寬頻高光提取效率LED芯片的研究

方海聞，蔣尋涯

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海　200433)

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寬頻高光提取效率LED芯片的研究

方海聞，蔣尋涯

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海200433)

提出一種利用單一光子晶體蛾眼結構實現寬頻大幅提高LED光提取效率的設計，其核心思想是利用結構參數優化，融合“光子晶體多波矢耦合”和“蛾眼結構寬頻折射率漸變”兩種機制。通過基于時域有限差分算法的數值實驗，對光子晶體蛾眼結構的物理參數進行優化，最后得到一種簡單且寬頻高光提取效率的結構，適用于RGB 全彩LED，在寬頻范圍內可以比傳統無表面結構LED的光提取效率平均提高了6倍以上，具有廣泛的工業使用前景。

光提取效率；RGB全彩LED；光子晶體；蛾眼結構

引言

LED作為一種新型固態光源以其獨特的優越性已經被廣泛用于各個領域，實現了人類照明歷史的又一次技術革命[1-3]。隨著人們對照明質量需求的提高，RGB全彩LED得到快速發展，其內部由三顆基色芯片構成，通過控制電流大小可以調節三基色的配比實現可調色溫和高顯色指數的功能[4-9]。在LED眾多課題中，提高LED芯片的光提取效率一直是該領域的重要問題，這是由于大于臨界角入射到LED芯片表面的光會在表面發生全內反射(total internal reflection，即 TIR)，這部分光在 LED 內部傳播，一部分從 LED 芯片的側面出射，而另一部分被有源層或者是缺陷能級吸收，造成出光效率低。更嚴重的是被缺陷吸收的光轉化為熱能，使 LED 工作在高溫狀態，縮短使用壽命，而且高溫會降低LED的材料性能，造成更強的吸收，從而使系統性能進入惡性循環。所以，提高出光效率是LED一個長期的問題。

最近幾年國內外學者在提高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、透明襯底、芯片異形、倒裝芯片等方法，讓光提取效率都有了很大提高，平均可以提高2～4倍[12-15]，表面粗化法和倒裝技術已經成熟地運用到了實際應用中。但是，這種無順序的粗化法不能有效控制粗化后的表面形貌，從而不能對從LED芯片內部提取的光的出射方向進行控制，而且對不同波長出光效果帶有一定的隨機性。另一方面，光子晶體作為一種全新的光子學材料被引入來解決該問題[16-17]，Shanhui Fan(MIT)在2001年首次提出利用特定光子晶體可以將LED出光效率做到100%[18]。但是其工作頻率范圍極其窄，無法實現寬頻范圍高光提取效率，未能滿足全彩LED的實用性。再后來，光子晶體蛾眼結構來提高LED的光提取效率的思路被提出，其寬角度提高出光率的效果得到證實，Eun-Ju Hong等人通過實驗證實了有蛾眼結構的LED樣品光致發光強度比沒有該結構的樣品高5～7倍[19]，但是相關研究并沒有考慮到全彩LED的寬頻需求[20-24]。

在此工作中，我們提出光子晶體蛾眼結構，通過優化參數，可以實現寬頻高光提取效率甚至覆蓋整個RGB全彩光譜，即同一種結構在RGB波段在寬角度范圍都具有高的抽光率。通過基于FDTD算法的數值實驗，我們發現與傳統平板結構相比能在RGB全彩頻率提高抽光率達到6倍以上。因為該設計結構相對簡單，易于微納加工，具有廣泛的運用價值。

對于RGB全彩 LED，希望在610～620nm、530～540nm、460～470nm三個波段均具有很高的光提取效率成為迫切需求。

1　模型結構和計算方法

加蛾眼結構的一般正裝GaN LED結構示意圖如圖1所示：從上到下結構依次為蛾眼結構層、p型層、多量子阱層、n型層和金屬反射層。

圖1　真實LED結構示意圖Fig.1　The schematic diagram of real LED structure

圖2　仿真結構示意圖Fig.2　Schematic diagram of simulation structure

因為實際LED全反射主要是發生在最上層平板(p型層)與空氣之間，為了突出蛾眼結構的效果，我們對此模型進行了簡化，簡化結構如圖2所示，我們略去多量子井層，并且，忽略p型層與n型層的差別，所以p型層與n型層就合為一層GaN層，其厚度約100nm，GaN介質折射率為2.4，消光系數3.58×10-4[19]，底層與真實LED一樣是理想金屬反射層。頂層蛾眼結構也是由相同GaN材料構成，在xy平面是正方晶格，其中最主要三個參數：晶格常數a、錐高h、錐底半徑d，它們的初始值設為a=700nm，h=500nm，d=600nm，后面我們將對它們進行優化，優化過程的規則是“掃描某個參數，保持另外兩個參數為初值”。

本文的數值實驗是用EastWave商業軟件[10]進行模擬，該軟件是基于三維FDTD(時域有限差分)算法。在仿真過程中，不同偏振方向的偶極子光源放在GaN層中，發出特殊高斯脈沖，在LED蛾眼結構的上方200nm位置設立“觀測面”，記錄各個頻率在觀測面z方向的出射能流(軟件中附帶此功能)，從而計算出每個頻率的LED的光提取效率為

(1)

而光提取效率的增強倍數為

仿真計算體系的尺寸大小是一個需要綜合考慮的問題。因為我們關心的是全彩LED的抽光率提高，所以光源發出的高斯脈沖涵蓋了所有可見光頻譜范圍，即波長是幾百納米級別，而真實LED芯片的尺寸是毫米級別，約波長的千倍以上。進行真實LED尺寸(千倍波長以上)的嚴格仿真是不可行的，因為我們必須考慮到有限計算資源限制和計算時間的限制。在考慮各種限制和計算結果準確性的前提下，我們選擇計算10a×10a(7μm×7μm)大小的體系，因為，通過檢驗性計算，我們發現再增大計算體系尺寸，對計算結果影響很小，說明結果已經收斂，即這個尺寸體系的計算結果已經能夠代表更大體系的結果。所以，10a×10a的仿真計算尺寸已經保證了計算結果的收斂性和可靠性。

2　提高光提取效率原理

蛾眼結構是一種熟知的寬頻低反射的微納結構，其在空氣和蛾眼睛內部之間形成漸變的有效折射率梯度，把自由空間的輻射光高效地耦合到眼睛內部，大幅度降低反射，增加吸收效果。其頻率不敏感的低反射現象，物理原理是：當光的波長大于微納結構的尺寸時，光波無法分辨微納結構細節，只能感受到平均折射率，即隨深度漸變的平均折射率。根據光路可逆性原理，好的吸波材料往往就是好的發光材料，所以蛾眼結構也能夠用于LED等發光器件的設計。

自然界的蛾眼結構普遍是準無序的，而人工周期性的蛾眼結構則可以把前述“光子晶體周期波矢耦合效應”和“蛾眼結構寬頻折射率漸變效應”融合起來，通過這兩個效應就能夠實現寬頻、寬角度、高效率的內外場耦合效果，而這恰恰是本文的創新點。我們在下一節將看到，通道適當選擇結構參數，確實能夠實現這個效果。

3　數值仿真結果

接下來，我們將根據所建的模型利用FDTD軟件進行參數優化計算。作為光提取效率提高的基礎，首先計算普通平板LED的光提取效率，在400nm～700nm波段，可以發現在此波段普通平板LED的光提取效率平均大約在6%左右然后設置蛾眼結構，假設蛾眼光子晶體結構的晶格常數a，蛾眼高度h，蛾眼底部間距d，初始值分別為a=700nm，h=500nm，d=600nm，計算該結構在300～1000nm的光提取增強系數如圖3所示。可以看出在400～700nm波段光提取效率在各個波段表現很不同，在500～600nm波段相對于普通平板LED有了很大的提高，有些波段提高接近6倍，但是，在400nm左右只與平板差不多，在比600nm更長的波段光提取效率也只提高3倍左右。顯然，該結構還有很大的優化空間。

為了實現寬頻段高光提取效率，我們將先后依次優化蛾眼結構參數a、h和d，發現它們影響光提取效率增強倍數(蛾眼/平板)的規律，并得到較優化的設計。

首先，優化晶格常數a。如前所述，在優化a時，我們假定h和d保持固定(h=500nm，d=600nm)，改變晶格常數a：700nm，800nm, 900nm，并計算光提取效率的變化。如圖4所示，可以看出在在700～800nm范圍，a增大會大幅提高光提取效率，但是隨著a從800nm進一步增大到900nm，光提取效率明顯趨于飽和。有鑒于此，我們下面優化其他參數時把a定為900nm。

圖3　平板LED光提取效率和光子晶體蛾眼結構LED相對于平板LED光提取效率增強倍數Fig.3　The extract efficiency of flat LED and the enhancement factor of the PC moth-eye structure LED relative to the flat LED

圖4　當h=500nm，d=600nm時，改變晶格常數a對光提取效率的影響Fig.4　The effect of extraction when change the lattice constant at h=500nm,d=600nm

圖5　當a=900nm，d=600nm時，改變蛾眼結構高度h對光提取效率的影響Fig.5　The effect of extraction when change the height of moth-structure at a=900nm,d=600nm

其次，優化蛾眼結構的高度h。假定固定a=900nm和d=600nm不變，改變蛾眼高度h，結構如圖5所示。可以看出，在300～500nm范圍，h的變化對該結構光提取效率的整體影響并不大，只是會改變一下頻段的細節。所以，我們保持h的初始值，即500nm。

最后，優化蛾眼結構的錐底邊距d。假設a=900nm和h=450nm固定，d分別選擇500nm,550nm,600nm,650nm, 如圖6所示，可以看出在一定范圍內，錐底直徑越大光提取效率會有所降低，考慮到納米加工的難度，我們選取d最優值為500nm。

圖6　當a=900nm，h=450nm時，改變蛾眼底部直徑d對光提取效率的影響Fig.6　The effect of extraction when change the diameter of moth-structure at a=900nm,h=450nm

通過系列參數優化，我們得到相對優化的結構參數為a=900nm，h=450nm，d=500nm，數值實驗顯示它可以達到很好的提高光提取效率的結果。對于RGB全彩 LED，該設計在460～470nm，530～540nm，610～620nm三個核心波段均實現了6倍以上的光提取效率提高。

4　總結

從以上的模擬結果看出，使用蛾眼結構光子晶體的LED光提取效率在400nm～700nm波段比傳統平板型LED平均提高了7～8倍，該結構表現出了很強的優勢，尤其在RGB在三個常用的核心波段都實現光提取效率6倍以上的提高，在530nm和620nm波段更分別達到了12倍和8倍，該結構可用于高顯色指數的RGB LED，在保證顯示的情況下大大提高了流明值。但是，在465nm波段只提升了6倍左右，需要進一步改進。由于計算資源限制，導致優化方案受限，所以，最終結構可能不是最優設計，然而這并不影響總體趨勢。總的來說該結構在RGB波段具有很好的增強光提取效果，加上該設計的結構簡單、尺度適中，通過現代微納加工很容易制造，具有很高的實用性。

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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