孫少嬌 ，牛萍娟 ，邢海英

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體照明工程研發(fā)中心，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué)大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387）

作為新一代環(huán)保型固態(tài)光源，GaN基LED已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn).與傳統(tǒng)光源相比，LED具有壽命長(zhǎng)、功耗低、顯色指數(shù)好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但LED的發(fā)光效率低一直是阻礙其發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸[1].目前有很多方法用于提高LED的發(fā)光效率，其中表面粗化是最早也是最有效的提高LED發(fā)光效率的方法.但是表面粗化的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜而且多樣化，盲目地進(jìn)行實(shí)際操作會(huì)使制造成本耗資巨大.本文利用軟件模擬各種粗化方式并計(jì)算發(fā)光效率的改善效果，一方面使實(shí)驗(yàn)成本大大降低，另一方面也會(huì)對(duì)各種粗化效果有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和比較[2]，其設(shè)計(jì)與模擬結(jié)果對(duì)提高GaN基LED的發(fā)光效率具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.

1 表面微元粗化改善光效的原理

光由光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)，當(dāng)光的入射角θ增加到一定值時(shí)，入射光會(huì)全部被反射回入射介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做光的全反射.發(fā)生全反射時(shí)光的入射角θc稱為臨界角.臨界角θc由Snell定律[3]給出:

式中:ne為光疏介質(zhì)的折射率；ns為光密介質(zhì)的折射率.

GaN和空氣的折射率分別是2.5和1，由定律計(jì)算得到從LED活性區(qū)產(chǎn)生的光能夠傳播出去的臨界角約為23°.從活性區(qū)所發(fā)射的光線在到達(dá)半導(dǎo)體與周圍空氣之間的界面時(shí)，如果光的入射角大于23°，則光會(huì)全部被反射回去，如圖1（a）所示.這種全反射不僅大大限制了GaN基LED的發(fā)光效率，而且使不能出射的光在LED結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)換為熱能，升高了結(jié)溫，加劇晶格震動(dòng)，影響內(nèi)量子效率[4].表面粗化技術(shù)的目的就是改變那些滿足全反射定律的光的方向，使改變方向的光在下一次入射時(shí)有可能小于臨界角，繼而不被全反射而透過(guò)界面，如圖1（b）所示.

圖1 未粗化和粗化LED表面光線出射對(duì)比Fig.1 Comparable results between LED without roughing and roughing

2 ITO表面微元粗化仿真和分析

2.1 LED器件建模

首先，利用Lighttools軟件對(duì)未封裝的GaN基LED進(jìn)行繪圖建模.為了建立更準(zhǔn)確的LED模型，在建模之前先對(duì)實(shí)際LED的結(jié)構(gòu)作一個(gè)粗略的統(tǒng)計(jì)[5-6]，得出層間比例.統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

表1 LED結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of LED structureμm

綜合考慮表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果和軟件精度的要求，仿照實(shí)際LED的層間比例，將LED的尺寸設(shè)為0.345 mm×0.345 mm.LED的結(jié)構(gòu)自下而上依次是:反射層，厚度設(shè)為0.001 mm；藍(lán)寶石襯底，厚度設(shè)為0.01 mm；N-GaN層，厚度設(shè)為0.03 mm；多量子阱，厚度設(shè)為0.001 mm；P-GaN層，厚度設(shè)為0.003mm；ITO層，厚度設(shè)為0.004mm.傳統(tǒng)LED模型如圖2所示.

圖2 傳統(tǒng)LED模型建模Fig.2 Model of traditional LED

其次，定義各層的材料屬性和光學(xué)屬性.ITO的折射率取2.02，光學(xué)屬性設(shè)為半反射半透射；GaN層的折射率取2.6，考慮到有源層很薄且被有源層吸收的光子有部分會(huì)發(fā)生二次輻射，所以統(tǒng)一取GaN非本征吸收系數(shù)為50，光學(xué)屬性定義為半反射半透射；由于忽略各向差異，電極和反射層的反射率都取95%.

最后，將多量子阱和N-GaN之間的接觸面設(shè)為發(fā)光面，假設(shè)LED光源是朝各個(gè)方向均勻輻射的，所以將發(fā)光面定義為光通量為1 W的朗伯（Lambertian）光源.

2.2 模擬結(jié)果和分析

2.2.1 傳統(tǒng)GaN基LED出光效率的模擬

目前，傳統(tǒng)LED的發(fā)光效率在4%～30%之間.而對(duì)于未粗化的LED表面進(jìn)行光線仿真的結(jié)果如圖3所示，從光源發(fā)出的光為100 lm，出射的光為29.992 lm，可以計(jì)算出光的發(fā)光效率大約為30%[7].可見(jiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)際值相接近.

圖3 傳統(tǒng)LED的光線仿真結(jié)果Fig.3 Ray trace result of traditional LED

2.2.2 ITO表面不同微元結(jié)構(gòu)LED出光效率的模擬

為了提高光的發(fā)光效率，需要對(duì)LED表面進(jìn)行粗化.利用Lighttools軟件的Add 3D Texture Zone功能，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的微元類型[8]，包括半球狀坑、四方體坑、柱狀坑和四棱錐坑，如圖4所示.在進(jìn)行粗化時(shí)，微元結(jié)構(gòu)最理想的尺寸應(yīng)該與光在GaN中的波長(zhǎng)相比擬.當(dāng)微元尺寸比光波長(zhǎng)小時(shí)，不利于光的散射，會(huì)降低微元結(jié)構(gòu)改變?nèi)肷涔夥较虻男Ч?；?dāng)微元尺寸比光波長(zhǎng)大時(shí)，微元等效平面部分就會(huì)太大，在微元處將會(huì)有更多的光發(fā)生全反射，同樣也不利于光的出射[9].因此，把微元尺寸設(shè)定在0.1 μm和0.2 μm附近時(shí)，光提取效率最大.對(duì)4種微元結(jié)構(gòu)的LED進(jìn)行光線追跡和模擬仿真，結(jié)果如圖5所示.

從模擬結(jié)果可以看到，與未粗化的LED相比，半球狀坑、四方體坑、柱狀坑和四棱錐坑這4種微元結(jié)構(gòu)可以分別將LED的發(fā)光效率提高到72.215%、72.496%、72.510%、73.277%，如表2所示.這與實(shí)際的粗化操作可以將發(fā)光效率提高到70%相符[10].

圖4 4種不同微元結(jié)構(gòu)LED模型Fig.4 Models of four LED with different micro-structure

圖5 4種微元結(jié)構(gòu)發(fā)光效率的光學(xué)仿真結(jié)果Fig.5 Luminous efficiency simulation results of four micro-stucture

表2 不同粗化微元對(duì)LED發(fā)光效率的影響Tab.2 Influence of different micro-structure on LED luminous efficiency

3 結(jié) 論

通過(guò)Lighttools軟件得到傳統(tǒng)GaN基LED和4種粗化微元LED的發(fā)光效率和光場(chǎng)分布.模擬結(jié)果顯示，相對(duì)于傳統(tǒng)LED，經(jīng)表面粗化的LED可以分別將出光效率提高到 72.215%、72.496%、72.510%、73.277%，與實(shí)際值在一定誤差范圍內(nèi)基本相符.從整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以看出，用Lighttools進(jìn)行仿真雖然不能得到全部的性能數(shù)據(jù)，但在局部設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中仿真技術(shù)可以為設(shè)計(jì)者提供非常有效的分析平臺(tái)，使設(shè)計(jì)人員在研發(fā)階段就可以預(yù)知粗化效果，從而降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約時(shí)間和資金.

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