限制gan基發光二極管芯片光提取效率的因素分析

1影響因素分析藍綠光矩陣的優點是積小、效率高、壽命長，適合交通指示和戶外顯示等領域。尤其是利用GaN基大功率發光二極管(LEDs)可能實現半導體固態照明,引起人類照明史的革命,從而逐漸成為目前光電子學領域的研究熱點。為了獲得高亮度的GaN基LEDs,關鍵要提高器件的外量子效率。目前,芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素,其主要原因是GaN基的外延層材料、藍寶石襯底材料以及空氣之間的折射率差別較大,導致有源區產生的光在不同折射率材料界面發生全反射而不能導出芯片。目前已經提出了幾種提高芯片光提取效率的方法,主要包括:改變芯片的幾何外形,減少光在芯片內部的傳播路程,降低光的吸收損耗,如采用倒金字塔結構;控制和改變自發輻射,通常采用諧振腔或光子晶體等結構;采用表面粗糙方法,使光在粗糙的半導體和空氣(或其他介質)界面發生散射,增加其透射的機會,T.Fujii利用此方法將GaN基LEDs的光輸出功率比未粗糙時提高了1倍左右。此外利用倒裝焊(flip-chipbonding)技術,同時通過高反射率的p型電極增加從藍寶石透射機會,從而進一步提高芯片的光提取效率。然而,目前對限制GaN基LEDs芯片光提取效率的各種因素缺乏系統的研究,這些因素包括電極反射率、封裝材料的折射率、GaN材料光吸收系數以及LEDs芯片尺寸。本文利用蒙特卡羅方法對比了通過藍寶石背面出光和通過p型GaN正面出光對芯片光提取效率的影響,對上述因素對背面出光的光提取效率的影響進行了詳細的研究。這些結果對制作高出光效率的GaN基LEDs具有重要的指導意義。2特卡方法的模擬特性基于自發輻射的工作原理,可以認為LED在有源區內某些處產生的光子在2π立體角內均勻分布。目前常用蒙特卡羅方法模擬光子的統計特性,即在有源區某點產生許多個2π立體角內均勻分布的光子,統計最終出射到芯片外面的光子數,其核心為跟蹤光子的運動軌跡和決定光子的生存狀態。為了簡化模型,假設光子在有源區中心處產生,忽略光子在有源區被吸收和再發射的復雜過程,只考慮被材料吸收、在不同折射率界面上被反射或者透射。2.1方向量dz在有源區中心位置ro處產生空間分布均勻的光子,其方向矢量Do的3個分量為Dz=ζ1(3)其中:ζ1為-1到1之間均勻分布的隨機數;ζ2是在0到1之間均勻產生的隨機數。2.2材料邊界運動給定光子的初始位置ro和方向Do,利用射線跟蹤方法(raytracingmethod)就能確定光子與芯片邊界的碰撞位置r1,從而得到光子的飛行距離l1和被材料吸收的概率A1,即有l1=|r1-ro|(4)A1=1-exp(-αl1)(5)其中,α是GaN材料光吸收系數。然后產生0到1之間均勻分布的隨機數R,如果R≤A1,則光子在這段飛行中被材料吸收,然后重復2.1過程,否則進入2.3過程。2.3反射率r-refl治理當光子碰撞到不同折射率邊界上時,只要給定入射角θi和邊界兩邊材料的折射率,就可以根據菲涅耳反射關系得到反射率R-reflect。然后產生0到1之間均勻分布的隨機數R,如果R≤R-reflect,則光子被反射,重復2.2的過程,繼續在芯片內飛行;反之就被折射出芯片,然后重復2.1的過程。2.4提取效率的算法結構蒙特卡羅方法模擬GaN基LEDs光提取效率的算法結構如圖1所示,最終統計產生的總光子數和出射到芯片外的光子數,得到芯片光提取效率的表達式為3結果和討論3.1電極反射率對提取效率的影響目前,GaN基LEDs的出光方式主要有兩種,如圖2所示。LEDs采用環氧樹脂(n=1.5)封裝,底部高反材料對光子只有反射和吸收兩種狀態,并且假設正面出光時透明電極的透射率為80%。LEDs結構和計算中所采用的參數見表1。背面出光時光在有源區產生后首先從n-GaN出射到藍寶石中,然后從藍寶石出射到封裝材料中。為方便起見,η1代表從n-GaN到藍寶石的光提取效率,η2代表從藍寶石到封裝材料的光提取效率,因此背面光提取效率是η1與η2的乘積。而在正面出光的情況下,出射光是由從透明電極出射和從藍寶石側面出射組成,η3代表從透明電極出射的光提取效率,η4代表從藍寶石側面的光提取效率,因而正面光提取效率是η3與η4的和。圖3給出η1、η2、η3和η4隨底部材料反射率的變化關系。隨著電極反射率增大,各種光提取效率都單調升高。從圖可以看出,背面出光時,η1在30%以下,因此,n-GaN與藍寶石界面嚴重限制了光提取效率的提高,其原因是GaN與藍寶石的折射率差別較大。η2高達90%以上,其原因是藍寶石與封裝材料的折射率相差不大。與背面出光相比,η3要比η1小,其原因是正面出光時p-GaN與封裝材料的折射率差比背面出光時n-GaN與藍寶石界的折射率差大。同時,光子從藍寶石側面出射需要首先經過n-GaN與藍寶石的界面,并且很大一部分被底部材料吸收或反射回n-GaN中,因此η4比η2小,甚至比η1還要小。圖4給出了正面出光與背面出光時總的芯片光提取效率的對比?？梢?背面出光時芯片光提取效率是正面出光的1.2倍左右。當電極反射率從0.6變化到0.8時,芯片光提取效率都提高了20%左右。因此,在下面的分析中采用通過藍寶石背面出光的GaN基LEDs格局來研究芯片光提取效率。3.2白色芯片提取效率的影響3.2.1芯片光提取效率與co圖5是芯片光提取效率與封裝材料折射率的關系曲線,底部電極反射率參數為0.5。當折射率從1.0變化到1.8時,由于周圍封裝材料折射率與藍寶石折射率的差別逐漸減小使得芯片光提取效率逐步增大;當折射率繼續增大超過藍寶石時,芯片光提取效率略有減小。從圖5可以看出,用環氧樹脂(n=1.5)封裝后的芯片光提取效率是封裝前的2.3倍。表2給出了LEDs芯片環氧樹脂封裝前后的實驗數據,封裝后的芯片光提取效率比封裝前提高了1.8倍左右。實驗值比理論計算值小,主要是理論計算中忽略了光子在環氧樹脂里的損耗和在空氣界面上被反射的影響。3.3.2芯片光提取效率隨材料光吸收系數的變化圖6是GaN材料光吸收系數及芯片尺寸與芯片光提取效率的關系曲線,底部電極反射率參數為0.6。其中芯片尺寸包括芯片的橫向長度和寬度,本文中芯片橫向長度和寬度大小相等。當芯片尺寸為1mm、GaN材料光吸收系數從0.001變化為0.010時,芯片光提取效率從30.42%下降為25.38%。這是由于隨著GaN材料光吸收系數增大,光子在芯片中被吸收幾率增加,導致芯片光提取效率降低。另外當吸收系數不變、芯片尺寸從100μm變化到1mm時,芯片光提取效率逐漸下降。其原因是隨著芯片尺寸增加,光子到達芯片邊界的路程增多導致被吸收概率變大。并且芯片尺寸大于400μm時,芯片光提取效率變化比較緩慢。表3給出了大、小管芯的藍寶石上表面和藍寶石側面光提取效率的情況。當芯片尺寸從350μm變為1000μm時,藍寶石側面光提取效率從16.22%迅速降為8.36%,而藍寶石上表面光提取效率才增加2.47%?？梢?藍寶石側面光提取效率隨芯片尺寸增加而減小,上表面增加的光提取效率沒有側面下降的快,因而再次驗證了總的芯片光提取效率隨著尺寸增加而減小。4電極反射率a利用蒙特卡羅方法分析了影響GaN基LEDs芯片光提取效率的各種因素。結果表明,GaN與藍寶石之間的較大折射率差別嚴重限制了芯片光提取效率的提高,而背面出光的芯片光提取效率是正面出光的1.2倍左右;當底部電極反射率從