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。相對于傳統(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COB中的單顆LED芯片通過金線互聯(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)前國際上最具研究價值的方向。

  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。解決此問題的一個重要途徑就是在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

  本文采用時域有限差分(FDTD)算法進(jìn)行數(shù)值模擬。FDTD算法基于麥克斯韋方程組，對空間領(lǐng)域內(nèi)的電場和磁場進(jìn)行交替計算，通過時間領(lǐng)域上更新來模仿電磁場的變化，達(dá)到數(shù)值計算的目的。

  本文設(shè)計結(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]，同時在光學(xué)上改善出光面的出光效果。我們設(shè)計了不同形狀和參數(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。為簡化模擬，建模時設(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，模擬計算時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)為圓錐時不同高度的出射效率對比。高度在0um至2um之間變化，0um對應(yīng)了平板結(jié)構(gòu)，即無PSS層。從圖中可以看出當(dāng)高度在1.5um附近時出光效果最好，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，增加圓錐高度對出光效率的影響很小。圖3(c)比較了高度為1.5um時不同形狀對出射效率的影響，分別為蒙古包形(Parabola cone)，金字塔形(Pyramid)圓錐形(Cone)和無PSS平面(Planar)結(jié)構(gòu)，可以看到圓錐形對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，光的透過率逐漸減小。通過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的出射效率下降，且圓錐結(jié)構(gòu)對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)對出光效率的影響。通過比較圓錐形、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，對我們今后的工藝加工具有一定的指導(dǎo)意義。