效率[14]。影响其出光效率的主要因素有光子晶体结构、晶粒高度、晶格常数等。

利用光子晶体结构提高LED 出光效率主要有两种原理[15， 16]。第一是利用了光子晶体的禁带效应原理，禁带效应原理主要表现在: 频率落在禁带范围内的光子被禁止传播，如果LED 芯片上集成了光子晶体结构，当LED 中导光模的频率落在光子晶体的禁带以内时，光波将被耦合成在自由空间中的辐射模式，在这种情况下，可以大幅增加光的提取效应。第二种是利用光子晶体的光栅衍射效应。光子晶体构成了一种类光栅的结构，当光束进入p 型GaN 的表层的出射光和周期与光波长相当的光栅结构发生作用时，光波就会被调制，一些本来难以出射的光束被耦合成出射光，如图9 所示，由于光栅衍射效应，原本因全反射被限制在p 型GaN 半导体材料中的光束可以出射到空间中，则可以提高LED 芯片的出光效率和控制光的空间分布。其中，Chia-HsinChao 等人[17]研制的定向光提取光子晶体氮化镓薄膜LED 输出功率较无光子晶体的氮化镓薄膜LED提高了多达77%，并且通过设计改善光子晶体的排布模式和晶格方向可以使LED 的出光限制在较小的范围之内。

目前主要的制造光子晶体结构的技术有纳米压印光刻( NIL) 、电子束光刻( EBL) 、激光全息光刻法( LHL) [18]，通过光子晶体结构的设计，减少了光在LED 芯片内的传播和消耗，实现了LED 外量子效率的提高。光子晶体LED 的发光效率最多可以提高140%。

4 LED 双光栅微结构技术

在LED 中引入光栅微纳光学结构的方法可以有效地增强LED 芯片的出光效率。其中，利用单光栅结构的LED 的光提取效率已有大幅提高，但由于一维光栅结构只能衍射单个方向上的光[19]，沿着光栅方向传播的光仍然被全反射效应限制，出光效率仍然受到较大限制。

清华大学实验室[20]设计了一种GaN 基的双光栅微纳结构，该结构如图10( a) 所示。其中第一个光栅G1加工在上表面的ITO 层上，第二个光栅G2刻蚀在GaN 层的下表面，两个光栅的刻线方向相互垂直，这样那些在G1处全反射的光线经G2的光栅衍射后，使其入射角小于出射临界角，再经过G1辐射出去。其原理如图10( b) 所示。因此，双光栅结构可以有效的提取因全反射而受限制的出射光。双光栅结构LED 可以提取出传统LED 中大部分因全反射而无法出射的受限光，根据研究者的软件评价结果可以表明，这种LED 的理论光提取效率可以达到48. 5%[20]，较传统LED 高了约6. 3 倍。