高提取效率大功率LED芯片設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙見國，張恒，孫智江

（1.海迪科（南通）光電科技有限公司，江蘇 南通 226500；2.東南大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)中心，江蘇 南京 210096）

高提取效率大功率LED芯片設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙見國1，2，張恒1，2，孫智江1

（1.海迪科（南通）光電科技有限公司，江蘇 南通 226500；2.東南大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)中心，江蘇 南京 210096）

大功率LED芯片的發(fā)光效率一直受光提取效率的限制，因?yàn)樾酒雽?dǎo)體材料的折射率大于出射時(shí)的介質(zhì)及空氣層，往往導(dǎo)致LED發(fā)出的光線在出射時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象，有大量的光線反射回LED內(nèi)部產(chǎn)生熱量，嚴(yán)重降低LED的性能。目前的解決方式多是通過表面粗化及圖形化藍(lán)寶石襯底（PSS）來提 高LED芯片的光提取效率。本文利用時(shí)域有限差分（FDTD）軟件算法，通過對(duì)大功率LED芯片中不同形狀參數(shù)的蛾眼結(jié)構(gòu)圖形進(jìn)行數(shù)值模擬，尋找最適合的周期性蛾眼微納結(jié)構(gòu)圖形以達(dá)到更高的光提取效率。通過仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圓錐圖形的蛾眼結(jié)構(gòu)并且圖形的寬高分別為1000、500nm時(shí)，可以獲得最高的光提取效率。

大功率LED芯片；光提取效率 ；FDTD；蛾眼結(jié)構(gòu)

以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）自發(fā)明以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢逐漸占領(lǐng)照明市場。相較于傳統(tǒng)鎢絲燈、熒光燈，LED具有能耗低、產(chǎn)熱少、無污染等優(yōu)良性能，受到了人們的青睞。但是，目前LED的光提取效率還偏低，尤其是出射光線與出射表面夾角較大時(shí)，容易發(fā)生全反射，導(dǎo)致大量光線全反射回LED內(nèi)部，產(chǎn)生熱量，嚴(yán)重降低LED的性能；而且，當(dāng)LED注入電流較大時(shí)，側(cè)向發(fā)光占比更大，會(huì)有更大比例的光線全反射回LED內(nèi)部。目前市場上普遍采用表面粗化、圖形化藍(lán)寶石襯底（PSS）的方法來破壞LED的全反射，提高出光效率，但實(shí)際效果并不夠顯著。

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真了具有多規(guī)格餓眼結(jié)構(gòu)的LED增透層，計(jì)算出了最優(yōu)的增透結(jié)構(gòu)，對(duì)提高LED光效具有重大意義。

1 研究方法與結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)

本研究采用時(shí)域有限差分（FDTD）算法。系統(tǒng)研究了平拋藍(lán)寶石襯底、普通圖形化藍(lán)寶石襯底（PSS）及設(shè)計(jì)蛾眼結(jié)構(gòu)對(duì)波長為380～780nm可見光的透過率。

在建模時(shí)，考慮到藍(lán)寶石對(duì)波長為380～780nm波長可見光的吸收很弱基本可以忽略不計(jì)，在仿真時(shí)忽略藍(lán)寶石的吸收。不同結(jié)構(gòu)通過設(shè)計(jì)其基本結(jié)構(gòu)，并設(shè)置其為二維無限重復(fù)循環(huán)模式，進(jìn)而獲得接近實(shí)際的蛾眼結(jié)構(gòu)情況。豎直方向上，使用PML吸收條件，即豎直方向射出的光線不在考慮反射的情況。采用平面波作為入射光光源，入射光入射角考慮垂直入射和斜入射情況。本研究分別設(shè)計(jì)了圓錐和拋物面兩種制作蛾眼結(jié)構(gòu)的圖形，構(gòu)成的蛾眼結(jié)構(gòu)增透層示意圖如圖1所示，其中d：h分別設(shè)計(jì)了1300：650，650：650，1000：500，500：500，350：500，350：350，245：350nm等七種比例，并分別命名為A，B，C，D，E，F(xiàn)，G。

2 模擬優(yōu)化與討論

圖1 不同圖形的蛾眼結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 不同蛾眼結(jié)構(gòu)在不同波段的透射率

仿真時(shí)首先計(jì)算了光線垂直照射時(shí)結(jié)構(gòu)A-G的透射率，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)透射率差別較大，而且與波長關(guān)系密切，并發(fā)現(xiàn)同一結(jié)構(gòu)在短波長（380～550nm）區(qū)域與長波長區(qū)域（550～780nm）表現(xiàn)差異較大，為便于對(duì)比，將這兩個(gè)區(qū)域的透過率關(guān)于波長積分，如圖2所示。從圖中可以看到，圓錐圖形的蛾眼結(jié)構(gòu)透射率普遍比拋物面圖形要高，當(dāng)圖形比例為1000：500，350：350，245：350nm時(shí)，透射率較高。但綜合考慮生產(chǎn)工藝等條件，太小的周期及圖形尺寸生產(chǎn)工藝難度大，我們認(rèn)為具有椎體圖形比例為1000：500的C具有最優(yōu)的透射率。

為評(píng)估光線的出射角度不同時(shí)，設(shè)計(jì)的蛾眼結(jié)構(gòu)是否具有良好的透射率，我們仿真計(jì)算了出射光線與法向夾角分別為0°（垂直出射）、30°和60°時(shí)，不同波長的透射率，仿真結(jié)果如圖3所示。

4 經(jīng)驗(yàn)及不足

（1）雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)必須在風(fēng)機(jī)出口暢通的情況下進(jìn)行。機(jī)組停運(yùn)時(shí)做動(dòng)平衡試驗(yàn)，需打開風(fēng)機(jī)出口擋板、磨煤機(jī)入口一次風(fēng)門及出口插板門，以保證氣流暢通。機(jī)組運(yùn)行中停單臺(tái)一次風(fēng)機(jī)時(shí)，只能采用反復(fù)停、并一次風(fēng)機(jī)的辦法做動(dòng)平衡試驗(yàn)，雖然運(yùn)行操作風(fēng)險(xiǎn)很大，只要出口擋板關(guān)閉，即使揭開上蓋、拆除后導(dǎo)葉也無濟(jì)于事。

（2）雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)應(yīng)通盤考慮兩級(jí)葉輪的不平衡量，單考慮一側(cè)配重，會(huì)影響另一側(cè)。本次動(dòng)平衡試驗(yàn)的做法是：①停單側(cè)風(fēng)機(jī)，安裝反光片及振動(dòng)測點(diǎn)等。②第一次啟動(dòng)試轉(zhuǎn)10分鐘，采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，給一級(jí)葉輪加裝配重塊試配。③第二次啟動(dòng)試轉(zhuǎn)10分鐘，采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，去掉一級(jí)葉輪加裝的配重塊，給二級(jí)葉輪加裝配重塊試配。④第三次啟動(dòng)試轉(zhuǎn)10分鐘，采集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，去掉一、二級(jí)葉輪加裝的配重塊，根據(jù)計(jì)算結(jié)果為一、二級(jí)葉輪重新加裝配重塊。⑤第四次啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，如振動(dòng)正常則直接投入運(yùn)行。同時(shí)，平衡試驗(yàn)人員信心很重要，如果遇到困難就放棄，工作將陷入僵局。

（3）對(duì)膜片式彈性聯(lián)軸器補(bǔ)償中心偏差的能力過于相信。2B一次風(fēng)機(jī)經(jīng)國內(nèi)外專家診斷均認(rèn)為存在不平衡量，于是大家把所有的注意力都放在了動(dòng)平衡試驗(yàn)上。但風(fēng)機(jī)一倍頻振動(dòng)值大不僅反映存在不平衡量，還有可能由軸彎曲造成（風(fēng)機(jī)軸系中心偏差大效果接近軸彎曲）。我公司一次風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高（1498rpm），中間軸較短（不到3米），不同于低轉(zhuǎn)速長軸的引風(fēng)機(jī)，受軸系中心偏差影響很大。

（4）2B一次風(fēng)機(jī)在返廠后投入運(yùn)行不到一個(gè)月的時(shí)間里振動(dòng)值不斷上升，且返廠后回裝中心調(diào)整合格，但停機(jī)后復(fù)查中心超標(biāo)。經(jīng)檢查基礎(chǔ)地腳螺栓、軸承箱緊固螺栓及各部連接件等都未見異常，風(fēng)機(jī)中心為何在運(yùn)行中會(huì)變動(dòng)，個(gè)人分析認(rèn)為可能是由于風(fēng)機(jī)返廠后在廠內(nèi)對(duì)機(jī)殼進(jìn)行焊接加固，造成機(jī)殼變形，底座與臺(tái)板間出現(xiàn)間隙，接觸不好。同時(shí)機(jī)殼上的殘余應(yīng)力在風(fēng)機(jī)運(yùn)行中逐漸釋放，機(jī)殼繼續(xù)變形，最終導(dǎo)致軸系中心偏差過大。

（5）2A、2B、1B一次風(fēng)機(jī)出廠前動(dòng)平衡試驗(yàn)均合格，到現(xiàn)場回裝后卻都出現(xiàn)了振動(dòng)大的問題，2B、1B一次風(fēng)機(jī)又在現(xiàn)場重新做動(dòng)平衡試驗(yàn)后才正常。這個(gè)問題各方專家都未給出合理解釋。

[1]平頂山第二發(fā)電廠一期2×1000MW機(jī)組工程一次風(fēng)機(jī)技術(shù)協(xié)議.

[2]成都凱凱凱電站風(fēng)機(jī)有限公司一次風(fēng)機(jī)說明書.

TN312.8

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1671-0711（2016）10（下）-0139-02