GaN基倒裝焊LED芯片的光提取效率模擬與分析

GaN基倒裝焊LED芯片的光提取效率模擬與分析鐘廣明;杜曉晴;田健【摘要】AccordingtoMonte-Carloraytracingmethod,thispapersimulatedtheGaN-basedflip-chipLEDlightextractionefficiency(LEE),comparedthedifferencesbetweenthestatusofsapphirewithsubstrateandwithoutit,withonesiderougheninganddoublesidesroughening,withandwithoutbufferlayer,andmadefurtherselectionandoptimizationaboutthestructureandthesizeofsurfaceroughingunit.TheresultsshowedthatboththethickersubstrateandintroductionofA1NbufferlayerwerefavorablefortheincreaseofLEE,theLEEforthechipwithdoublesurfacesroughenedsapphiresubstratewassignificantlybetterthantheonewithsinglesurfaceroughenedsapphiresubstrate,thestructureandsizeofthesurfaceroughingunithavegreatinfluencesontheLEE,theLEEwasrelativelyhigherwhenthesizeofmicroroughenedstructurewascomparabletoitsone-to-onedistance.%采用蒙特卡羅光線追蹤方法，模擬GaN基倒裝LED芯片的光提取效率,比較了藍(lán)寶石襯底剝離前后、藍(lán)寶石單面粗化和雙面粗化、有無(wú)緩沖層下LED光提取效率的變化，并對(duì)粗化微元結(jié)構(gòu)和尺寸作了進(jìn)一步選取與優(yōu)化?研究結(jié)果表明:采用較厚的藍(lán)寶石襯底和引入AIN緩沖層均有利于LED光提取效率的提高；藍(lán)寶石襯底雙面粗化對(duì)提高光提取效率的效果要明顯好于單面粗化；表面粗化的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)光提取效率有較大影響,當(dāng)微元特征尺寸與微元間距相當(dāng)時(shí),光提取效率較高.期刊名稱(chēng)】《發(fā)光學(xué)報(bào)》年(卷),期】2011(032)008【總頁(yè)數(shù)】6頁(yè)(P773-778)【關(guān)鍵詞】GaN基倒裝LED；光提取效率;光線追蹤;雙面粗化；AIN緩沖層【作者】鐘廣明;杜曉晴;田健【作者單位】重慶大學(xué)光電T程學(xué)院，重慶400044;重慶大學(xué)光電技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;重慶大學(xué)光電T程學(xué)院，重慶400044【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN312.81引言作為新一代環(huán)保型固態(tài)光源，GaN基LED已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。與傳統(tǒng)光源相比，LED具有壽命長(zhǎng)、可靠性高、體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、易于調(diào)制和集成等優(yōu)點(diǎn)，在信息顯示、圖像處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］。目前，可應(yīng)用到實(shí)踐中的GaN基白光LED(藍(lán)光+熒光粉)的發(fā)光效率達(dá)到了100lm/W以上，但與理論效率(250lm/W)還有較大的差距。近些年LED單位光量(1Im)的單價(jià)雖持續(xù)下跌，但在照明設(shè)備用途方面，白光LED與現(xiàn)有熒光燈和白熾燈單位光量的單價(jià)還相差10倍以上。為了壓縮白色LED單位光量的單價(jià)差，必須進(jìn)一步提高發(fā)光效率［4-6］。GaN基LED發(fā)光效率由發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率和光提取效率決定。隨著材料生長(zhǎng)技術(shù)以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，內(nèi)量子效率已經(jīng)達(dá)到99%左右［7］。但受GaN材料吸收、電極吸收以及GaN-空氣界面全反射臨界角等因素影響，LED的光提取效率仍然有很大提升空間。采用倒裝(Flip-chip)LED結(jié)構(gòu)，可以避免電極對(duì)光線的吸收，有效提高LED的光提取效率，但依然受到出射界面全反射的限制。有源區(qū)產(chǎn)生的光在出射過(guò)程中從最上層的光密介質(zhì)GaN(折射率ns=2.4)入射到光疏介質(zhì)空氣(nO=1)中，兩種介質(zhì)的折射率相差較大，全反射的臨界角約為24.5°，因此會(huì)使得出射光有很大一部分在界面處發(fā)生全反射現(xiàn)象而不能發(fā)射出去。對(duì)于一個(gè)典型的扁平半導(dǎo)體LED，因光提取效率的限制，僅有大約4%的光可以出射，96%的光反射回LED內(nèi)部，最終被吸收損耗掉［8］。在LED芯片設(shè)計(jì)中，目前已經(jīng)有很多方法用于降低出射界面的全反射損失，以提高光提取效率，如光子晶體［9］、襯底圖形化［10］以及表面粗化［10］等。實(shí)驗(yàn)證明，襯底圖形化和表面粗化是兩種最為簡(jiǎn)單有效的方法，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化上還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)較為深入的分析和討論。本文采用蒙特卡羅光線追蹤方法，模擬GaN基倒裝LED芯片的光提取效率，比較了藍(lán)寶石襯底剝離前后、藍(lán)寶石單面粗化和雙面粗化、有無(wú)緩沖層的LED光提取效率及光場(chǎng)分布，并對(duì)粗化微元結(jié)構(gòu)和尺寸作了進(jìn)一步選取與優(yōu)化，其模擬與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)提高GaN基倒裝LED芯片的光提取效率具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。2LED芯片結(jié)構(gòu)模型與模擬方法模擬的LED芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示，從上至下依次為藍(lán)寶石襯底、AIN緩沖層、n-GaN層和p-GaN層。其中藍(lán)寶石襯底在外延生長(zhǎng)面(Growthlayer)和出光面(Lightexitlayer)均可做粗化處理，n-GaN層和p-GaN層之間的多量子阱層起到發(fā)光作用，且厚度極薄(幾十納米)，可以將之假設(shè)是一個(gè)沒(méi)有厚度的發(fā)光面。為使多量子阱層MQWs發(fā)射的光大部分能從藍(lán)寶石背面出射，采用p-GaN反射面沉積Ag層的倒裝焊結(jié)構(gòu)，它能起到鏡面反射作用，將多量子阱內(nèi)產(chǎn)生射向p型GaN層的光有效地反射回去，使其能夠從藍(lán)寶石的表面出射。圖1芯片的模型結(jié)構(gòu)Fig.1Theschematicstructureofthechipmodel根據(jù)芯片的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)各層材料的折射率、吸收系數(shù)等主要光學(xué)物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，使模型可以準(zhǔn)確地反映器件實(shí)際情況。有源區(qū)(Activelayer)的發(fā)光面定義成兩個(gè)背向發(fā)射的面光源，每個(gè)面光源的光輸出立體角為2n,其輸出光功率為0.5W。有源區(qū)輻射機(jī)制為自發(fā)輻射，自發(fā)輻射偏振方向和傳播方向各向同性，并且是隨機(jī)分布的。發(fā)射光為單色光，即入(波長(zhǎng))為一定值。因電極槽的尺寸相對(duì)較小，所以將其影響忽略。p型GaN材料和n型GaN材料的折射率、光吸收系數(shù)相差很小，所以在仿真波長(zhǎng)為0.461pm的條件下將藍(lán)寶石、緩沖層AIN、GaN材料的折射率分別定義為1.78，2.10，2.47［11］。藍(lán)寶石的光吸收系數(shù)定義為10－6/mm,AIN的禁帶寬度極大(>6.2eV@300K)，對(duì)可見(jiàn)光幾乎不吸收，所以將其光吸收系數(shù)定義為10-10/mm。將Ag反射層(Reflectivelayer)定義為理想化的鏡面，入射在上面的光全部被反射。本文選用蒙特卡羅方法對(duì)LED出光進(jìn)行模擬。蒙特卡羅方法(MonteCarloMethod)也稱(chēng)統(tǒng)計(jì)模擬方法［12］,利用這種方法對(duì)隨機(jī)并且均勻分布于4n立體角的光子傳播路徑進(jìn)行追蹤，統(tǒng)計(jì)逃逸出LED芯片光子數(shù)目占自發(fā)發(fā)射光子總數(shù)的比例即可得到光抽出效率，即在光子追蹤［13］中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，光子的方向代表光的傳播方向。光子的傳播遵循三條基本定律:光的直線傳播定律，即光在均勻媒質(zhì)中沿直線方向傳播;光的獨(dú)立傳播定律，既兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，仍按各自的途徑繼續(xù)傳播;當(dāng)兩束光會(huì)聚于同一點(diǎn)時(shí)，在該點(diǎn)上的光能量分別由反射定律和折射定律決定。作為以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ)的一種計(jì)算方法，蒙特卡羅方法可對(duì)大數(shù)量光子行為進(jìn)行較好模擬，得出的結(jié)果與實(shí)際較為吻合。3模擬結(jié)果與分析藍(lán)寶石襯底剝離前后的光提取效率通過(guò)改變藍(lán)寶石襯底厚度，模擬藍(lán)寶石被完全剝離（厚度為0）以及不同藍(lán)寶石襯底厚度下的LED光提取效率的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2看到，在襯底厚度為零時(shí)，光提取效率小于22%，襯底不剝離時(shí)，光的提取效率隨襯底厚度的增加而不斷的增加。圖2光提取效率隨襯底厚度的變化Fig.2Thevariationoflightextractionefficiencywiththethicknessofthesubstrate由于GaN的折射率大于藍(lán)寶石的折射率，相對(duì)于藍(lán)寶石襯底未剝離的情況，當(dāng)把襯底完全剝離時(shí)，會(huì)有更多的光在GaN與空氣的界面上發(fā)生全反射，這樣導(dǎo)致光的提取效率較低。對(duì)于扁平LED結(jié)構(gòu)，出射光強(qiáng)與角度遵循朗伯（Lambertian）分布［13］:式中Ps為光源的功率，r為足距光源的距離，其發(fā)光模式如圖3所示［12］。入射角為0°時(shí)，歸一化光強(qiáng)為1;入射角為60°時(shí)，光強(qiáng)減小為0°時(shí)的50%。所以，襯底厚度較薄時(shí)，絕大部分光從出光面出射，從側(cè)面出射的光很少;當(dāng)襯底厚度增大時(shí)，在出光面出射光接近不變的基礎(chǔ)上，從側(cè)面出射的光增多，進(jìn)而使總的出射光強(qiáng)增大。所以芯片的光抽取效率隨藍(lán)寶石襯底厚度的增加也逐漸增加。圖3光強(qiáng)的歸一化分布Fig.3Thelightintensitydistributionafternormalization緩沖層對(duì)光提取效率的影響在襯底厚度為0.15mm的條件下，改變緩沖層AIN的厚度，模擬無(wú)緩沖層（厚度為0）以及不同緩沖層厚度對(duì)LED光提取效率的影響，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以觀察的到，相對(duì)于無(wú)緩沖層，有緩沖層的芯片的光抽取效率大于無(wú)緩沖層芯片的光抽取效率，緩沖層明顯能提高光的提取效率，但緩沖層厚度的變化對(duì)光抽取效率的影響甚微。圖4光提取效率隨緩沖層厚度的變化Fig.4Thevariationoflightextractionefficiencywiththethicknessofthebufferlayer當(dāng)無(wú)緩沖層時(shí)，從折射率為=2.47的GaN半導(dǎo)體層入射到折射率為的藍(lán)寶石層，其全反射角為。；而從折射率為二2.47的GaN半導(dǎo)體層入射到折射率為4.1的藍(lán)寶石層，其全反射角為54.7。。所以，有緩沖層的芯片從GaN層出射的光較多，緩沖層在工藝中起到緩解晶格失配，在光傳播過(guò)程中也能能起到折射率緩沖層的作用，避免相對(duì)一部分光在不同材料層間發(fā)生全反射，進(jìn)而從藍(lán)寶石表面統(tǒng)計(jì)到的出射光的強(qiáng)度更大一些。藍(lán)寶石單面粗化和雙面粗化對(duì)光提取效率的影響在襯底厚度為0.15mm、緩沖層厚度為4pm的條件下，采用圓臺(tái)微結(jié)構(gòu)先后對(duì)藍(lán)寶石襯底出光面與外延生長(zhǎng)面進(jìn)行單面和雙面粗化，模擬了不同粗化面對(duì)LED光提取效率的影響，包括不做粗化(Noroughening)、生長(zhǎng)層粗化(Growthlayerroughening)、出光層粗化(Lightexitlayerroughening)和雙面粗化(Duallayerroughening)等幾種方式，結(jié)果如圖5所示。從仿真結(jié)果可以看到，襯底粗化可顯著提高光抽取效率。相比于未做粗化的情況，在襯底厚度為0.05mm的條件下，藍(lán)寶石出光面粗化、生長(zhǎng)面粗化以及兩面粗化可以將光抽取效率分別提高43%，83%，223%；襯底雙面粗化效果明顯好于單面粗化，光抽取效率可以達(dá)到50%以上。從模擬結(jié)果進(jìn)一步看到，在只對(duì)藍(lán)寶石出光面粗化下，光抽取效率與襯底厚度具有明顯的依賴(lài)關(guān)系，隨著襯底厚度的增加而增加。圖5不同粗化面的光提取效率Fig.5Thelightextractionefficiencyforthedifferentrougheningsurfaces表面粗化提高光抽取效率的原因主要是由于粗化面對(duì)出射光具有強(qiáng)烈的散射作用，增加了光的隨機(jī)出射，通過(guò)多次反射降低了出射光在出射界面的全反射損耗，從而使光抽取效率增大［14-16］。與單面粗化相比，雙面粗化使光在不同介質(zhì)交界面發(fā)生更多的折射和反射，光出射的角度更大，出射幾率和光抽取效率隨之提高。粗化結(jié)構(gòu)與尺寸的選擇為了進(jìn)一步通過(guò)粗化提高光提取效率，需要對(duì)粗化微元結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化。常見(jiàn)的粗化微元結(jié)構(gòu)類(lèi)型包括圓臺(tái)(Roundtable)、半球形(Hemisphere)和四棱錐(Rectangularpyramid)，如圖6所示。圖6粗化微元結(jié)構(gòu)的幾種類(lèi)型Fig.6Thebasicrougheningmicrostructures模擬中，分別改變上述三種微元結(jié)構(gòu)的特征尺寸(深寬比不變)，使之在0.05~2pm變化，微元間距保持不變(1pm),得到LED光提取效率與粗化微元尺寸關(guān)系，如圖7所示。模擬中，選取襯底厚度為0.15mm，緩沖層厚度為4pm。由仿真結(jié)果看到，以圓臺(tái)和半球?yàn)榇只⒃Y(jié)構(gòu)的芯片的光提取效率大于以四棱錐為粗化微元結(jié)構(gòu)的芯片的光抽取效率。在0.05~1pm范圍內(nèi)，芯片的光提取率隨粗化微元尺寸的增大而明顯增大;粗化微元尺寸為1-1.5pm時(shí)，增幅趨緩;而當(dāng)粗化微元尺寸繼續(xù)增大時(shí)，抽取效率有下降的趨勢(shì)。圖7光抽取效率隨粗化微元尺的變化Fig.7Thevariationoflightextractionefficiencywiththesizeofthemicrostructure微元的尺寸較小時(shí)，它相對(duì)于微元間距(1pm)較小，產(chǎn)生的粗糙面的粗糙度相對(duì)較小，不利于光的散射，微元改變光方向的效果不佳，光出射的隨機(jī)性較小，出射的光也相對(duì)較少。隨著粗化微元尺寸的增大，出光面的粗糙度增加，光出射的隨機(jī)性增加，能出射的光增多。當(dāng)尺寸繼續(xù)增大時(shí)，光提取效率反而略有下降。這是因?yàn)榇只瘯r(shí)，最理想的尺寸應(yīng)該與光在GaN中的波長(zhǎng)相比擬，當(dāng)微元尺寸遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)時(shí)，微元等效平面部分太大，將有更多光在微元處發(fā)生全反射，同樣不利于光的出射。因此，表面粗化的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)光提取效率有較大影響，當(dāng)微元特征尺寸與微元間距相當(dāng)時(shí)，光提取效率較高。4結(jié)論較厚的藍(lán)寶石襯底和AIN緩沖層有利于LED光提取效率的提高。藍(lán)寶石襯底雙面粗化對(duì)提高光提取效率的效果要明顯好于單面粗化，相對(duì)于傳統(tǒng)的LED芯片，雙面粗化的光提取效率最高可達(dá)到53%，光提取效率提高了223%。通過(guò)對(duì)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，表面粗化的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)光提取效率有較大影響，當(dāng)微元特征尺寸與微元間距相當(dāng)時(shí)，光提取效率較高。利用上述的仿真模型及數(shù)據(jù)有望加工出光抽取效率更高的芯片，這對(duì)在效率提高方面正遭遇瓶頸的LED產(chǎn)業(yè)有一定的參考意義。參考文獻(xiàn):TianChuanjun，Zhangxiyan，ZouJun，etaI.TemperatureeffectonthephotoeIectricparameterofhigh-powerLEDiIIuminationsystem[J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報(bào)),2010,31(1):96-100(inChinese).YangGuanghua，MaoIuhong，HuangChunhong，etaI.DesignandanaIysisofaforkedn-weIIandp-subjunctionSiLEDonstandardCMOStechnology[J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報(bào)),2010,31(1):369-372(inChinese).ZhuJiyi，RenJianwei，LiBaoyong，etaI.SynthesisofspectraIdistributionforLED-basedsourcewithtunablespectra[J].Chin.J.Lumin.(發(fā)光學(xué)報(bào)),2010,31(1):882-887(inChinese).ChiuCH，YenHH，ChaoCL，etal.NanoscaleepitaxiallateralovergrowthofGaN-basedlight-emittingdiodesonaSiO2nanorod-arraypatternedsapphiretemplate[J].Appl.Phys.Lett.，2008，93(8):081108-1-3.BaurJ，BaumannF，PeterM，etal.StatusofhighefficiencyandhighpowerthinGaN-LEDdevelopment[J].Phys.Status.Solidi.(c)，2009，6(s2):S905-S908.HuangHW，HuangJK，LinCH，etal.EfficiencyimprovementofGaN-basedLEDswithaSiO2nanorodarrayandapatternedsapphiresubstrate[J].IEEEElectronDeviceLett.，2010，31(6):582-584.GaoHaiyong，YanFawang，ZhangYang，etal.EnhancementofthelightoutputpowerofInGaN/GaNlight-emittingdiodesgrownonpyramidalpatternedsapphiresubstratesinthemicro-andnanoscale[J].J.Appl.Phys.，2008，103(14):14314-1-5.ShentuWeijin，HuFei，HanYanjun，etal.StudyonlightextractionefficiencyofGaN-basedlight-emittingdiodeschips[J].JournalofOptoelectronic?Laser(光電子?激光),2005,16(4):385-389(inChinese).[9]ShakyaJK,KimHJ,LinY,etal.Enhancedlightextractionin皿-nitrideultravioletphotoniccrystallight-emittingdiodes[J].Appl.Phys.Lett.，2004，85(1):142-144.TadatomoK，OkagawaH.HighoutputpowerofInGaNultravioletlight-emittingdiodesfabricatedonpatternedsubstratesusingmetalorganicvaporphaseepitaxy[J].Jpn.J.Appl.Phys.