一、引言

  隨著LED技術(shù)的進(jìn)步與成本的不斷下降，LED正逐漸占領(lǐng)照明市場(chǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車照明系統(tǒng)，LED汽車大燈光源色溫更高，更接近于太陽(yáng)光，能夠?yàn)槠囈归g行駛提供良好的照明條件。目前LED汽車大燈普遍采用分立元器件板上芯片封裝即COB(Chip on Board)技術(shù)制成，系統(tǒng)體積大;同時(shí)COB中的單顆LED芯片通過(guò)金線互聯(lián)，金屬打線容易斷裂;封裝所用硅膠的透水、透氣性會(huì)引起引線焊盤腐蝕，導(dǎo)致LED汽車大燈失效概率大大增加。因此系統(tǒng)集成高功率LED單晶片成為當(dāng)前國(guó)際上最具研究?jī)r(jià)值的方向。

  系統(tǒng)集成LED單晶片與普通LED芯片的顯著差別在于芯片的面積，單晶片面積比普通LED芯片大幾十倍。如圖1所示，普通LED芯片的尺寸一般在1mm以下，芯片內(nèi)部全反射光有一部分可以從芯片的側(cè)面出射，而系統(tǒng)集成LED芯片邊長(zhǎng)達(dá)到5mm以上，從芯片側(cè)面出光的占比幾乎可以忽略，芯片內(nèi)部全反射光大部分都被芯片吸收轉(zhuǎn)換為熱能，導(dǎo)致出光效率大大降低。解決此問(wèn)題的一個(gè)重要途徑就是在LED芯片出光表面做微納幾何結(jié)構(gòu)。本文中采用倒裝芯片結(jié)構(gòu)，光由藍(lán)寶石襯底端出射，通過(guò)FDTD軟件模擬，研究出光表面結(jié)構(gòu)(包括：形狀、尺寸等參數(shù))對(duì)出光效率的影響，尋找出優(yōu)化的出光結(jié)構(gòu)。

圖1、普通芯片出光光路圖

  二、研究方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  本文采用時(shí)域有限差分(FDTD)算法進(jìn)行數(shù)值模擬。FDTD算法基于麥克斯韋方程組，對(duì)空間領(lǐng)域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，通過(guò)時(shí)間領(lǐng)域上更新來(lái)模仿電磁場(chǎng)的變化，達(dá)到數(shù)值計(jì)算的目的。

  本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為倒裝LED單晶片，如圖2所示，從上至下為藍(lán)寶石襯底，本征GaN緩沖層，N型GaN層，量子阱(MQW)層，P型GaN層，高反射電極和倒裝基底。光在MQW層產(chǎn)生，一部分直接從藍(lán)寶石襯底端出射，另一部分光經(jīng)過(guò)高反射電極反射回GaN層，最終由藍(lán)寶石襯底端出射。目前圖形化藍(lán)寶石襯底PSS層被普遍應(yīng)用于襯底結(jié)構(gòu)，即在藍(lán)寶石襯底與U-GaN界面引入周期性微納結(jié)構(gòu)，有利于減少半導(dǎo)體與藍(lán)寶石的晶格失配造成的缺陷，提高量子效率[1-3]，同時(shí)在光學(xué)上改善出光面的出光效果。我們?cè)O(shè)計(jì)了不同形狀和參數(shù)的PSS結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化參數(shù)以得到最佳出光率。

圖2、倒裝LED結(jié)構(gòu)圖

  三、模擬優(yōu)化與討論

  建模時(shí)設(shè)置上表面出射面為理想匹配吸收層(PML)，下表面為高反射金屬層，由于周期性單元結(jié)構(gòu)尺寸與整個(gè)芯片尺寸相差很大，x、y方向可設(shè)為周期性。入射光設(shè)為平面波，波長(zhǎng)為450nm，入射角度從0至80度。PSS層周期3um，排列為三角排列方式，底部直徑2.8um，高度1-2um，藍(lán)寶石厚度80um，折射率為1.78。為簡(jiǎn)化模擬，建模時(shí)設(shè)定P型和N型GaN折射率相同為2.49。

  圖3給出了不同PSS結(jié)構(gòu)出光效率比較。為了得到較好的晶格匹配，模擬計(jì)算時(shí)PSS周期固定為3um，填充因子(FF)為0.93。圖3(a)為三種結(jié)構(gòu)示意圖，分別為圓錐、金字塔、蒙古包形。圖3(b)比較了正入射(即入射角為0度)下PSS結(jié)構(gòu)為圓錐時(shí)不同高度的出射效率對(duì)比。高度在0um至2um之間變化，0um對(duì)應(yīng)了平板結(jié)構(gòu)，即無(wú)PSS層。從圖中可以看出當(dāng)高度在1.5um附近時(shí)出光效果最好，LED光透射率達(dá)99.8%，相比平面結(jié)構(gòu)提高約8%。當(dāng)高度達(dá)到1.5um以后，增加圓錐高度對(duì)出光效率的影響很小。圖3(c)比較了高度為1.5um時(shí)不同形狀對(duì)出射效率的影響，分別為蒙古包形(Parabola cone)，金字塔形(Pyramid)圓錐形(Cone)和無(wú)PSS平面(Planar)結(jié)構(gòu)，可以看到圓錐形對(duì)出光效率的提升效果更為明顯。圖3(d)為不同角度光源入射時(shí)各PSS形狀下的透射率比較。從圖中能看到，當(dāng)入射光角度變大時(shí)，光的透過(guò)率逐漸減小。通過(guò)PSS結(jié)構(gòu)的影響，在一定程度上能夠緩解大角度入射帶來(lái)的出射效率下降，且圓錐結(jié)構(gòu)對(duì)出光效率的提升效果最為明顯。

圖3、不同PSS結(jié)構(gòu)出光效率比較

  四、結(jié)論

  本文通過(guò)FDTD軟件優(yōu)化，研究了倒裝LED汽車大燈芯片藍(lán)寶石出光表面結(jié)構(gòu)對(duì)出光效率的影響。通過(guò)比較圓錐形、蒙古包形和金字塔形結(jié)構(gòu)的表面出光率可知，在1.5um高度圓錐PSS下，LED出光效率達(dá)到最優(yōu)**值，對(duì)我們今后的工藝加工具有一定的指導(dǎo)意義。