我司提供优质LED照明产品:LED工矿灯、一体化太阳能路灯、LED球场灯、LED防爆灯和LED码头照明灯具。欢迎来电咨询TEL:0512-86865958;MOB:13584858883

苏州威斯华光电 LED工业照明设计、制造、应用服务商

一盏灯·一份信赖·一份责任
135 8485 8883

首页 >> 新闻中心 >> 行业新闻

正装、倒装结构GaN+基LED提取效率分析

摘  要:从几何和物理光学角度分析了影响GaN基LED提取效率的因素,并以理论分析为基础,利用Monte-Carlo光线追踪的方法,对GaN基LED的提取效率进行模拟,比较不同器件结构对LED提取效率的影响.模拟结果表明,采用倒装结构可以显著提高GaN基LED的提取效率,Ni/Au透明电极透射率为0.6~0.9时,相对于普通正装结构,倒装结构可以使LED提取效率提高39%~16%.

关键词:GaN基LED,提取效率,Monte-Carlo,模拟

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,并有望替代白炽灯、荧光灯,进入普通照明领域.目前,GaN蓝光LED发光效率为几个流明/瓦,GaN白光LED(蓝光+荧光粉)的发光效率通常为几十流明/瓦,与白炽灯相当,但仍低于荧光灯水平.因此,如何提高LED发光效率成为LED面临的一个主要技术瓶颈.

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.随着材料生长技术以及器件结构设计的进步,内量子效率已经可以达到80%左右.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,传统正装结构LED的光提取效率只能达到百分之几,仍然有很大 提升空间.近年来出现了另外一种器件结构,即所谓的倒装(flip-chip)结构.与传统的正装结构相比,采用倒装结构,光线从透明的蓝宝石面发出,避免了电极对光线的吸收;同时蓝宝石的折射率(1.75)小于GaN材料(2.5),界面处将有更多光线的出射角小于全反射临界角,从而可以有效提高LED的提取效率.但在器件的实际制作过程中,倒装结构同样遇到了很多不可避免的技术难题.为保证良好的欧姆接触和器件可靠性,具有高反射率的金属层必须制作在Ni/Au电极后,这必然造成Ni/Au电极对光线 的二次吸收,降低LED提取效率.因此,目前,结构对LED提取效率的影响这一问题尚无定论.本文通过理论分析,建立适当模型,比较分析了正装、倒装两种结构LED的提取效率,为进一步优化器件结构提供理论依据.

1   影响GaN基LED提取效率的因素

有源区中产生的光子,大部分因界面全反射和介质吸收,在器件内部损耗.只有一小部分逸出LED,这个逸出比例就是LED的光提取效率ηesc.下面我们将讨论影响LED提取效率的各种因素. 


QQ图片20181026151232.png


根据全反射定律求得,蓝宝石与空气界面的全反射临界角为34.8°,GaN与空气界面的全反射临界角为23.6°.正装和倒装结构LED光线传播途径如图1所示 .

如果把LED芯片看作一个光腔,有源区发出的总光子包括四部分:通过芯片与空气界面逸出光腔的光子、电极对光子的吸收、外延层材料对光子的吸收(包括N-GaN层,P-GaN层,MQW区)、衬底材料吸收.LED在稳态工作时,总光子损耗与光腔内产生的光子保持平衡.因此,我们可以采用逸出光子数与有源区发出总光子数的比值来表示LED提取效率.

通常情况下,出光表面包括LED芯片上表面和侧表面两部分,由上表面和侧表面光子逸出,引起的光子损耗率可表示为:

QQ图片20181026151247.png

式中:Bint为内部光子亮度(internalbrightnessinphotons单位:cm-2s-1sr-1),A1为发光面面积(包括上表面与侧表面),θ为临界角,sinθ=1/n,n 为LED出光界面材料折射率,θ表示光线入射角,T1(θ)为光线在出射界面的透射率,是入射角θ的函数,QQ图片20181026151315.png为角平均透射率.电极吸收引起的光子损耗为:

QQ图片20181026151339.png

式中:R2(θ)、T2(θ)分别为入射角为θ时电极的反射率和透射率,R2、T2为反射率的角平均值,A为电 极面积.电极吸收对正装、倒装结构LED提取效率的影响略有不同.正装结构中,被p电极覆盖的P-GaN即为光线输出面,反射镜直接制作于蓝宝石背面.因此 , 不论光线在芯片内部经过几次反射,电极对光线的吸收只有一次.倒装结构,为形成良好的欧姆接触,反射镜一般制作于薄的透明P电极之后,因此光线在芯片内每一次反射,透明P电极都将对其吸收两次,从而导致光线在芯片内迅速衰减.

外延层材料吸收引起的光子损耗,可表示为:

QQ图片20181026151406.png

式中:αi,di(i=0,1,2……,n)分别表示第i层介质的吸收系数和光线在该介质层中的传播距离.η为MQW区的内量子效率.从式(3)中我们可以看出外延层材料吸收引起的光子损耗,包括有源区(MQW区)吸收和上下限制层(N-GaN层,P-GaN层)吸收两部分.有源区对光子的吸收为带间吸收,因此吸收系数较大.价带中电子吸收光子,获得能量,跃迁到导带,形成电子-空穴对.经过一个 短暂的驰豫过程,其中一部分(ηα0d0)通过二次辐 射复合重新放出光子.另外一部分((1-η)α0d0)则通过自由载流子吸收、杂质吸收、晶格振动吸收,将 能量传递给晶格,最终转化为热,因此,只有通过非辐射复合将能量传递给晶格的这部分带间吸收,才会导致光子的损耗,其损耗速率与带间吸收系数及内量子效率密切相关.与MQW区不同,上下限制层量子效率很低,因此,吸收光子获得的能量,绝大部分转化为热,造成光子损耗.

此外,还有一部分光子损耗来自衬底材料对光线的吸收.目前采用的Ag反射镜,反射率可以达到95%左右,因此在近似计算过程中我们可以忽略这部分吸收.

根据以上分析,LED的提取效率可表示为:

QQ图片20181026151445.png

式中:j表示光线经过电极的次数.

从式(4)中可以看出,为提高LED提取效率,应提高LED出射界面透射率、器件内量子效率,降低出光界面材料折射率,同时尽量减小光线在各介质层中的传播距离.

2   Monte2Carlo光线追踪模拟

上一节中我们采用理论分析的方法给出了 LED提取效率的表达式.但在实际计算过程中,光线经多次反射、折射,在芯片内部传播的实际距离di难以确定.因此,无法通过理论计算得到LED(特别是出光表面经过粗化,具有一定几何形状的LED)芯片的提取效率.本节中我们以上节理论分析为基础,建立适当模型,采用Monte-Carlo光线追踪的方法对LED提取效率进行模拟,比较不同结构对LED提取效率的影响.

2.1  器件结构


QQ图片20181026151532.png

图2     LED结构示意图


实验中我们选取器件结构如图2所示.GaN材料生长在蓝宝石衬底上,InGaN-GaN多量子阱作为有源区.正装结构P型材料表面蒸镀Ni/Au半透明电极 ,芯片背面制作金属反射镜.倒装结构P电极采用Ni/Au/Ag/Ni/Au金属体系,其中Ag金属层作为P电极反射镜.最后通过植球与Si衬底键合.

2.2  模拟条件近似

根据图2所示LED的结构特点,做出如下假设: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,并且是随机分布的.有源区输出光功率为1W.LED工作在稳态情况下,光子产生率与损耗率符合稳态速率方程.模型中G aN 材料吸收系数取100cm-1.GaN材料和蓝宝石的折射率分别取2.4、1.76.模拟中采用的模型如图3所示.


QQ图片20181026151607.png


模型中各层结构见图中注释,其中倒装结构出 光面为蓝宝石面;倒装结构出光面为P型GaN面.倒装结构P电极面积为整个器件面积的85%;正装结构P透明电极面积为整个器件面积的70%.

2.3  模拟结果

根据上述条件近似,采用Monte-Carlo光线追踪的方法,对LED提取效率进行模拟.该模拟的主要机理如下:首先根据器件的结构建立图3所示模拟模型,并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,使模型可以准确的反映器件实际情况.模拟过程中,有源区随机出射的光线,经过各层介质层吸收及各光学界面的反射、折射,最终溢出LED.通过统计逸出光线的功率总和,与有源区输出的光功率相比,得到LED的提取效率,模拟结果如图4所示: 


QQ图片20181026151634.png


图中左上、右下两个插图,分别是相同有源区输出光功率条件下,倒装、正装结构LED,提取效率模拟结果的直观示意图.从图4中可以看出,Ni/Au电极透射率为0.6时, 倒装、正装结构LED提取效率分别为10.3%及7.43%,相对于正装结构,倒装 结构可以使LED提取效率提高38.6%.随Ni/Au电极透射率增加,LED提取效率有所增加,但正装结构提取效率增加的幅度更为明显.当Ni/Au电极透射率达到0.9时,正装、倒装结构LED提取效率分别为11.56%和10.01%,相对于正装结构,倒装结构可以使LED提取效率提高15.5%.器件的实测提取效率可能会高于我们的理论计算值.这是因为计算时,我们假定所有界面均光滑平整,而实际情况下,材料表面的高低起伏会在一定程度上提高LED光提取效率.但我们仍可以利用该结果,分析比较正装和倒装结对LED提取效率的影响,为进一步优化器件结构提供理论依据.

3 结论

(1)通过理论分析,得到了GaN基LED提取效率与出射界面透射率,材料折射率,内量子效率等物理参量的关系式.分析结果表明,为提高LED提取效率,应提高LED出射界面透射率、器件内量子效率,降低出光界面材料折射率,同时尽量减小光线在各介质层中的传播距离.

(2)倒装结构可以显著的提高GaN基LED提取效率.透明电极透射率为0.6、0.9情况下,相对于正装结构,倒装结构分别可以使LED提取效率提高38.6%和15.5.






联系我们
  • 电话:  +86 (512) 8686 5958
  • 传真: +86 (512) 8686 5978
  • 邮箱: eric@szwellsun.com
  • QQ邮箱:
  • 服务电话: 135 8485 8883
  • 地址: 苏州工业园区仁爱路150号

Copyright @ 苏州威斯华光电有限公司保留所有权利