提高LED光提取效率的研究

1、第39卷第11期2010年11月光 子 學(xué) 報(bào)A CT A PH OTONICA SINICAV o l.39N o.11N ov ember 2010 *省部產(chǎn)學(xué)研引導(dǎo)項(xiàng)目 大功率白光L ED 新機(jī)構(gòu)(2009B090300338和粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目 發(fā)光二極管(L ED外延片材料和生長(zhǎng)方法(2007A D1*資助T el:029 *Email:gfan收稿日期:2009 11 09修回日期:2010 03 30文章編號(hào):1004 4213(201011 1956 5提高LED 光提取效率的研究*熊偉平,范廣涵,李琦(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所,廣州510631摘 要:通過(guò)模擬

2、計(jì)算的方法分析了倒裝結(jié)構(gòu)LED 中襯底材料折射率及厚度對(duì)光提取效率的影響,并在此基礎(chǔ)上提出一種新的菱形結(jié)構(gòu).結(jié)果表明:該菱形結(jié)構(gòu)可大幅度提高LED 光提取效率,在使用Si 、藍(lán)寶石、SiC 作為芯片襯底材料時(shí),菱形結(jié)構(gòu)的光提取效率分別提高到傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)的1.51、2.03、3.65倍.關(guān)鍵詞:光提取效率;倒裝結(jié)構(gòu);菱形結(jié)構(gòu);襯底中圖分類號(hào):T N312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi :10.3788/gzx b20103911.19560 引言提高LED 發(fā)光效率的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)是提高其內(nèi)量子效率和外量子效率.其中外量子效率為內(nèi)量子效率與表面光提取效率之乘積,即: = 1 2其中 1為內(nèi)量子效率, 2

3、為光提取效率.由于工藝進(jìn)步及結(jié)構(gòu)優(yōu)化,內(nèi)量子效率已達(dá)到相當(dāng)高的水平,如GaN 基藍(lán)光LED 已達(dá)到80%以上1 2,顯然在內(nèi)量子效率上已沒(méi)有太大的提升空間.外量子效率低的主要原因在于LED 光提取效率很低,提升光提取效率將是未來(lái)提高LED 外量子效率的主要途徑.這在很大程度上要求設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)來(lái)改善出光.對(duì)于給定內(nèi)量子效率的LED,光提取效率為逃逸到空氣中的光子能量與有源層發(fā)出的光子的能量之比.光提取效率是LED 的一個(gè)重要參量,然而對(duì)于GaN 基LED,所使用的GaN 材料的折射率為2.4,對(duì)應(yīng)于臨界全反射角 c =24.5 ,而超過(guò)該角度入射的光子將會(huì)被反射回去,繼續(xù)在GaN 內(nèi)傳播,最

4、終被完全吸收,光提取效率還有很大的提升空間.目前已有很多方法用于提高LED 光提取效率,如光子晶體3、表面粗化4、倒裝結(jié)構(gòu)5 6以及特殊形狀芯片7等.近年來(lái)人們對(duì)光子晶體特性的研究8 10為其應(yīng)用于LED 提供了基礎(chǔ).本文首先分析了LED 倒裝結(jié)構(gòu)中襯底折射率及厚度對(duì)光提取效率的影響,并在此基礎(chǔ)之上提出一種菱形結(jié)構(gòu),通過(guò)模擬計(jì)算表明該結(jié)構(gòu)能大幅的提高光提取效率.1 GaN 基LED 倒裝結(jié)構(gòu)目前,GaN 基LED 廣泛采用藍(lán)寶石作為襯底,由于藍(lán)寶石為絕緣材料,因而在制備電極時(shí)必須采用同側(cè)橫向結(jié)構(gòu),對(duì)于傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu),電極被制備在出光表面,它將吸收一部分光子;并且,電極引線也會(huì)阻擋一部分光子出射.

5、此外,藍(lán)寶石材料熱導(dǎo)率很低,正裝結(jié)構(gòu)不利于芯片散熱.針對(duì)這些問(wèn)題人們發(fā)展了倒裝結(jié)構(gòu),將LED 倒裝焊接在Si 基板上,光子從藍(lán)寶石表面出射,這就避免了電極對(duì)光子的吸收以及電極引線的阻擋;同時(shí),芯片工作產(chǎn)生的熱量直接經(jīng)電極傳遞至Si 基板,由于Si 是熱的良導(dǎo)體,可以將熱量及時(shí)傳遞出去.更重要的是,在倒裝結(jié)構(gòu)中,藍(lán)寶石襯底厚度通常是外延結(jié)構(gòu)的幾十倍,可作為光子出射的窗口,增加了側(cè)面出光,提高了光提取效率.圖1為倒裝結(jié)構(gòu)示意圖.光從藍(lán)寶石襯底出射,由于藍(lán)寶石與外延材料GaN 折射率差較之空氣與GaN 折射率差小的多,因而有更多的光線能進(jìn)入藍(lán)寶石襯底.那么就需要將這部分光子有效的提取出來(lái).圖1 倒裝

6、結(jié)構(gòu)光路分析Fig.1 O pt ical path analysis in the flip chip structure在LED 背面出光的光路中的菲涅爾關(guān)系為n 1 sin 1=n 2 sin 2式中n 1為GaN 的折射率,n 2為藍(lán)寶石折射率,n 3=11期熊偉平,等:提高L ED光提取效率的研究1為空氣折射率.光子從GaN直接入射到空氣的全反射臨界角為24.5,入射到藍(lán)寶石時(shí)為47.然而當(dāng)光線以大于24.5而小于47的入射角入射到藍(lán)寶石時(shí),式中n1 sin 1=n2 sin 2將大于1,也就是說(shuō)這部分光雖然能夠進(jìn)入藍(lán)寶石,但不能透射到空氣中,最終反射回外延層被吸收殆盡.分析可知,倒

7、裝結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增大LED出光錐角,只是避免了正裝結(jié)構(gòu)中電極對(duì)光子的吸收以及增加了襯底側(cè)面出光.部分文獻(xiàn)稱倒裝結(jié)構(gòu)由于有藍(lán)寶石作媒介,從而增大了出光錐角,顯然是不符合事實(shí)的.2 模擬分析與設(shè)計(jì)2.1 理論模型與模擬參量本文采用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Tr acepro進(jìn)行模擬計(jì)算.Tr acepro廣泛應(yīng)用于光學(xué)計(jì)算與器件仿真特別是LED仿真,是基于蒙特卡羅方法進(jìn)行非序列性光線追蹤,在所定義的發(fā)光面上隨機(jī)選取一點(diǎn)發(fā)射光線,該光線的方向和能量也是隨機(jī)的.追跡的光線在模型內(nèi)嚴(yán)格按照幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)的規(guī)律傳播.在傳播過(guò)程中,光子以一定幾率被吸收.當(dāng)一條光線的能量減少到一個(gè)很小的值時(shí),T racepro將進(jìn)入

8、下一條光線的追跡.由于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的飛速發(fā)展,允許追跡幾萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)個(gè)光子,本文的模擬追跡五萬(wàn)條光線.首先必須根據(jù)實(shí)際芯片結(jié)構(gòu)建立芯片仿真模型,芯片尺寸為350 350m2,依次建立3m厚的n GaN,5 23nm厚有源層,0.2m厚p GaN.由于這里旨在計(jì)算芯片光提取效率,而不考慮內(nèi)量子效率和光子實(shí)際產(chǎn)生過(guò)程,因此有源層用一個(gè)上下表面為發(fā)光面的長(zhǎng)方體代替,其發(fā)射方向是各向同性的8.總發(fā)光功率為1W,波長(zhǎng)為470nm.計(jì)算得到的出光效率即為光提取效率.建立好仿真模型后對(duì)各層材料及表面設(shè)置屬性表1.表1 材料屬性Table1 Material propertiesM ater ials R

9、ef ractive index A bso rptio n/mm-1n GaN 2.42 1.7A ct ive layer 2.54125P G aN 2.45 1.7設(shè)置好各層材料屬性,軟件將根據(jù)菲涅爾公式自動(dòng)計(jì)算各層材料界面在不同入射角時(shí)的光反射率和透射率.此外,在倒裝結(jié)構(gòu)中,通常其p型電流擴(kuò)散層兼具反射作用,設(shè)定其反射率為95%1,其余將被吸收.2.2 傳統(tǒng)倒裝結(jié)構(gòu)光提取效率探討目前GaN基LED主要采用藍(lán)寶石、Si、SiC作為襯底材料,折射率分別為1.78、1.5、2.47.圖2表明了三種材料的折射率及厚度對(duì)提取效率的影響.從圖中看到,三種襯底材料折射率雖然存在較大差異,但光提取效

10、率差別甚微,表明襯底折射率對(duì)光提取效率幾乎無(wú)影響,由此可以證明倒裝結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)橛幸r底作為出光媒介而增大出光錐角,這與本文前面的分析相論證 .圖2 倒裝L ED光提取效率隨襯底厚度的變化F ig.2 Ex tr act ion efficiency of flip chip L EDversus thickness在倒裝結(jié)構(gòu)中襯底可作為窗口層而提高光提取效率,因此襯底厚度必然對(duì)提取效率有一定影響.圖2表明,倒裝LED光提取效率隨襯底厚度增大而迅速增加.隨著厚度不斷增大,提取效率增加變得緩慢.如圖3,陰影部分是LED側(cè)面出光錐角,該錐角內(nèi)只有投射到側(cè)面的光能夠出射,當(dāng)襯底厚度較薄時(shí),隨著厚度不斷變

11、大,錐角內(nèi)越來(lái)越多的光線投射到側(cè)面,因而光提取效率增加,但當(dāng)厚度進(jìn)一步變大,錐角內(nèi)的光線全部投射到側(cè)面,提取效率相應(yīng)的不再增加 .圖3 提取效率隨襯底厚度變化分析F ig.3 Ex traction efficiency w ith the thickness chang es2.3 菱形結(jié)構(gòu)的提出與探討本文分析表明,倒裝結(jié)構(gòu)未能增大LED出光錐角,只是增加側(cè)面出光,對(duì)光提取效率的提高極為有限,且制作工藝復(fù)雜,因而實(shí)際應(yīng)用中還是以正裝結(jié)構(gòu)為主.實(shí)驗(yàn)及理論分析表明7,11,傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)使光子在一個(gè)平行腔內(nèi)被限制,通過(guò)改變這種方形結(jié)構(gòu)的形狀能得到更高的提取效率.圖4是一種倒金字塔形結(jié)構(gòu),最早在19

12、99年被提出10,它是在透明襯底LED基礎(chǔ)上的再次加工.將bonding后的LED1957光 子 學(xué) 報(bào)39卷 晶片倒置,切去四個(gè)方向的下角,側(cè)面與垂直方向夾角為35 .傾斜側(cè)面能將在其上不能出射的光全反射至上表面再出射,同樣的,上表面也能將出射錐角外的光反射至傾斜側(cè)面再出射,能大幅度地提高提取效率.該結(jié)構(gòu)最早是應(yīng)用于紅光LED,本文將其應(yīng)用于GaN 基藍(lán)光LED,并計(jì)算光提取效率.以200 m 厚度的SiC 襯底為例,光提取效率達(dá)到了70%.然而該結(jié)構(gòu)在制作時(shí)需切除四個(gè)下角,浪費(fèi)了大量外延材料,且制作工藝復(fù)雜,需進(jìn)行多次切割,因而單位成本所得到的光通量并未有大幅增加. 圖4 倒金字塔形芯片F(xiàn)

13、ig.4 T r uncated inv erted pyramid L ED為此,本文提出一種新的菱形結(jié)構(gòu)芯片,如圖5.四個(gè)側(cè)面同樣被設(shè)計(jì)成斜面,但相對(duì)的兩個(gè)側(cè)面相互平行,這樣就避免了材料的浪費(fèi).通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),菱形結(jié)構(gòu)可以有效地提取出進(jìn)入襯底的光子,也就是說(shuō)外延材料相對(duì)空氣的出光錐角以外的光也有機(jī)會(huì)出射到空氣中,因此其光提取效率將會(huì)有大幅提高. 圖5 菱形結(jié)構(gòu)F ig.5 T he Diamond shaped str ucture分析圖5(b的光路示意圖,經(jīng)襯底上表面全反射回來(lái)的光到達(dá)右側(cè)面時(shí)可以透射,這與圖3(b的情形相同,但是經(jīng)上表面全反射到左側(cè)面的光不能透射,因而菱形結(jié)構(gòu)的光提取效率

14、相對(duì)于倒金字塔形結(jié)構(gòu)會(huì)有所下降,計(jì)算結(jié)果也表明了這一點(diǎn),但因其不會(huì)浪費(fèi)外延材料,所以單位成本得到的光通量實(shí)際是要更大些.同樣分析襯底折射率及厚度對(duì)菱形結(jié)構(gòu)光提取效率的影響,如圖6.此外,分析側(cè)面傾斜角度(側(cè)面與豎直面夾角的影響,如圖7.圖6顯示了側(cè)面傾斜角度為30 時(shí)襯底厚度對(duì)光提取效率的影響.隨著襯底厚度的增大,光提取效率迅速增加,然后變得緩慢,這與傳統(tǒng)倒裝結(jié)構(gòu)的情形相類似,但提取效率的大小相比傳統(tǒng)倒裝結(jié)構(gòu)有了明顯增加,襯底厚度為200 m 時(shí),對(duì)應(yīng)Si 、藍(lán)寶石、SiC 三種襯底材料,提取效率分別為25.25%、34.15%、62.27%,分別提高到傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)的1.51、2.02、3.6

15、5倍.圖6 襯底厚度對(duì)菱形結(jié)構(gòu)光提取效率的影響Fig.6 Impact of thickness on the ex tr act ion efficiencyof diamo nd shaped str ucture圖7 側(cè)面傾斜角度對(duì)菱形結(jié)構(gòu)光提取效率的影響F ig.7 Impact of t ilt ang le on the ext raction efficiency o fdiamo nd shaped str ucture此外,與圖3所不同的是,對(duì)應(yīng)三種不同折射率的襯底材料,提取效率有著很大的差別,這表明菱形結(jié)構(gòu)突破了全反射效應(yīng)的限制,并且出光錐角隨襯底折射率變大而增大.此時(shí),光

16、從外延材料入射到襯底的多少成為影響芯片光提取效率的主要因素,襯底材料折射率越大,進(jìn)入襯底的光子就越多,提取效率越高.其中SiC 的折射率與外延材料相當(dāng),光子能全部進(jìn)入襯底,因而提取效率較之其他兩種材料有更明顯的增加.值得注意的是,襯底折射率不宜過(guò)大,因?yàn)橐r底折射率遠(yuǎn)超過(guò)外延材料時(shí),有源層產(chǎn)生的光子能全部透射入襯底,此時(shí)襯底表面的出光錐角(襯底相對(duì)空氣將成為制約提取效率的主要因素.菱形結(jié)構(gòu)的作用就在于通過(guò)表面的全反射不斷改變光再次入射到表面時(shí)的入射角,則光子在經(jīng)過(guò)一次或幾次全反射后以一定幾率出射,如果襯底折射率過(guò)大導(dǎo)致表面出光錐角變小,這種幾率必然也要變小;另外,襯底折射率越大,其與外延材料的折

17、射率差就越大,在兩者的界面處的反射率變大,相應(yīng)的透射率變小,進(jìn)入襯底的光子將減少,對(duì)芯片光提取效率造成不利195811期熊偉平,等:提高L ED 光提取效率的研究影響.因而襯底折射率應(yīng)與外延材料相當(dāng)為宜.表2的計(jì)算結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn),光提取效率在GaN 材料的折射率附近達(dá)到最大值,隨著折射率繼續(xù)增大,提取效率將逐漸降低.表2 光提取效率隨襯底折射率變化Table 2 Extraction efficiency versus refraction indexT hick nes s =200 m Tilt angle=30Refractive index 1.5 1.78 2.40 2.47 3.

18、03.5Efficien cy/%25.2534.1561.0862.0845.0731.47圖7表明了襯底厚度為200 m 時(shí)側(cè)面傾斜角度對(duì)提取效率同樣有著重要影響,提取效率隨傾斜角度的增大而增加.可以看到,當(dāng)傾斜角度增大到一定程度后,提取效率的增加變得緩慢.對(duì)于圖8(a的傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu),只有半個(gè)出光錐角內(nèi)的光子可以通過(guò)側(cè)面出射;而在圖8(b中,隨側(cè)面傾斜角度增大,左側(cè)面將使整個(gè)出光錐角內(nèi)的光子都可以透射,右側(cè)面更是能將投射到其上的光子或直接出射或全反射至上表面再出射,因而提取效率迅速增大;但在圖8(c中,隨著側(cè)面傾斜角度進(jìn)一步增大,一整個(gè)出光錐角內(nèi)的光子從左側(cè)面直接透射,但出光錐角下方將有一

19、部分光子被全反射回外延層被吸收,而右側(cè)面由于傾斜角度增大將更有利于光子出射,此時(shí)就存在兩種力量的制衡,因而光提取效率的增加變得緩慢,這正如圖7.可以想象,如果側(cè)面傾斜角度越來(lái)越接近90 ,此時(shí)大部分光子投射到左側(cè)面,提取效率將逐漸降低 .圖8 側(cè)面傾斜角度對(duì)提取效率的影響Fig.8 Impact of tilt angle on the ex tr act ion efficiency3 結(jié)論本文分析了GaN 基LED 倒裝結(jié)構(gòu)中襯底折射率及厚度對(duì)光提取效率的影響,并提出了一種新的菱形結(jié)構(gòu),分析襯底折射率和厚度以及側(cè)面傾斜角度對(duì)菱形結(jié)構(gòu)LED 光提取效率的影響.結(jié)果表明,菱形結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)芯片

20、中全反射的限制,大幅提高了光提取效率.當(dāng)側(cè)面傾斜角度為30 ,襯底厚度為200 m 時(shí),對(duì)應(yīng)Si 、藍(lán)寶石、SiC 三種襯底材料,菱形結(jié)構(gòu)的光提取效率分別提高到傳統(tǒng)倒裝結(jié)構(gòu)的1.51、2.03、3.65倍.參考文獻(xiàn)1 LIUZhi qiang,WANGLiang ch en.Analysisoflightex traction eficiency for face u p an d flip chip GaN based LEDJ.Chinese J our nal of Elec tr on Dev ices ,2007,30(3:775 778.劉志強(qiáng),王良臣.正裝、倒裝結(jié)構(gòu)GaN 基LE

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