像素分割对LED电流密度及光照度分布的影响

包兴臻， 梁静秋， 梁中翥， 秦余欣， 吕金光， 王维彪*

(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学， 北京 100049)



像素分割对LED电流密度及光照度分布的影响

包兴臻1,2， 梁静秋1， 梁中翥1， 秦余欣1， 吕金光1， 王维彪1*

(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室， 吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学， 北京 100049)

将300 μm×300 μm LED芯片阵列化为间隔为20 μm的3×3个80 μm×80 μm的子单元，阵列化后，总饱和光输出功率是未阵列化前的5.19倍，最大注入电流提高近7倍，表明阵列可以注入更大的电流和输出更高的饱和光功率。此外，采用多颗阵列化后的LED芯片形成的芯片组照明，得知芯片组间距为最大平坦条件dmax时，接收面上照度均匀性最佳；芯片组数越多，接收面上均匀照度的面积越大。同时，9颗300 μm×300 μm的芯片阵列化为9个80 μm×80 μm LED芯片后，以dmax排列照明相对于9颗未阵列化的300 μm×300 μm芯片以dmax排列照明时，接收面上的光照度均匀性不变，照度值提高了3倍。

LED阵列； 电流密度； 芯片尺寸； 芯片间距； 光照度

1 引 言

LED以其光电转换效率高、直流驱动电压低、发光效率高、体积小、寿命长、耗能低、发热低等特点已经被应用于很多领域，诸如汽车尾灯/头灯、普通照明、交通信号显示、微芯片检测器以及显示屏的背光源等[1-3]。随着科技发展和社会进步，LED在已有应用领域的需求不断增长，而新技术的应用使得LED有了更大的发展空间。微小型LED阵列作为一种结合了微机电系统(MEMS)技术和LED制作工艺的新型器件，结合了两者的优点，将LED的应用推向更宽广、更新颖的领域，如自发光微显示器件[4]、用于固态照明光源的电流交互式高压单芯片LED[5]、可见光通信以及光生物工程等[6-7]。与大面积LED相比，微小型LED阵列具有优越的电学及光学性能，能维持很高的电流密度(>10 kA/cm2)[8], 同时由于张力的减小而增加了内部光效[9]，提高了光输出效率[10]。基于微型LED阵列器件的优越性能，其结构设计、热学、电学等方面的性能研究也取得了一定的进展[11-13]。结构尺寸是微小型LED的主要特征，目前的研究结果表明，当输入功率密度相等时，热效应的作用使LED的发光效率随尺寸的减小而增加[14-15]。例如，在1 mm2的

芯片上制作出452个微型LED阵列进行照明，在相同的注入电流密度下，LED阵列的相对光强远大于相等面积上无阵列的单元强度，LED 阵列的光功率密度达到非阵列芯片的3倍[16]。同时，光照度的均匀性依赖于多LED 芯片照明时芯片的数量、芯片阵列到目标的距离以及被照明的区域面积等[17]。通过改变相邻 LED 芯片之间的空间距离，可得到不同的照度分布形式。

本文主要研究将大尺寸LED芯片阵列化后的光强变化以及阵列化尺寸对子单元电流密度分布的影响。此外，对采用阵列化后的多颗 LED 芯片进行排布时，芯片数与芯片间距不同对接收面照度的影响进行了分析研究，结果表明：将大尺寸LED芯片阵列化后可提高发光强度及照度，且阵列化后的子单元尺寸越小，电流密度分布越均匀；多颗LED芯片排布时，芯片间距越小，接收面中心照度越高；芯片数越多，接收面上均匀照度分布面积越大。

2 芯片尺寸对电流密度的影响

LED芯片尺寸与电极结构对芯片的电学性能有着重要的影响。芯片尺寸对芯片电学性能的影响主要表现在对子芯片内部电流密度的影响，而对电流密度的影响则体现在对芯片电流扩展长度的影响。按照Guo等[18-19]的理论，电流扩展长度LS为电流密度减小到边缘电流密度的1/e时的电流密度：

Fig.1 Current density distribution contrast for the chips with different pixel sizes. (a)L=20 μm. (b)L=50 μm. (c)L=100 μm. (d)L=150 μm.

(1)

式中，ρp、ρn分别为p型和n型层的电阻率，tp、tn分别为p型和n型层的厚度，ρc代表p型接触电阻率。当垂直电阻Ru总值上的压降远远大于kT/e，即IRv=J(ρc+ρptp)≫kT/e时(k为波尔兹曼常数，T为温度，e为电子电荷)，一维电流密度分布可表示为：

(2)

式中，J0为芯片中电极覆盖部分的电流注入密度。电极覆盖位置一般设置在芯片中心，从芯片中心至芯片两边的电流呈轴对称分布，因此只需分析一边的电流分布即可。对LED芯片右半部分进行分析，其发光面积(LW)按照沿单元长度L与单元宽度W进行分割，则L方向上的电流密度[20]可表示为：

(3)

对4种不同L下的电流密度分布进行计算分析，结果如图1所示。

从图1的计算结果可看出，L越大，电流拥挤现象越明显，电极附近的电流密度越大。在远离电极的部分，电流密度下降，电流扩展不均匀，导致芯片发光不均匀，局部会出现过热，发光效率下降。且随着芯片尺寸的增大，电流分布的不均匀性更加明显。为获得均匀的电流密度分布，将LED芯片阵列化时，子单元尺寸设计需遵循L/LS≤1的原则，同时结合工艺条件及应用需求等因素综合考虑。

3 LED芯片的阵列化效应

通常为提高LED光源的发光亮度需增加注入电流，由此造成LED结温会随之升高，芯片中电流拥挤效应增强，限制了饱和光功率的输出，容易导致芯片局部效率降低甚至损坏，从而降低LED的寿命[21]。为了克服或降低电流拥挤现象对芯片的影响，将LED芯片阵列化为许多微小子芯片，可以降低大注入电流下的LED结温升高及电流拥挤效应。根据上述分析，结合实际工艺，我们以300 μm×300 μm的LED单元为例进行分析研究。将300 μm×300 μm的LED芯片阵列化为9颗80 μm×80 μm的子芯片，间隔为30 μm，其阵列化前后的结构如图2所示。

图2 300 μm×300 μm的LED芯片(a)和阵列化为9颗80 μm×80 μm的子芯片(b)的示意图

Fig.2 Schemetic diagram of LED chip with 300 μm×300 μm area (a) and nine 80 μm×80 μm small chips(b)

于芯片中央设置条形电极，如图2所示。阵列化后，结构采用矩阵寻址(串并联结构，即列串行并的驱动方式)的方式驱动。为分析方便及控制变量，电极结构保持一致，电极覆盖单元面积的比例相等。设置阵列单元电极覆盖面积为80 μm×15 μm。由于电极覆盖单元面积比例相等，则300 μm×300 μm芯片的电极覆盖面积为300 μm×56.25 μm，其正向有效出光面积为73 125 μm2；而80 μm×80 μm子芯片在该面积内正向出光面积为5 200 μm2，9个子芯片阵列正向总发光面积为46 800 μm2，为300 μm×300 μm芯片正向发光面积的64%。但9个子芯片阵列之间存在空白间隙，因此还包括侧向出光面，增加了有效光输出面积，提高了光线逃逸芯片的几率。分别对300 μm×300 μm、80 μm×80 μm及20 μm×20 μm大小的芯片光输出功率随注入电流大小的变化进行了测试，测试结果如图3所示。

图3 不同尺寸LED的光输出功率随注入电流的变化曲线

Fig.3 Output powerversusinject current of LED with different chip sizes

从图3测试结果可知，300 μm×300 μm的 LED芯片的饱和光输出功率约为2.6 mW, 80 μm×80 μm芯片的饱和光输出功率约为1.5 mW。9个阵列芯片总的光输出饱和功率之和为13.5 mW。从结果看，饱和输出功率是未阵列化芯片输出功率的5.19倍。80 mA之后，300 μm×300 μm芯片的光输出功率达到饱和，之后随输入电流的增加而衰减。阵列单元在60 mA达到饱和输出，然后随输入电流的增加开始衰减，饱和情况下总电流达540 mA，是80 mA的近7倍。该结果表明，LED芯片阵列化后可以注入更大的电流和输出更大的饱和光功率。单芯片(300 μm×300 μm)LED的输出光功率会在饱和之后随注入电流的增加而大幅下降，甚至烧毁芯片。所以LED阵列在较大输入电流情况下的优势更大。其原因是阵列化后，单元芯片的出光效率有所提高，电流拥挤效应明显减弱，稳定性增强，能承受较大的饱和输入电流。

对300 μm×300 μm芯片和其阵列化为9个80 μm×80 μm子芯片后在饱和光输出功率下的光照度进行了分析和模拟计算，结果如图4所示。

从版图4得知，在饱和光输出功率下，将300 μm×300 μm的芯片划分为9个80 μm×80 μm的子芯片后，接收面上的光照度提高了近5倍，和前述分析相吻合。多个子芯片在接收面上的光照度相互叠加，从而导致接收面上的光照度大小及分布发生了变化。因此，将大尺寸LED芯片阵列化后可以增大输入电流，提高光输出效率和输出功率，用于照明可提高光源的照度。

图4 (a)300 μm×300 μm发光芯片在接收面上的照度分布；(b) 9个间距为30 μm、大小为80 μm×80 μm的子单元在接收面上的光照度分布。

Fig.4 (a) Luminescence intensity on receiver of 300 μm×300 μm LED cell. (b) Luminescence intensity on receiver of nine single pixel with size of 80 μm×80 μm and border pitch of 20 μm.

4 LED芯片模组中芯片间距及芯片数对光照度的影响

将阵列化后的多颗LED芯片排布形成芯片模组用于照明，可提高照度的均匀性[22]。当采用多颗LED芯片组成的芯片模组用于照明时，照度的均匀性依赖于LED芯片的数量、间距、芯片组到接收面的距离、接收面的尺寸以及LED芯片的光束辐射形状等[23]。通过调整芯片组中LED芯片的空间布局，可以获得不同的照度分布形式。多个LED芯片阵列化为子芯片后，以间距d排布照明的基本结构如图5所示。

通常用照度均匀性来评价被投影面积上的光照度分布。接收面上的照度变化率可用下式表示：

(4)

式中，Emax和Emin分别代表接收面上照度的最大值与最小值，单位为W/m2。

单个LED发光芯片发出的光束呈Lambertian分布[24]，其照度分布满足：

图5m×n个LED芯片阵列化后以间距d排布的照明示意图

Fig.5 Schematic diagram ofm×nLED chips arranged with the distance ofd

(5)

式中，θ表示视角，E0(r)是距离r处沿光轴方向的光照度，m是常数。当m=1时，光源是理想的Lambertian辐射体。实际中，m>1,m可表示为:

(6)

θ1/2表示当光照度为0°视角光照度的1/2时的视角。设接收面为一个平面，单个LED芯片位于坐标(X,Y,0)，则接收面上任一点P(x,y,z)处的光照度可表示为：

(7)

式中，ILED=LLEDALED,表示LED芯片的发光强度,单位为W/sr；LLED表示LED的辐亮度,单位为W/(m2·sr)；ALED表示LED的发光面积。

当只有两个LED芯片照明时，接收面上的照度可表示为两个LED芯片照度的叠加：

(8)

式中，d表示相邻两个LED芯片之间的间距。采用斯派洛法则，在x=0,y=0时，令∂2E/∂x2=0，得到d的最大平坦条件：

(9)

从上式可知，dmax与m和z(LED芯片与接收面之间的距离)密切相关。

如果LED芯片组是由N×M个发光芯片组成的方阵，则当N、M为奇数时，接收面上P(x,y,z)处的光照度[25]可表示为：

(10)

N、M为偶数时，接收面P(x,y,z)处的光照度可表示为：

图6d=dmax时，3×3(a)、7×7(b)、13×13(c)和25×25(d)阵列的三维光照度分布图。

Fig.6 Three-dimension irradiance distribution of 3×3 (a), 7×7(b), 13×13(c), 25×25(d) LED arrays withd=dmax.

(11)

基于以上理论及应用需求，我们研究了芯片间距及芯片数对接收面光照度的影响。设定z=10 mm,θ1/2=12°,计算得m=32，dmax=3.38 mm。图6为3×3、7×7、13×13、25×25单元组的三维光照度分布。

图7d>dmax时，3×3(a)、7×7(b)、13×13(c)和25×25(d)阵列的三维光照度分布图。

Fig.7 Three-dimension irradiance distribution of 3×3 (a), 7×7(b), 13×13(c), 25×25(d) LED arrays withd>dmax.

每个LED芯片的光照度分布相当于一个Gauss分布，接收面上的光照度分布是每个LED芯片照度分布的叠加。从图6可知，当d=dmax时，随着芯片数的增加，接收面上均匀光照的面积增大。但当d>dmax时，接收面上的光照度分布发生改变，其对应的模拟分析结果如图7所示。

从图7得知，当d>dmax时，LED芯片组在接收面上的光照度分布接近于单个LED芯片的独立分布，LED芯片之间几乎互不影响，且接收面上光照度均匀性降低。图8与图9分别展示了25×25阵列在d=dmax和d>dmax下的一维光照度分布对比与接收面上的光照度分布。

图8d=dmax(a)与d>dmax(b)时，25×25阵列的一维光照度分布。

Fig.8 One-dimension irradiance distribution of LED array with 25×25 cells ford=dmax(a) andd>dmax(b)

从图8与图9的模拟计算结果亦可得知，d>dmax时，接收面上的光照度大小及照度均匀性均下降，阵列中每个发光芯片在接收面上的光照度几乎独立，互不影响。而d=dmax时，接收面上照度分布均匀，每个发光芯片在接收面上的光照度互相叠加，形成均匀的照明面积。对d

从图9与图10的对比得知，当d

图9d=dmax(a)与d>dmax(b)时，25×25阵列在接收面上的光照度分布。

Fig.9 Irradiance distribution on target receiver of LED array with 25×25 cells ford=dmax(a) andd>dmax(b)

图10d

Fig.10 Irradiance distribution on target receiver for LEDs arrays with 25×25 cells LED array with 25×25 cells ford

为对比阵列化前后的照度分布，我们以300 μm×300 μm面积的芯片作为一个模块，对比了两种结构的照明分布：(a) 9个模块以dmax=3.38排布照明；(b)9个80 μm×80 μm芯片组成一个模块，9个模块再以dmax=3.38排布照明。其结构如图11所示。

图11 (a) 9个300 μm×300 μm芯片以dmax排布照明时的结构分布图；(b) 每9个80 μm×80 μm子芯片组成一个模块(每个模块面积为300 μm×300 μm)后，9个模块以dmax=3.38排布照明时的结构分布图。

Fig.11 Structural disstribution chart of nine 300 μm×300 μm chips ranked withdmax(a) and nine modules formed by 80 μm×80 μm LED chips (each module area of 300 μm×300 μm) ranked withdmaxfor illumination (b)

300 μm×300 μm芯片的发光面积为90 000 μm2，而该面积上阵列化后的9个80 μm×80 μm子单元组成模块的发光面积为57 600 μm2。根据图2的结果可知，9个80 μm×80 μm子单元组成的模块组的光功率为300 μm×300 μm的5倍。根据公式(11)，我们对图11所示两种结构的光照度进行了计算，得到接收面上的一维光照度分布如图12所示。

从图12可知，300 μm×300 μm芯片阵列化前后在接收面上的照度均匀性几乎一致，但阵列化后的照度是阵列化前的3倍多。这是由于照度均匀性取决于多芯片或多模块照明时，芯片或模块的间距d的大小，而照度的大小则取决于芯片或模块的光强大小。因此，阵列化排布照明可提高接收面上的照度。

Fig.12 (a) One-dimension irradiance distribution of LED array shown in Fig.11 (a). (b) One-dimension irradiance distribution of LED array shown in Fig.11 (b).

5 结 论

LED芯片阵列化后用于照明有助于提高光源的发光强度及接收面上的照度均匀性。阵列化后，子发光单元尺寸越小，电流密度分布越均匀。为得到均匀的电流密度分布，阵列化时，子发光单元尺寸的设计需尽量遵循L≤LS的原则，子单元间距的设计需结合工艺难度、应用需求及散热等问题综合考虑。在最大平坦条件下，即d=dmax时，接收面上的光照度分布达到最佳。且在最大平坦条件时，随着LED芯片数的增多，均匀光照的面积增大。通过设计芯片阵列化后的子单元尺寸大小、多个阵列化芯片重组排列照明时的芯片间距等可以使阵列芯片照明效果达到最优化。本研究对LED微阵列芯片用于照明时的设计及制作有一定的指导作用。

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包兴臻(1987-)，男，甘肃庆阳人，博士研究生，2014年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得硕士学位，主要从事LED微阵列器件设计及制作方面的研究。

E-mail: baoxingzhen@126.com王维彪(1962-)，男，江苏扬州人，研究员，博士生导师，1999年于中科院长春物理研究所获得博士学位，主要从事光电信息功能材料、器件及应用方面的研究。

E-mail: wangwbt@126.com

Current Density and Irradiance Distribution of Light-emitting-diode-array Device with Divided Pixels

BAO Xing-zhen1,2, LIANG Jing-qiu1, LIANG Zhong-zhu1, QIN Yu-xin1, LYU Jin-guang1, WANG Wei-biao1*

(1.StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

When a 300 μm×300 μm chip is divided into 3×3 small chips with 20 μm adjacent spacing, the total saturated output power enhances up to 5.19 times and the maximum inject current increases 7 times nearly. The consequences indicate LED chip with smaller pixels array can possess greater inject current and higher saturated output power than the primary chip. Meanwhile, the effects of chips number and LED chips distance for irradiance distribution on target plane illuminated by multi-LED chips are studied. The irradiance uniformity reaches its peaks when LED chip-to-chip distance equals to maximum flat conditiondmax. In addition, the irradiance uniformity area is increasing when the number of LED chips increasing. When the target plane is illumined by nine 300 μm×300 μm LED chips with distancedmaxand each chip is divided into nine 80 μm×80 μm smaller pixels, the irradiance value is 3 times as primary LED chips array while the uniformity of irradiance not changing.

LED arrays; current density; chip size; chip-to-chip distance; irradiance

1000-7032(2016)11-1399-09

2016-05-30；

2016-06-27

国家自然科学基金(61274122)； 吉林省科技发展计划(20100351，20120323)； 长春市科技计划(2013269)资助项目

TN383+.1； O439

A

10.3788/fgxb20163711.1399

*CorrespondingAuthor,E-mail:wangwbt@126.com