日本用二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)提高LED發(fā)光效率

    日本京都大學(xué)和科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）組成的聯(lián)合研究小組日前宣布，在發(fā)光元件結(jié)構(gòu)中使用二維光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)光二極管（LED）的發(fā)光效率（發(fā)布資料。與沒有光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)相比，將發(fā)光元件內(nèi)部發(fā)出的光線照射到LED發(fā)光面法線方向的效率（光導(dǎo)效率）達(dá)到了4～5倍。過去，由LED內(nèi)部發(fā)出的光線大多沿發(fā)光面方向照射，因?yàn)闆]有出口，就會(huì)發(fā)熱。 

　　所謂光子結(jié)晶，就是指使光通過的物質(zhì)像結(jié)晶一樣周期性地產(chǎn)生折射率的變化。這種結(jié)晶具有波長(zhǎng)與其柵格間隙相接近的光線無(wú)法進(jìn)入結(jié)晶內(nèi)部的性質(zhì)。具體來(lái)講就是指，通過形成與發(fā)光元件中心波長(zhǎng)除以構(gòu)成光子結(jié)晶的介質(zhì)折射率所得到的值相接近的周期結(jié)構(gòu)，阻止光的進(jìn)入。 

　　沿元件發(fā)光面以二維方式形成這種周期結(jié)構(gòu)，使其沿發(fā)光面具備一種周期結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說，就是有規(guī)則地形成蜂窩狀的孔（圖）。由此，光線就無(wú)法沿發(fā)光面方向前進(jìn)，絕大部分就會(huì)沿發(fā)光面的法線方向傳導(dǎo)出來(lái)。結(jié)果，“光導(dǎo)效率就會(huì)提高，理論上來(lái)講可達(dá)到100％”（京都大學(xué)研究生院教授野田進(jìn)）。而不采用提高光導(dǎo)效率的方法時(shí)，紅色LED的光導(dǎo)效率僅為20％左右。 

　　此次通過在LED的發(fā)光部分使用了InGaAsP材料，結(jié)晶柵格間隙為390nm～480nm時(shí)光導(dǎo)效率得到了提高。與沒有光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)時(shí)相比，達(dá)到了4倍～5倍。而390nm～480nm的周期就接近于InGaAsP的發(fā)光中心波長(zhǎng)1550nm除以InGaAsP的折射率3.3所得的值。 

　　光導(dǎo)效率能夠得到提高的波長(zhǎng)之所以分布于390nm～480nm之間，與垂直于發(fā)光面形成的孔徑有關(guān)系。孔徑越大，光導(dǎo)效率能夠得到提高的波長(zhǎng)寬度就越大。反之，孔徑越小，波長(zhǎng)寬度就越窄。 

　　此次只是在LED中使用了光子結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其實(shí)還可應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器和有機(jī)發(fā)光元件等領(lǐng)域，據(jù)稱能夠提高所有發(fā)光元件的發(fā)光效率。該公司表示，今后還準(zhǔn)備應(yīng)用于GaN類藍(lán)色LED中。