方海聞，蔣尋涯

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上?！?00433)

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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(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬頻大幅提高LED光提取效率的設(shè)計(jì)，其核心思想是利用結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，融合“光子晶體多波矢耦合”和“蛾眼結(jié)構(gòu)寬頻折射率漸變”兩種機(jī)制。通過(guò)基于時(shí)域有限差分算法的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)光子晶體蛾眼結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后得到一種簡(jiǎn)單且寬頻高光提取效率的結(jié)構(gòu)，適用于RGB 全彩LED，在寬頻范圍內(nèi)可以比傳統(tǒng)無(wú)表面結(jié)構(gòu)LED的光提取效率平均提高了6倍以上，具有廣泛的工業(yè)使用前景。

光提取效率；RGB全彩LED；光子晶體；蛾眼結(jié)構(gòu)

引言

LED作為一種新型固態(tài)光源以其獨(dú)特的優(yōu)越性已經(jīng)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)照明歷史的又一次技術(shù)革命[1-3]。隨著人們對(duì)照明質(zhì)量需求的提高，RGB全彩LED得到快速發(fā)展，其內(nèi)部由三顆基色芯片構(gòu)成，通過(guò)控制電流大小可以調(diào)節(jié)三基色的配比實(shí)現(xiàn)可調(diào)色溫和高顯色指數(shù)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(lǐng)域的重要問(wèn)題，這是由于大于臨界角入射到LED芯片表面的光會(huì)在表面發(fā)生全內(nèi)反射(total internal reflection，即 TIR)，這部分光在 LED 內(nèi)部傳播，一部分從 LED 芯片的側(cè)面出射，而另一部分被有源層或者是缺陷能級(jí)吸收，造成出光效率低。更嚴(yán)重的是被缺陷吸收的光轉(zhuǎn)化為熱能，使 LED 工作在高溫狀態(tài)，縮短使用壽命，而且高溫會(huì)降低LED的材料性能，造成更強(qiáng)的吸收，從而使系統(tǒng)性能進(jìn)入惡性循環(huán)。所以，提高出光效率是LED一個(gè)長(zhǎng)期的問(wèn)題。

最近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)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(shù)已經(jīng)成熟地運(yùn)用到了實(shí)際應(yīng)用中。但是，這種無(wú)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(duì)從LED芯片內(nèi)部提取的光的出射方向進(jìn)行控制，而且對(duì)不同波長(zhǎng)出光效果帶有一定的隨機(jī)性。另一方面，光子晶體作為一種全新的光子學(xué)材料被引入來(lái)解決該問(wèn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)寬頻范圍高光提取效率，未能滿(mǎn)足全彩LED的實(shí)用性。再后來(lái)，光子晶體蛾眼結(jié)構(gòu)來(lái)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(shí)，Eun-Ju Hong等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了有蛾眼結(jié)構(gòu)的LED樣品光致發(fā)光強(qiáng)度比沒(méi)有該結(jié)構(gòu)的樣品高5～7倍[19]，但是相關(guān)研究并沒(méi)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(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)寬頻高光提取效率甚至覆蓋整個(gè)RGB全彩光譜，即同一種結(jié)構(gòu)在RGB波段在寬角度范圍都具有高的抽光率。通過(guò)基于FDTD算法的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)平板結(jié)構(gòu)相比能在RGB全彩頻率提高抽光率達(dá)到6倍以上。因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于微納加工，具有廣泛的運(yùn)用價(jià)值。

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

1　模型結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法

加蛾眼結(jié)構(gòu)的一般正裝GaN LED結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：從上到下結(jié)構(gòu)依次為蛾眼結(jié)構(gòu)層、p型層、多量子阱層、n型層和金屬反射層。

圖1　真實(shí)LED結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The schematic diagram of real LED structure

圖2　仿真結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of simulation structure

因?yàn)閷?shí)際LED全反射主要是發(fā)生在最上層平板(p型層)與空氣之間，為了突出蛾眼結(jié)構(gòu)的效果，我們對(duì)此模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)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(zhì)折射率為2.4，消光系數(shù)3.58×10-4[19]，底層與真實(shí)LED一樣是理想金屬反射層。頂層蛾眼結(jié)構(gòu)也是由相同GaN材料構(gòu)成，在xy平面是正方晶格，其中最主要三個(gè)參數(shù)：晶格常數(shù)a、錐高h(yuǎn)、錐底半徑d，它們的初始值設(shè)為a=700nm，h=500nm，d=600nm，后面我們將對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程的規(guī)則是“掃描某個(gè)參數(shù)，保持另外兩個(gè)參數(shù)為初值”。

本文的數(shù)值實(shí)驗(yàn)是用EastWave商業(yè)軟件[10]進(jìn)行模擬，該軟件是基于三維FDTD(時(shí)域有限差分)算法。在仿真過(guò)程中，不同偏振方向的偶極子光源放在GaN層中，發(fā)出特殊高斯脈沖，在LED蛾眼結(jié)構(gòu)的上方200nm位置設(shè)立“觀測(cè)面”，記錄各個(gè)頻率在觀測(cè)面z方向的出射能流(軟件中附帶此功能)，從而計(jì)算出每個(gè)頻率的LED的光提取效率為

(1)

而光提取效率的增強(qiáng)倍數(shù)為

仿真計(jì)算體系的尺寸大小是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。因?yàn)槲覀冴P(guān)心的是全彩LED的抽光率提高，所以光源發(fā)出的高斯脈沖涵蓋了所有可見(jiàn)光頻譜范圍，即波長(zhǎng)是幾百納米級(jí)別，而真實(shí)LED芯片的尺寸是毫米級(jí)別，約波長(zhǎng)的千倍以上。進(jìn)行真實(shí)LED尺寸(千倍波長(zhǎng)以上)的嚴(yán)格仿真是不可行的，因?yàn)槲覀儽仨毧紤]到有限計(jì)算資源限制和計(jì)算時(shí)間的限制。在考慮各種限制和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，我們選擇計(jì)算10a×10a(7μm×7μm)大小的體系，因?yàn)?，通過(guò)檢驗(yàn)性計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)再增大計(jì)算體系尺寸，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，說(shuō)明結(jié)果已經(jīng)收斂，即這個(gè)尺寸體系的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)能夠代表更大體系的結(jié)果。所以，10a×10a的仿真計(jì)算尺寸已經(jīng)保證了計(jì)算結(jié)果的收斂性和可靠性。

2　提高光提取效率原理

蛾眼結(jié)構(gòu)是一種熟知的寬頻低反射的微納結(jié)構(gòu)，其在空氣和蛾眼睛內(nèi)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(nèi)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(xiàn)象，物理原理是：當(dāng)光的波長(zhǎng)大于微納結(jié)構(gòu)的尺寸時(shí)，光波無(wú)法分辨微納結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，只能感受到平均折射率，即隨深度漸變的平均折射率。根據(jù)光路可逆性原理，好的吸波材料往往就是好的發(fā)光材料，所以蛾眼結(jié)構(gòu)也能夠用于LED等發(fā)光器件的設(shè)計(jì)。

自然界的蛾眼結(jié)構(gòu)普遍是準(zhǔn)無(wú)序的，而人工周期性的蛾眼結(jié)構(gòu)則可以把前述“光子晶體周期波矢耦合效應(yīng)”和“蛾眼結(jié)構(gòu)寬頻折射率漸變效應(yīng)”融合起來(lái)，通過(guò)這兩個(gè)效應(yīng)就能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻、寬角度、高效率的內(nèi)外場(chǎng)耦合效果，而這恰恰是本文的創(chuàng)新點(diǎn)。我們?cè)谙乱还?jié)將看到，通道適當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)效果。

3　數(shù)值仿真結(jié)果

接下來(lái)，我們將根據(jù)所建的模型利用FDTD軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。作為光提取效率提高的基礎(chǔ)，首先計(jì)算普通平板LED的光提取效率，在400nm～700nm波段，可以發(fā)現(xiàn)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(shè)置蛾眼結(jié)構(gòu)，假設(shè)蛾眼光子晶體結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)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(jì)算該結(jié)構(gòu)在300～1000nm的光提取增強(qiáng)系數(shù)如圖3所示?？梢钥闯鲈?00～700nm波段光提取效率在各個(gè)波段表現(xiàn)很不同，在500～600nm波段相對(duì)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(zhǎng)的波段光提取效率也只提高3倍左右。顯然，該結(jié)構(gòu)還有很大的優(yōu)化空間。

為了實(shí)現(xiàn)寬頻段高光提取效率，我們將先后依次優(yōu)化蛾眼結(jié)構(gòu)參數(shù)a、h和d，發(fā)現(xiàn)它們影響光提取效率增強(qiáng)倍數(shù)(蛾眼/平板)的規(guī)律，并得到較優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

首先，優(yōu)化晶格常數(shù)a。如前所述，在優(yōu)化a時(shí)，我們假定h和d保持固定(h=500nm，d=600nm)，改變晶格常數(shù)a：700nm，800nm, 900nm，并計(jì)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(huì)大幅提高光提取效率，但是隨著a從800nm進(jìn)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(yōu)化其他參數(shù)時(shí)把a(bǔ)定為900nm。

圖3　平板LED光提取效率和光子晶體蛾眼結(jié)構(gòu)LED相對(duì)于平板LED光提取效率增強(qiáng)倍數(shù)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(dāng)h=500nm，d=600nm時(shí)，改變晶格常數(shù)a對(duì)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(dāng)a=900nm，d=600nm時(shí)，改變蛾眼結(jié)構(gòu)高度h對(duì)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(yōu)化蛾眼結(jié)構(gòu)的高度h。假定固定a=900nm和d=600nm不變，改變蛾眼高度h，結(jié)構(gòu)如圖5所示?？梢钥闯?，在300～500nm范圍，h的變化對(duì)該結(jié)構(gòu)光提取效率的整體影響并不大，只是會(huì)改變一下頻段的細(xì)節(jié)。所以，我們保持h的初始值，即500nm。

最后，優(yōu)化蛾眼結(jié)構(gòu)的錐底邊距d。假設(shè)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(nèi)，錐底直徑越大光提取效率會(huì)有所降低，考慮到納米加工的難度，我們選取d最優(yōu)值為500nm。

圖6　當(dāng)a=900nm，h=450nm時(shí)，改變蛾眼底部直徑d對(duì)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(guò)系列參數(shù)優(yōu)化，我們得到相對(duì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)為a=900nm，h=450nm，d=500nm，數(shù)值實(shí)驗(yàn)顯示它可以達(dá)到很好的提高光提取效率的結(jié)果。對(duì)于RGB全彩 LED，該設(shè)計(jì)在460～470nm，530～540nm，610～620nm三個(gè)核心波段均實(shí)現(xiàn)了6倍以上的光提取效率提高。

4　總結(jié)

從以上的模擬結(jié)果看出，使用蛾眼結(jié)構(gòu)光子晶體的LED光提取效率在400nm～700nm波段比傳統(tǒng)平板型LED平均提高了7～8倍，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其在RGB在三個(gè)常用的核心波段都實(shí)現(xiàn)光提取效率6倍以上的提高，在530nm和620nm波段更分別達(dá)到了12倍和8倍，該結(jié)構(gòu)可用于高顯色指數(shù)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(jìn)一步改進(jìn)。由于計(jì)算資源限制，導(dǎo)致優(yōu)化方案受限，所以，最終結(jié)構(gòu)可能不是最優(yōu)設(shè)計(jì)，然而這并不影響總體趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)該結(jié)構(gòu)在RGB波段具有很好的增強(qiáng)光提取效果，加上該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺度適中，通過(guò)現(xiàn)代微納加工很容易制造，具有很高的實(shí)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