不同四边形LED芯片光萃取效率仿真研究.pdf

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1、第32卷第11期行业资讯71．LED专题．不同四边形LED芯片光萃取效率仿真研究文／杨义军，胡珊，朱骏扬州大学物理科学与技术学院摘要：用TracePro光学仿真软件，研究了面积相同的正方形、长方形、菱形和梯形等4种四边形GaN基蓝光发光二极管(LED)芯片的光萃取效率。仿真结果表明在相同芯片面积(0．3mm×O-3mm)，相同发光功率(O．2w)的情况下，正方形，长方形，菱形，梯形的LED芯片的光萃取效率分别为18．2％，】8．1％，】9．7％，20．2％。这表明不同的芯片形状对LED的光萃取效率影响显著。梯形芯片与通常使用的正方形芯片相比，光萃取效率提高约l1．0％

2、。这种提高LED光萃取效率的方法具有不改变LED制程过程，对生产成本与成品率没有影响的优点关键词：发光二极管；TracePro；光萃取效率；形状；四边形基金项目：国家自然科学基金(11004170)资助项目；江苏省高校自然科学基金(12KJB1400l2)资助项目LED(LightEmittingDiode)被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。LED芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。一作为最有希望取代白炽灯的照明光源，氮化镓(GaN)基蓝光芯片

3、~31YAG(Yttriumaluminumgarnet)荧光粉的白光LED成为当前的人们关注的热点。现在白光LED的一个最大的问题是亮度不能完全满足日常照明的要求，这主要是因为GaN基LED芯片的发光效率还不理想。影响其发光效率主要有两个方面的因素，一个因素是内量子发光效率，它由材料的质量、外延层结构等决定。通过对芯片生长工艺的不断优化，现在GaN基LED芯片的内量子发光效率可高达80％，因此在这方面改进和提高的余地己非常有限。另一个因素是外量子发光效率，即光萃取效率。由于氮化物外延层和空气的折射率差异较大，有源区中产生的光子只有一部分逸出LED芯片外，大部分会因为

4、全反射和吸收在内部消耗而不能导出芯片。因此提高光萃取效率已经成为提高其发光效率的一个非常重要也是非常有效的途径。现在最常用的提高LED光萃取效率的方法是芯片表面及侧面粗化，改变蓝宝石衬底形状或在衬底边缘刻画沟槽也可在一定程度上提高LED芯片的光萃取效率。采用图形化蓝宝石衬底或侧向外延生长技术，可以改善GaNPb延质量，增加内量子效率的同时提高外量子效率。但这些方法的共同缺点是增加了制程步骤，影响产品的成品率，所以在提高光输出的同时，也提高了生产成本。现在的LED基本上都是长方形或者是正方形，不同外形可能对LED的发光效率有明显影响。一定规则外形的四边形如菱形、梯形相互

5、拼接后，对晶片利用效率基本无影响。所以笔者用TracePro光学仿真软件，研究面积相同，而外形不同的四边形GaN基蓝光LED发光效率。TracePro是第一套以符合工业标准的ACIS(固体模型绘图软件)为核心发展出来的光学软件，可以建立立体对象，设定材料特性，表面性质和光源特性，将真实立体模型和光学分析紧密结合，进行照明系统分析、传统光学分析、辐射度以及光度分析。TracePro用“GeneralizedRaytracing”技术来追迹光线，这种技术允许引入光线到一个模型，在每个界面，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。当光线在实体中沿不同路径传播时，Tra

6、cePro／~踪每条光线的光通量，并计算光的吸收、镜面反射及折射、衍射和散射能量。1LED芯片模型的建立首先用TracePro软件建立LED芯片的模型。采用六层LED芯片工艺模型，如图l所示。图中每层厚度比例只是为了显示方便，构建的LED模型中，各层厚度比例并不与图中相符。图1中，从下到上分别为Sapphire层(蓝宝石)、n-GaN层(n极)、MQW层(多量子阱层)、EBL层(电子阻挡层)、p-GaN层(p极)、ITO层(透明导电金属薄膜)。