宽频高光提取效率LED芯片的研究

方海闻，蒋寻涯

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海　200433)



宽频高光提取效率LED芯片的研究

方海闻，蒋寻涯

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海200433)

提出一种利用单一光子晶体蛾眼结构实现宽频大幅提高LED光提取效率的设计，其核心思想是利用结构参数优化，融合“光子晶体多波矢耦合”和“蛾眼结构宽频折射率渐变”两种机制。通过基于时域有限差分算法的数值实验，对光子晶体蛾眼结构的物理参数进行优化，最后得到一种简单且宽频高光提取效率的结构，适用于RGB 全彩LED，在宽频范围内可以比传统无表面结构LED的光提取效率平均提高了6倍以上，具有广泛的工业使用前景。

光提取效率；RGB全彩LED；光子晶体；蛾眼结构

引言

LED作为一种新型固态光源以其独特的优越性已经被广泛用于各个领域，实现了人类照明历史的又一次技术革命[1-3]。随着人们对照明质量需求的提高，RGB全彩LED得到快速发展，其内部由三颗基色芯片构成，通过控制电流大小可以调节三基色的配比实现可调色温和高显色指数的功能[4-9]。在LED众多课题中，提高LED芯片的光提取效率一直是该领域的重要问题，这是由于大于临界角入射到LED芯片表面的光会在表面发生全内反射(total internal reflection，即 TIR)，这部分光在 LED 内部传播，一部分从 LED 芯片的侧面出射，而另一部分被有源层或者是缺陷能级吸收，造成出光效率低。更严重的是被缺陷吸收的光转化为热能，使 LED 工作在高温状态，缩短使用寿命，而且高温会降低LED的材料性能，造成更强的吸收，从而使系统性能进入恶性循环。所以，提高出光效率是LED一个长期的问题。

最近几年国内外学者在提高LED芯片出光效率方面做了很多研究工作，也提出了很多有效方法，包括表面粗化、透明衬底、芯片异形、倒装芯片等方法，让光提取效率都有了很大提高，平均可以提高2～4倍[12-15]，表面粗化法和倒装技术已经成熟地运用到了实际应用中。但是，这种无顺序的粗化法不能有效控制粗化后的表面形貌，从而不能对从LED芯片内部提取的光的出射方向进行控制，而且对不同波长出光效果带有一定的随机性。另一方面，光子晶体作为一种全新的光子学材料被引入来解决该问题[16-17]，Shanhui Fan(MIT)在2001年首次提出利用特定光子晶体可以将LED出光效率做到100%[18]。但是其工作频率范围极其窄，无法实现宽频范围高光提取效率，未能满足全彩LED的实用性。再后来，光子晶体蛾眼结构来提高LED的光提取效率的思路被提出，其宽角度提高出光率的效果得到证实，Eun-Ju Hong等人通过实验证实了有蛾眼结构的LED样品光致发光强度比没有该结构的样品高5～7倍[19]，但是相关研究并没有考虑到全彩LED的宽频需求[20-24]。

在此工作中，我们提出光子晶体蛾眼结构，通过优化参数，可以实现宽频高光提取效率甚至覆盖整个RGB全彩光谱，即同一种结构在RGB波段在宽角度范围都具有高的抽光率。通过基于FDTD算法的数值实验，我们发现与传统平板结构相比能在RGB全彩频率提高抽光率达到6倍以上。因为该设计结构相对简单，易于微纳加工，具有广泛的运用价值。

对于RGB全彩 LED，希望在610～620nm、530～540nm、460～470nm三个波段均具有很高的光提取效率成为迫切需求。

1　模型结构和计算方法

加蛾眼结构的一般正装GaN LED结构示意图如图1所示：从上到下结构依次为蛾眼结构层、p型层、多量子阱层、n型层和金属反射层。

图1　真实LED结构示意图Fig.1　The schematic diagram of real LED structure

图2　仿真结构示意图Fig.2　Schematic diagram of simulation structure

因为实际LED全反射主要是发生在最上层平板(p型层)与空气之间，为了突出蛾眼结构的效果，我们对此模型进行了简化，简化结构如图2所示，我们略去多量子井层，并且，忽略p型层与n型层的差别，所以p型层与n型层就合为一层GaN层，其厚度约100nm，GaN介质折射率为2.4，消光系数3.58×10-4[19]，底层与真实LED一样是理想金属反射层。顶层蛾眼结构也是由相同GaN材料构成，在xy平面是正方晶格，其中最主要三个参数：晶格常数a、锥高h、锥底半径d，它们的初始值设为a=700nm，h=500nm，d=600nm，后面我们将对它们进行优化，优化过程的规则是“扫描某个参数，保持另外两个参数为初值”。

本文的数值实验是用EastWave商业软件[10]进行模拟，该软件是基于三维FDTD(时域有限差分)算法。在仿真过程中，不同偏振方向的偶极子光源放在GaN层中，发出特殊高斯脉冲，在LED蛾眼结构的上方200nm位置设立“观测面”，记录各个频率在观测面z方向的出射能流(软件中附带此功能)，从而计算出每个频率的LED的光提取效率为

(1)

而光提取效率的增强倍数为

仿真计算体系的尺寸大小是一个需要综合考虑的问题。因为我们关心的是全彩LED的抽光率提高，所以光源发出的高斯脉冲涵盖了所有可见光频谱范围，即波长是几百纳米级别，而真实LED芯片的尺寸是毫米级别，约波长的千倍以上。进行真实LED尺寸(千倍波长以上)的严格仿真是不可行的，因为我们必须考虑到有限计算资源限制和计算时间的限制。在考虑各种限制和计算结果准确性的前提下，我们选择计算10a×10a(7μm×7μm)大小的体系，因为，通过检验性计算，我们发现再增大计算体系尺寸，对计算结果影响很小，说明结果已经收敛，即这个尺寸体系的计算结果已经能够代表更大体系的结果。所以，10a×10a的仿真计算尺寸已经保证了计算结果的收敛性和可靠性。

2　提高光提取效率原理

蛾眼结构是一种熟知的宽频低反射的微纳结构，其在空气和蛾眼睛内部之间形成渐变的有效折射率梯度，把自由空间的辐射光高效地耦合到眼睛内部，大幅度降低反射，增加吸收效果。其频率不敏感的低反射现象，物理原理是：当光的波长大于微纳结构的尺寸时，光波无法分辨微纳结构细节，只能感受到平均折射率，即随深度渐变的平均折射率。根据光路可逆性原理，好的吸波材料往往就是好的发光材料，所以蛾眼结构也能够用于LED等发光器件的设计。

自然界的蛾眼结构普遍是准无序的，而人工周期性的蛾眼结构则可以把前述“光子晶体周期波矢耦合效应”和“蛾眼结构宽频折射率渐变效应”融合起来，通过这两个效应就能够实现宽频、宽角度、高效率的内外场耦合效果，而这恰恰是本文的创新点。我们在下一节将看到，通道适当选择结构参数，确实能够实现这个效果。

3　数值仿真结果

接下来，我们将根据所建的模型利用FDTD软件进行参数优化计算。作为光提取效率提高的基础，首先计算普通平板LED的光提取效率，在400nm～700nm波段，可以发现在此波段普通平板LED的光提取效率平均大约在6%左右然后设置蛾眼结构，假设蛾眼光子晶体结构的晶格常数a，蛾眼高度h，蛾眼底部间距d，初始值分别为a=700nm，h=500nm，d=600nm，计算该结构在300～1000nm的光提取增强系数如图3所示。可以看出在400～700nm波段光提取效率在各个波段表现很不同，在500～600nm波段相对于普通平板LED有了很大的提高，有些波段提高接近6倍，但是，在400nm左右只与平板差不多，在比600nm更长的波段光提取效率也只提高3倍左右。显然，该结构还有很大的优化空间。

为了实现宽频段高光提取效率，我们将先后依次优化蛾眼结构参数a、h和d，发现它们影响光提取效率增强倍数(蛾眼/平板)的规律，并得到较优化的设计。

首先，优化晶格常数a。如前所述，在优化a时，我们假定h和d保持固定(h=500nm，d=600nm)，改变晶格常数a：700nm，800nm, 900nm，并计算光提取效率的变化。如图4所示，可以看出在在700～800nm范围，a增大会大幅提高光提取效率，但是随着a从800nm进一步增大到900nm，光提取效率明显趋于饱和。有鉴于此，我们下面优化其他参数时把a定为900nm。

图3　平板LED光提取效率和光子晶体蛾眼结构LED相对于平板LED光提取效率增强倍数Fig.3　The extract efficiency of flat LED and the enhancement factor of the PC moth-eye structure LED relative to the flat LED

图4　当h=500nm，d=600nm时，改变晶格常数a对光提取效率的影响Fig.4　The effect of extraction when change the lattice constant at h=500nm,d=600nm

图5　当a=900nm，d=600nm时，改变蛾眼结构高度h对光提取效率的影响Fig.5　The effect of extraction when change the height of moth-structure at a=900nm,d=600nm

其次，优化蛾眼结构的高度h。假定固定a=900nm和d=600nm不变，改变蛾眼高度h，结构如图5所示。可以看出，在300～500nm范围，h的变化对该结构光提取效率的整体影响并不大，只是会改变一下频段的细节。所以，我们保持h的初始值，即500nm。

最后，优化蛾眼结构的锥底边距d。假设a=900nm和h=450nm固定，d分别选择500nm,550nm,600nm,650nm, 如图6所示，可以看出在一定范围内，锥底直径越大光提取效率会有所降低，考虑到纳米加工的难度，我们选取d最优值为500nm。

图6　当a=900nm，h=450nm时，改变蛾眼底部直径d对光提取效率的影响Fig.6　The effect of extraction when change the diameter of moth-structure at a=900nm,h=450nm

通过系列参数优化，我们得到相对优化的结构参数为a=900nm，h=450nm，d=500nm，数值实验显示它可以达到很好的提高光提取效率的结果。对于RGB全彩 LED，该设计在460～470nm，530～540nm，610～620nm三个核心波段均实现了6倍以上的光提取效率提高。

4　总结

从以上的模拟结果看出，使用蛾眼结构光子晶体的LED光提取效率在400nm～700nm波段比传统平板型LED平均提高了7～8倍，该结构表现出了很强的优势，尤其在RGB在三个常用的核心波段都实现光提取效率6倍以上的提高，在530nm和620nm波段更分别达到了12倍和8倍，该结构可用于高显色指数的RGB LED，在保证显示的情况下大大提高了流明值。但是，在465nm波段只提升了6倍左右，需要进一步改进。由于计算资源限制，导致优化方案受限，所以，最终结构可能不是最优设计，然而这并不影响总体趋势。总的来说该结构在RGB波段具有很好的增强光提取效果，加上该设计的结构简单、尺度适中，通过现代微纳加工很容易制造，具有很高的实用性。

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The Study on A Broadband and High Extract Efficiency LED Chip

FANG Haiwen, JIANG Xunya

(InstituteforElectricLightSources,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433,China)

This paper proposes the use of a single photonic crystal (PC) moth-eye structure to improve LED light extract efficiency in a wide frequency range, the main idea is to optimize the structural parameters so that both mechanisms of PC multiple wave-vector coupling and moth-eye gradually-varied refractive index in wide frequency range could work together very well. Based on numerical experiments with finite-difference time-domain method, we optimize the structural parameters of PC moth-eye structure, and finally get a simple structure with higher extract efficiency for RGB full color LED. Its average extract efficiency could be six times higher than the traditional without-surface-structure LED in a very wide frequency range. With these values, the structure has great potential for industrial applications.

light extract efficiency； RGB full color LED； photonic crystal； moth-eye structure

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.016