【摘 要】
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氮化镓（Gallium Nitride,GaN）基发光二极管（Light Emitting Diode,LED）具有发光效率高、性能稳定、使用寿命长等诸多优点,在照明、全彩显示、通信等行业内的应用都十分广泛。但因目前半导体材料的质量和LED散热性能等因素的制约,LED的发光性能仍有待提高。本文为进一步提升蓝光GaN-LED的发光性能,从提高其发光效率和调制带宽两方面展开了研究。首先,本文对LED的
【基金项目】
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河北省自然科学基金重点项目“可见光视频通信系统的关键技术研究（F2017203316）”；
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氮化镓（Gallium Nitride,GaN）基发光二极管（Light Emitting Diode,LED）具有发光效率高、性能稳定、使用寿命长等诸多优点,在照明、全彩显示、通信等行业内的应用都十分广泛。但因目前半导体材料的质量和LED散热性能等因素的制约,LED的发光性能仍有待提高。本文为进一步提升蓝光GaN-LED的发光性能,从提高其发光效率和调制带宽两方面展开了研究。首先,本文对LED的整体结构和p-n结发光原理进行了详细的研究,分析了多量子阱LED结构的优势,阐述了LED的内、外量子效率的计算公式,介绍了表面等离激元的两种不同种类以及其色散关系、激发方式等特征,对仿真分析所采用的有限元法进行了公式推导,并介绍了COMSOL软件以奠定仿真基础;然后,对提高LED发光效率的理论进行了研究,结合光栅结构的材料特性,设计了一种表面等离激元增强型的蓝光GaN-LED复合型光栅结构模型,并且讨论了该结构制作工艺的可行性。同时选用COMSOL软件的射频模块对结构进行了参数优化和仿真分析,得到了该结构在最优参数下的辐射功率、吸收功率以及电场分布图。仿真结果表明,经参数优化后,当复合型光栅LED发射光的波长为460nm时,其辐射到空气中的平均电场模约为单光栅LED结构的38倍,验证了该结构可以有效提升LED的发光效率;最后,对提高LED调制带宽的理论进行了研究,设计了一种能够在不破坏光栅结构的基础上,通过提高LED散热能力从而提高其调制带宽的结构模型。并且选用COMSOL软件的热传导模块对结构进行了参数优化和仿真分析,得到该结构在最优参数下的温度分布图及理想工作条件下的电流注入密度,仿真分析显示,在最优参数下,该结构的理想电流注入密度为2.387×10~4 A/cm~2,表明了该结构为提升LED调制带宽方面的研究提供了坚实的理论基础。
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