Abstract
In this project we develop a numerical model for computing and studying light emission and propagation in LED structures. These structures are based on optical cavities and they may contain 2-D periodic gratings. The final aim of the project is to develop models and tools which allow us to study extraction efficiency (ExE) in this kind of devices. In order to do that, our work has been primarily based on properly interpreting and combining three key physics phenomena chiefly governing light extraction efficiency: Light radiation from the quantum wells, propagation through optical thin films, and diffraction of 2-D gratings at the interface between two media. The understanding of these optical processes and their mutual interactions influencing the mechanisms of light outcoupling has been central in this study. In order to be able to solve the model in current workstations, we have developed a hybrid numerical method. This method is based on the integration of a semi-analytical method, used for solving light propagation in planar structures, with a numerical method, used for rigorously solving Maxwell's equations over periodic gratings. Despite the combination of both methods, solving light propagation in periodic gratings still remains computationally expensive, so an important part of the project time has been spend trying to optimize this calculation. We present results for different important parameters along the document, as the enhancement of power emitted by quantum wells, results for far-field radiation patterns or optimizations maps for the ExE as a function of different LED design parameters. An important result we present is the verification that ExE effectively increases in a LED device with the incorporation of a periodic grating in the structure.
En este proyecto se elabora un modelo numérico para el cálculo y estudio de la emisión y propagación de la luz en el interior de estructuras LED. Dichas estructuras están basadas en cavidades electromagnéticas y además pueden contener gratings 2-D periódicos. La finalidad última del proyecto es la de desarrollar modelos y herramientas que permitan el estudio de la eficiencia de extracción (ExE) en este tipo de dispositivos. Para ello, el trabajo principal ha consistido en estudiar de forma adecuada tres fenómenos que intervienen de forma clave en el valor último de la eficiencia de extracción de los LEDs. Éstos son la emisión de luz en los pozos cuánticos, la propagación de ésta a través de estructuras planas multicapa y la difracción de la radiación en gratings 2-D periódicos. La comprensión de estos tres procesos ópticos y la influencia de sus interacciones mutuas en el acoplamiento de la luz hacia el exterior ha sido la base central del proyecto. Para permitir la resolución del modelo en los actuales servidores de cálculo, se ha desarrollado un método híbrido de resolución numérica. Dicho método se basa en el acoplamiento de un modelo semianalítico, utilizado para la resolución de la propagación de la luz en estructuras planares, con un método puramente numérico, utilizado para la resolución rigurosa de las ecuaciones de Maxwell en gratings periódicos. Pese a la combinación de ambos métodos, la resolución de la propagación de la luz en los gratings periódicos sigue siendo computacionalmente costosa, por lo que una parte importante del proyecto ha consistido en intentar optimizar dicho cálculo. A lo largo del documento se presentan resultados para diferentes parámetros importantes como son el cálculo de la mejora de la potencia emitida por los pozos cuánticos, resultados para los patrones de radiación en campo lejano o mapas de optimización de la ExE en función de diferentes parámetros de diseño de los LED. Un resultado importante presentado en el documento es la comprobación de cómo efectivamente la ExE se incrementa significativamente con la introducción de un grating periódico en la estructura de un dispositivo LED.
En aquest projecte s'elabora un model numèric per al càlcul i l'estudi de l'emissió i propagació de la llum a l'interior d'estructures LED. Aquestes estructures estan basades en cavitats electromagnètiques i a més poden contenir gratings 2-D periòdics. L'objectiu final del projecte és el de desenvolupar models i eines que permetin l'estudi de l'eficiència d'extracció (ExE) en aquest tipus de dispositius. Perseguint aquest objectiu, la tasca principal ha consistit en estudiar de forma adequada tres fenòmens que intervenen de forma clau en el valor final de l'eficiència d'extracció dels LEDs. Aquests són l'emissió de llum en els pous quàntics, la propagació d'aquesta a través d'estructures planes multicapa i la difracció de la radiació en gratings 2-D periòdics. L'anàlisi d'aquests tres processos òptics i la influència de les seves interaccions mútues en l'acoblament de la llum cap a l'exterior ha estat la base central del projecte. Per permetre la resolució del model en les actuals estacions de càlcul, s'ha desenvolupat un mètode híbrid de resolució numèrica. Aquest mètode es basa en l'acoblament d'un model semianalític, utilitzat per a la resolució de la propagació de la llum en estructures planars, amb un mètode purament numèric, utilitzat per a la resolució rigorosa de les equacions de Maxwell en gratings periòdics. Tot i la combinació del dos mètodes, la resolució de la propagació de la llum en els gratings periòdics continua sent computacionalment costosa, motiu pel qual una part important del projecte ha consistit en intentar optimitzar aquest càlcul. Al llarg del document es presenten resultats per a diferents paràmetres importants com són el càlcul de la de la millora de la potència emesa pels pous quàntics, resultats per als patrons de radiació en camp llunyà o mapes d'optimització de la ExE en funció de diferents paràmetres de disseny dels LED. Un resultat important presentat en aquest treball és la comprovació de com efectivament la ExE s'incrementa significativament amb la introducció d'un grating periòdic en l'estructura d'un dispositiu LED.
Descripció
The project consist on the development of numerical methods and computational techniques to model the processes of light extraction in power LED (Light-Emitting Diodes) devices. We aim at the use of complex corrugated microstructures to boost the efficiency of our current LUXEON LED products. In order to study extraction efficiency in these devices a 3D optics model of thin film micro-structures must be developed and tested.
