基于表面微纳结构的GaN基发光器件光输出特性调控研究

GaN-based LED is now gradually developing toward directions of multi-functionality from previous single lumen efficiency. Digital lighting and communication lighting are becoming future frontier research directions, and micro nano-photonics and nano-optoelectronics based on GaN-LED will be an essential research area. This project will carry out investigations on LED emitting characteristic modulation by surface nano-structures, while using nano elliptical columns for reflection and phase conversion of TE light, using nano-grating for TM light transmission. The research objective is to obtain GaN based LED with high polarized extinction ratio ( exceed 100:1) and emitting efficiency. Study on effects of SP-QW (surface plasmon-quantum well) coupling on LED polarization state will also be carried out. For large area nano structure preparation process (2 inch), new type metal/dielectric composite gratings were adopted, which greatly lowered the tolerance demands on grating periods and duty cycles. This research work has signifance on extending LED applications, solving problems in flat panel display, and exploring applications of nitride material in nano-optoelectronics.

氮化镓基LED的发展逐渐从追求单一的高流明效率向多功能化过渡，数字照明、通讯照明正在逐渐成为前沿研发热点，基于氮化镓LED的微纳光子学和光电子学将是一个极其重要的研究领域。本项目拟开展表面微纳结构对LED出光特性的调控作用研究，设计反射面微纳结构实现TE光的反射和位相转换，设计出光面为金属/介质的复合微纳光栅结构，大幅度提高LED的偏振出光消光比和出光效率，获得偏振消光比100：1的高效偏振出光LED。进一步深入研究金属微纳结构中等离子激元波的电磁特性对LED偏振光输出的特性的影响，探索LED在未来纳米光子学的应用方案。在制备工艺技术上，创新采用金属/介质复合光栅，在实现同样偏振消光比的前提下，大大降低了对光栅周期和占空比的容差要求，实现可以大面积（2英寸及以上）制备的工艺技术。本项目的研究对拓展LED应用领域、创新平板显示的解决方案、探索氮化镓基材料的微纳光电子学应用均具有重要的意义。

在LED照明技术日益发展的今天，偏振光源作为普通光源一种功能上的扩展，在CCD偏振成像、光学存储、光通信、光电探测、平板显示背光等方面具有广阔的应用前景。基于GaN基LED的微纳光子学和光电子学是一个及其重要的研究方向。本项目开展了表面微纳结构对LED出光特性的调控研究工作，设计并制备了基于纳米结构偏振转换的高效偏振出光GaN基LED。.主要工作包括：1) 利用时域有限差分进行数值模拟，设计并制备了基于可见光波段的偏振纳米光栅，以及基于纳米结构偏振转换的高效偏振出光GaN基LED。采用深紫外曝光技术制作了最小周期190nm的纳米偏振光栅，偏振度达到25 dB。2) 提出、设计并制备了二维椭圆柱纳米阵列结构，实现了半波片偏振转换的功能，并将该结构集成到振度LED上，进一步提高了偏振光出光的效率，在宽角度内（±60o内）平均提高20%。3).提出了一种基于荧光陶瓷和纳米光栅集成的GaN基白光LED复合结构，能在450nm~650nm光谱范围内实现高偏振度白光出射。利用纳米压印及反应离子束刻蚀工艺，实验制备了荧光陶瓷基底上周期150nm，有效面积达20mm×20mm的介质/金属复合纳米光栅结构。测试结果表明偏振白光LED在450nm~650nm可见光范围内的消光比大于20dB，TM波透过率高于60%。.本项目的研究对拓展LED应用领域、创新平板显示的解决方案、探索氮化镓基材料的微纳光电子学应用均具有重要的意义。