GaN基倒装焊LED芯片的光提取效率模拟与分析

1、2012-07-13#2012-07-13#2#0#12-07-13#GaN 基倒装焊 LED 芯片的光提取效率模拟与分析钟广明1 ，杜晓晴2 ，田( 1 重庆大学 光电工程学院，重庆健1400044;2 重庆大学 光电技术与系统教育部重点实验室，重庆 400044)摘要: 采用蒙特卡罗光线追踪方法，模拟 GaN 基倒装 LED 芯片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层下 LED 光提取效率的变化，并对粗化微元结构和尺寸作了进一步选 取与优化。研究结果表明: 采用较厚的蓝宝石衬底和引入 AlN 缓冲层均有利于 LED 光提取效率的提高; 蓝宝 石衬底双面

2、粗化对提高光提取效率的效果要明显好于单面粗化; 表面粗化的结构和尺寸对光提取效率有较 大影响，当微元特征尺寸与微元间距相当时，光提取效率较高。关 键 词: GaN 基倒装 LED; 光提取效率; 光线追踪; 双面粗化; AlN 缓冲层中图分类号: TN312 8文献标识码: APACS: 78 60 FiPACC: 7860FDOI: 10 3788 / fgxb20113208 0773射界面全反射的限制。有源区产生的光在出射过1引言程中从最上层的光密介质 GaN( 折射率 n= 2 4)s作为新一代环保型固态光源，GaN 基 LED 已成为人们关注的焦点。与传统光源相比，LED 具 有寿命

3、长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度 快、易于调制和集成等优点，在信息显示、图像处 理等领域得到广泛应用1-3。目前，可应用到实 践中的 GaN 基白光 LED( 蓝光 + 荧光粉) 的发光 效率达到了 100 lm / W 以上，但与理论效率( 250 lm / W) 还有较大的差距。近些年 LED 单位光量( 1 lm) 的单价虽持续下跌，但在照明设备用途方 面，白光 LED 与现有荧光灯和白炽灯单位光量的 单价还相差 10 倍以上。为了压缩白色 LED 单位 光量的单价差，必须进一步提高发光效率4-6。GaN 基 LED 发光效率由发光二极管的内量 子效率和光提取效率决定。随着材料生长

4、技术以 及器件结构设计的进步，内量子效率已经达到99% 左右7。但受 GaN 材料吸收、电极吸收以及 GaN-空气界面全反射临界角等因素影响，LED 的 光提取 效 率 仍然有很大提升空 间。 采 用 倒 装入射到光疏介质空气( n0 = 1 ) 中，两种介质的折射率相差较大，全反射的临界角约为 24 5，因此 会使得出射光有很大一部分在界面处发生全反射现象而不能发射出去。对于一个典型的扁平半导 体 LED，因光提取效率的限制，仅有大约 4% 的光 可以出射，96% 的光反射回 LED 内部，最终被吸收损耗掉8。在 LED 芯片设计中，目前已经有很多方法用 于降低出射界面的全反射损失，以提高光

5、提取效 率，如 光 子 晶 体9、衬 底 图 形 化10 以 及 表 面 粗 化10等。实验证明，衬底图形化和表面粗化是两 种最为简单有效的方法，但在结构设计与优化上 还没有进行过较为深入的分析和讨论。本文采用 蒙特卡罗光线追踪方法，模拟 GaN 基倒装 LED 芯 片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝 宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层的 LED 光 提取效率及光场分布，并对粗化微元结构和尺寸 作了进一步选取与优化，其模拟与设计结果对提 高 GaN 基倒装 LED 芯片的光提取效率具有一定 的指导意义和参考价值。( Flip-chip)LED 结构，可以避免电极对光线的吸收，有效提高

6、 LED 的光提取效率，但依然受到出收稿日期: 2011-03-24; 修订日期: 2011-06-172012-07基-金1项3目:#中#央#高校#科#研#业务#费#( #CD#JZR#101#20#0142，C0DJ1XS1211-2000217) 资-助1项目3#2#0#12-07-13#拟。蒙特卡罗方法( Monte Carlo Method) 也称统计模拟方法 12，利用这种方法对随机并且均匀 分布于 4 立体角的光子传播路径进行追踪，统 计逃逸出 LED 芯片光子数目占自发发射光子总 数的比例即可得到光抽出效率，即2LED 芯片结构模型与模拟方法模拟的 LED 芯片结构如图 1 所

7、示，从上至下依次为蓝宝石衬底、AlN 缓冲层、n-GaN 层和 p-GaN 层。其中蓝宝石衬底在外延生长面( Growth layer) 和出光面 ( Light exit layer) 均可做粗化处 理，n-GaN 层和 p-GaN 层之间的多量子阱层起到 发光作用，且厚度极薄( 几十纳米) ，可以将之假 设是一个没有厚度的发光面。为使多量子阱层 MQWs 发射的光大部分能从蓝宝石背面出射，采 用 p-GaN 反射面沉积 Ag 层的倒装焊结构，它能 起到镜面反射作用，将多量子阱内产生射向 p 型 GaN 层的光有效地反射回去，使其能够从蓝宝石 的表面出射。= 逃逸出芯片的光子数，光抽出效率(

8、 1)光源产生的总光子数在光子追踪13中，把组成物体的物点看作是几何点，光子的方向代表光的传播方向。光子的传播 遵循三条基本定律: 光的直线传播定律，即光在均 匀媒质中沿直线方向传播; 光的独立传播定律，既 两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的 途径继续传播; 当两束光会聚于同一点时，在该点 上的光能量分别由反射定律和折射定律决定。作 为以概率和统计理论方法为基础的一种计算方 法，蒙特卡罗方法可对大数量光子行为进行较好 模拟，得出的结果与实际较为吻合。3模拟结果与分析3 1蓝宝石衬底剥离前后的光提取效率通过改变蓝宝石衬底厚度，模拟蓝宝石被完 全剥离( 厚度为 0) 以及不同蓝宝石衬底厚度

9、下的 LED 光提取效率的影响，结果如图 2 所示。从图2 看 到，在衬底厚度为零 时，光提取效率小于 22% ，衬底不剥离时，光的提取效率随衬底厚度的 增加而不断的增加。图 1 芯片的模型结构Fig 1 The schematic structure of the chip model根据芯片的结构模型，对各层材料的折射率、吸收系数等主要光学物理参数进行设定，使模型 可以准确地反映器件实际情况。有源区( Active layer) 的发光面定义成两个背向发射的面光源， 每个面光源的光输出立体角为 2，其输出光功率 为 0 5 W。有源区辐射机制为自发辐射，自发辐 射偏振方向和传播方向各向同性

10、，并且是随机分 布的。发射光为单色光，即 ( 波长) 为一定值。 因电极槽的尺寸相对较小，所以将其影响忽略。 p 型 GaN 材料和 n 型 GaN 材料的折射率、光吸收 系数相差很小，所以在仿真波长为 0 461 m 的 条件下将蓝宝石、缓冲层 AlN、GaN 材料的折射率 分别定义为 1 78，2 10，2 4711。蓝宝石的光吸 收系数 定 义 为 10 6 / mm，AlN 的禁带宽度极大 图 2 光提取效率随衬底厚度的变化Fig 2The variation of light extraction efficiency with the thickness of the substr

11、ate( 6 2 eV 300 K) ，对可见光几乎不吸收，所以由于 GaN 的折射率大于蓝宝石的折射率 nsSap ，将其光吸收系数定义为 10 10 / mm。将 Ag 反射层( Reflective layer) 定义为理想化的镜面，入射在上相对于蓝宝石衬底未剥离的情况，当把衬底完全剥离时，会有更多的光在 GaN 与空气的界面上发面的光全部被反射。生全反射，这样导致光的提取效率较低。201本2文-选0用7蒙-特1卡3罗#方#法#对#L#ED#出#光#进20行1模2-07-对1于3扁#平2#L0#E1#D 2#结-#构0#，出7#射-光1强3与#角#度#遵#循#朗#伯( Lambertia

12、n) 分布13:半导体层入射到折射率为 n的蓝宝石层，其全Sap2nSapPs n0I0 ( 0 )=2 cos0 ，( 2)反射角为 = arcsin = 44 8; 而从折射率为24rnsnGaN式中 Ps 为光源的功率，r 为距光源的距离，其发光模式如图 3 所示12。入射角为 0时，归一化光强 为 1; 入射角为 60时，光强减小为 0时的 50% 。 所以，衬底厚度较薄时，绝大部分光从出光面出射，从侧面出射的光很少; 当衬底厚度增大时， 在出光面出射光接近不变的基础上，从侧面出射 的光增多，进而使总的出射光强增大。所以芯片 的光抽取效率随蓝宝石衬底厚度的增加也逐渐 增加。nGaN =

13、 2 47 的 GaN 半导体层入射到折射率为 nAIN =nAIN =4 1 的蓝宝石层，其全反射角为 = arcsinnGaN54 7。所以，有缓冲层的芯片从 GaN 层出射的光较多，缓冲层在工艺中起到缓解晶格失配，在光 传播过程中也能能起到折射率缓冲层的作用，避 免相对一部分光在不同材料层间发生全反射，进 而从蓝宝石表面统计到的出射光的强度更大 一些。蓝宝石单面粗化和双面粗化对光提取效率的影响在衬底厚度为 0 15 mm、缓冲层厚度为 4 m 的条件下，采用圆台微结构先后对蓝宝石衬底出 光面与外延生长面进行单面和双面粗化，模拟了 不同粗化面对 LED 光提取效率的影响，包括不做 粗化(

14、No roughening) 、生长层粗化 ( Growth layer roughening) 、出光层粗化( Light exit layer roughe- ning) 和双面粗化( Dual layer roughening) 等几种 方式，结果如图 5 所示。从仿真结果可以看到，衬底粗化可显著提高 光抽取效率。相比于未做粗化的情况，在衬底厚 度为 0 05 mm 的条件下，蓝宝石出光面粗化、生 长面粗化以及两面粗化可以将光抽取效率分别提 高 43% ，83% ，223% ; 衬底双面粗化效果明显好 于单面粗化，光抽取效率可以达到 50% 以上。从 模拟结果进一步看到，在只对蓝宝石出光

15、面粗化 下，光抽取效率与衬底厚度具有明显的依赖关系， 随着衬底厚度的增加而增加。表面粗化提高光抽取效率的原因主要是由于3 3图 3 光强的归一化分布Fig 3 The light intensity distribution after normalization3 2缓冲层对光提取效率的影响在衬底厚度为 0 15 mm 的条件下，改变缓冲 层 AlN 的厚度，模拟无缓冲层( 厚度为 0 ) 以及不 同缓冲层厚度对 LED 光提取效率的影响，结果如 图 4 所示。从图 4 可以观察的到，相对于无缓冲 层，有缓冲层的芯片的光抽取效率大于无缓冲层 芯片的光抽取效率，缓冲层明显能提高光的提取 效率，

16、但缓冲层厚度的变化对光抽取效率的影响 甚微。当无缓冲层时，从折射率为 nGaN = 2 47 的 GaN图 4 光提取效率随缓冲层厚度的变化Fig 4The variation of light extraction efficiency with the图 5 不同粗化面的光提取效率Fig 5 The light extraction efficiency for the different roughe-thickness of the buffer layer2012-07-13#2012-07-1nin3g #sur2#fac0#es1#2#-#0#7#-13#粗化面对出射光具有强烈的

17、散射作用，增加了光的随机出射，通过多次反射降低了出射光在出射 界面 的 全 反 射 损 耗，从而使光抽取效率增 大14-16。与单面粗化相比，双面粗化使光在不同 介质交界面发生更多的折射和反射，光出射的角 度更大，出射几率和光抽取效率随之提高。粗化结构与尺寸的选择为了进一步通过粗化提高光提取效率，需要 对粗化微元结构和尺寸进行优化。常见的粗化微 元结 构 类 型 包 括 圆 台 ( Round table ) 、半 球 形 ( Hemisphere) 和四棱锥( Rectangular pyramid ) ，如 图 6 所示。3 4图 6 粗化微元结构的几种类型Fig 6 The basic

18、roughening microstructures模拟中，分别改变上述三种微元结构的特征尺寸( 深宽比不变) ，使之在 0 05 2 m 变化，微 元间距保持不变( 1 m) ，得到 LED 光提取效率 与粗化微元尺寸关系，如图 7 所示。模拟中，选取 衬底厚度为 0 15 mm，缓冲层厚度为 4 m。由仿 真结果看到，以圆台和半球为粗化微元结构的芯 片的光提取效率大于以四棱锥为粗化微元结构的 芯片的光抽取效率。在 0 05 1 m 范围内，芯 片的光提取率随粗化微元尺寸的增大而明显增 大; 粗化微元尺寸为 1 1 5 m 时，增幅趋缓; 而 当粗化微元尺寸继续增大时，抽取效率有下降的 趋势

19、。微元的尺寸较小时，它相对于微元间距( 1 m)较小，产生的粗糙面的粗糙度相对较小，不利于光的散射，微元改变光方向的效果不佳，光出射的随 机性较小，出射的光也相对较少。随着粗化微元 尺寸的增大，出光面的粗糙度增加，光出射的随机 性增加，能出射的光增多。当尺寸继续增大时，光 提取效率反而略有下降。这是因为粗化时，最理 想的尺寸应该与光在 GaN 中的波长相比拟，当微 元尺寸远大于光波长时，微元等效平面部分太大， 将有更多光在微元处发生全反射，同样不利于光 的出射。因此，表面粗化的结构和尺寸对光提取 效率有较大影响，当微元特征尺寸与微元间距相 当时，光提取效率较高。4结论较厚的 蓝 宝 石 衬 底

20、 和 AlN 缓 冲 层 有 利 于LED 光提取效率的提高。蓝宝石衬底双面粗化 对提高光提取效率的效果要明显好于单面粗化， 相对于传统的 LED 芯片，双面粗化的光提取效率 最高可达到 53% ，光提取效率提高了 223% 。通 过对结果比较发现，表面粗化的结构和尺寸对光 提取效率有较大影响，当微元特征尺寸与微元间 距相当时，光提取效率较高。利用上述的仿真模 型及数据有望加工出光抽取效率更高的芯片，这图 7 光抽取效率随粗化微元尺的变化Fig 7The variation of light extraction efficiency with the对在效率提高方面正遭遇瓶颈的 LED 产业

21、有一2012siz-e o0f t7he-mi1cro3str#uc#t#ure#2012-0定7的-参1考3意#义2#。0#1#2#-#0#7#-13#参 考 文 献:1 Tian Chuanjun，Zhang xiyan，Zou Jun，et al Temperature effect on the photoelectric parameter of high-power LED illumi-nation system J Chin J Lumin ( 发光学报) ，2010，31( 1) : 96-100 ( in Chinese) 2 Yang Guanghua，Mao luhon

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32、r simulated the GaN-based flip-chip LEDlight extraction efficiency ( LEE) ，compared the differences between the status of sapphire with substrate and2wi0tho1ut2it-，0wit7h -on1e s3id#e #rou#gh#en#in#g #an#d d#ou2bl0e 1sid2es-ro0ug7he-ni1ng3，#wi2t#h 0#an1#d 2#wi-#tho0#ut7#b-uff1er3la#ye#r，#an#d #m#ad#

33、e#further selection and optimization about the structure and the size of surface roughing unit The results showedthat both the thicker substrate and introduction of AlN buffer layer were favorable for the increase of LEE，the LEE for the chip with double surfaces roughened sapphire substrate was sign

34、ificantly better than the one with single surface roughened sapphire substrate，the structure and size of the surface roughing unit have great influences on the LEE，the LEE was relatively higher when the size of micro roughened structure was compara- ble to its one-to-one distanceKey words: GaN-based

35、; flip-chip; LEDs; light extraction efficiency;buffer layerlight ray trace; double-surface roughening; AlNCLC number: TN312 8PACS: 78 60 FiPACC: 7860FDocument code: ADOI: 10 3788 / fgxb20113208 0773Received date: 2011-03-24欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欢迎订阅光机电信息( 月刊)本刊由中国光学学会、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所主办，科学出版社出版。本刊征集光学和应用光学、光电子学和激光、微纳科技、材料科学、电磁学和电子学、机械、信息科学和技术