gan基倒装焊led芯片的光提取效率模拟与分析mmghtk.doc

2012-07-13#############2012-07-13######2#0#12-07-13########GaN 基倒装焊 LED 芯片的光提取效率模拟与分析钟广明1 ，杜晓晴22012-07-13#############2012-07-13######2#0#12-07-13########GaN 基倒装焊 LED 芯片的光提取效率模拟与分析钟广明1 ，杜晓晴2 ，田( 1． 重庆大学 光电工程学院，重庆健1400044;2． 重庆大学 光电技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044)摘要: 采用蒙特卡罗光线追踪方法，模拟 GaN 基倒装 LED 芯片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层下 LED 光提取效率的变化，并对粗化微元结构和尺寸作了进一步选 取与优化。研究结果表明: 采用较厚的蓝宝石衬底和引入 AlN 缓冲层均有利于 LED 光提取效率的提高; 蓝宝 石衬底双面粗化对提高光提取效率的效果要明显好于单面粗化; 表面粗化的结构和尺寸对光提取效率有较 大影响，当微元特征尺寸与微元间距相当时，光提取效率较高。关 键 词: GaN 基倒装 LED; 光提取效率; 光线追踪; 双面粗化; AlN 缓冲层中图分类号: TN312． 8文献标识码: APACS: 78． 60． FiPACC: 7860FDOI: 10． 3788 / fgx 0773射界面全反射的限制。有源区产生的光在出射过1引言程中从最上层的光密介质 GaN( 折射率 n= 2． 4)s作为新一代环保型固态光源，GaN 基 LED 已成为人们关注的焦点。与传统光源相比，LED 具 有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度 快、易于调制和集成等优点，在信息显示、图像处 理等领域得到广泛应用［1-3］。目前，可应用到实 践中的 GaN 基白光 LED( 蓝光 + 荧光粉) 的发光 效率达到了 100 lm / W 以上，但与理论效率( 250 lm / W) 还有较大的差距。近些年 LED 单位光量( 1 lm) 的单价虽持续下跌，但在照明设备用途方 面，白光 LED 与现有荧光灯和白炽灯单位光量的 单价还相差 10 倍以上。为了压缩白色 LED 单位 光量的单价差，必须进一步提高发光效率［4-6］。GaN 基 LED 发光效率由发光二极管的内量 子效率和光提取效率决定。随着材料生长技术以 及器件结构设计的进步，内量子效率已经达到99% 左右［7］。但受 GaN 材料吸收、电极吸收以及 GaN-空气界面全反射临界角等因素影响，LED 的 光提取 效 率 仍然有很大提升空 间。 采 用 倒 装入射到光疏介质空气( n0 = 1 ) 中，两种介质的折射率相差较大，全反射的临界角约为 24． 5°，因此 会使得出射光有很大一部分在界面处发生全反射现象而不能发射出去。对于一个典型的扁平半导 体 LED，因光提取效率的限制，仅有大约 4% 的光 可以出射，96% 的光反射回 LED 内部，最终被吸收损耗掉［8］。在 LED 芯片设计中，目前已经有很多方法用 于降低出射界面的全反射损失，以提高光提取效 率，如 光 子 晶 体［9］、衬 底 图 形 化［10］ 以 及 表 面 粗 化［10］等。实验证明，衬底图形化和表面粗化是两 种最为简单有效的方法，但在结构设计与优化上 还没有进行过较为深入的分析和讨论。本文采用 蒙特卡罗光线追踪方法，模拟 GaN 基倒装 LED 芯 片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝 宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层的 LED 光 提取效率及光场分布，并对粗化微元结构和尺寸 作了进一步选取与优化，其模拟与设计结果对提 高 GaN 基倒装 LED 芯片的光提取效率具有一定 的指导意义和参考价值。( Flip-chip)LED 结构，可以避免电极对光线的吸收，有效提高 LED 的光提取效率，但依然受到出收稿日期: 2011-03-24; 修订日期: 2011-06-172012-07基-金1项3目:#中#央#高校#科#研#业务#费#( #CD#JZR#101#20#0142，C0DJ1XS1211-2000217) 资-助1项目3######2#0#12-07-13########拟。蒙特卡罗方法( Monte Carlo Method) 也称统计模拟拟。蒙特卡罗方法( Monte Carlo Method) 也称统计模拟方法 ［12］，利用这种方法对随机并且均匀 分布于 4π 立体角的光子传播路径进行追踪，统 计逃逸出 LED 芯片光子数目占自发发射光子总 数的比例即可得到光抽出效率，即2LED 芯片结构模型与模拟方法模拟的 LED 芯片