（光学工程专业论文）gan基发光二极管光取出分析与模拟.pdf

8 鑫毫 一 卜 l 凡 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：篮4 兰皇日期：加p 年 厂月罗f 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：馁 古车， 导师签名： 日期：沙厂口年歹月，e l 一 。 i - 尽i p 易 l “ 弋 - 摘要 摘要 发光二极管( l e d ) 以其独特的优势已广泛用于显示、交通信号灯和光通信 等领域。随着高亮度白光发光二极管( h b w l e d ) 技术的不断成熟，l e d 被认为 是最有可能进入普通照明的一种“绿色光源”。与传统光源相比，l e d 具有节能 环保、可靠性高、能耗低、效率高、寿命长等特点。近年来l e d 照明逐渐进入我 们的生活，如手电、台灯已经普及到普通家庭，而汽车车灯、路灯甚至室内照明 都开始投入市场。成本高、发光效率不高等问题是阻碍l e d 在照明领域发展的主 要因素。目前利用多量子阱技术l e d 芯片的内量子效率已经做得很高，经分析解 决发光效率问题的关键在怎样提高光取出效率。因此找到一些方法和途径来提高 l e d 的光取出效率，成为国内外的研究热点。 提高光取出效率必然对l e d 芯片光学结构和封装光学结构重新设计和优化。 为降低研发成本，缩短研发周期，理论分析和计算机分析的方法是关键。常用的 理论分析方法有传输矩阵法( t m ) 、时域有限差分法( f d t d ) 、有限元法( f e ) 和光 线追迹法( r t ) 等。文中针对不同层面的运用，分别建立计算机分析模型，编写计 算机仿真程序。其中根据s n e l ll a w 和f r e s n e l sl a w 讨论影响l e d 光取出的基本因 素，提出一种基于m o n t ec a r l o 的l e d 光取出计算机模拟方法，通过验证表明改 进的方法有较高的模拟效率和准确度。 对于提高l e d 光取出效率，本文就封装折射率和新型结构等模型采用改进的 m o n t ec a r l o 方法进行模拟，模拟结果表明高折射率涂装材料和新型结构有助于大 部分结构l e d 的光取出；采用传输矩阵法对应用于波长在4 6 0n l n 附近的g a n 基 蓝光l e d 的分布布拉格反射镜( d b r ) 进行分析，定量描述入射介质、入射角、 波长蓝移等因数带来的影响，提出并分析几种宽反射角d b r 构造方案，结果显示 复合d b r 提高全方位反射代价很大，要保证高的反射率，膜层周期数将成倍增加； 运用光线追迹法分析并得到采用微结构微元提高光取出效率的最佳微元尺寸范围 以及微元形状关系等。 关键词：发光二极管( l e d ) ，光取出效率( l e e ) ，m o n t ec a r l o 模拟，模拟效率； 分布布拉格反射器；封装折射率 暴 i 一 i _ 一 l j - a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eu n i q u ea d v a n t a g e s ，l e d sa r ew i d e l yu s e di nd i s p l a y s ，t r a f f i cs i g n a l sa n d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n se t c w i t ht h ew h i t eh i g h - b r i g h t u e s sl e d sd e v e l o p i n g ，l e d sa r c c o n s i d e r e dt ob eg r e e nl i g h ts o u r c ef o rg e n e r a ll i g h t i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll i g h t 8 0 u r c e ，t h e r ea r cm a n ya d v a n t a g e si nl e d ss u c ha se n e r g y - s a v i n g ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y , h i g he f f i c e n c y , l o n gl i f e , e r e i nr e c e n ty e a r s ，l e dl i g h t i n g g r a d u a l l yg oi n t oo u rl i v e s w h e nf l a s h l i g h t ，t a b l el a m ph a ss p r e a dt oo r d i n a r y h o u s e h o l d s ，t h ec a rh e a d l i g h t s ，s t r e e tl a m p sa n di n d o o rl i g h t i n ga r eb e g i n n i n gt oe n t e r t h em a r k e t t h ed e v e l o p m e n to fl e dl i g h t i n gi sb l o c k e db yt h eh i g hc o s ta n dt h el o w l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y c u r r e n t l y , t h ec h i po fl e d sh a sh i g hi n t e r n a lq u a n t u m e f f i c i e n c y f o ri m p r o v i n gt h el u m i n o u se f f i c i e n c y , t h ek e yp r o b l e mi st h a th o wt o i m p r o v el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y s ot of i n ds o m ew a y s t oi n c r e a s et h el i g h te x t r a c t i o n e f f i c i e n c yb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i m p r o v i n gl i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c yn e c d st or e - d e s i g no ro p t i m i z et h ec h i pa n d t h e p a c k a g eo p t i c a l s t r u c t u r e f o rr e d u c i n gd e v e l o p m e n tc o s t sa n ds h o r t e n i n gt h e d e v e l o p m e n tc y c l e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so rc o m p u t e ra n a l y s i sm e t h o di st h ek e y t h e r ea r em a n ya n a l y t i c a lm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，f i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i nm e t h o d , f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dr a y - t r a c i n gm e t h o d , e t c s e v e r a lm e t h o d so fc o m p u t e ra n a l y s i sm o d e lw e r ee s t a b l i s h e d o n eo ft h e mw h i c h b a s e do nr a y - t r a c i n gm o n t ec a r l os i m u l a t i o np r o v i d e sag o o dm e t h o dt oo p t i m i z et h e d e s i g no fl e do p t i c a ls t r u c t u r e b a s e do nd i s c u s s i n gs n e l ll a wa n df r e s n e l sl a wo n a f f e c t i n gt h eb a s i c f a c t o r so fl i g h te x t a c t i o no fl e d s ，an e wc o m p u t e rs i m u l a t i o n p r o c e s so fl i g h te x t r a c t o no fl e d sb a s e do nm o n t ec a r l om e t h o di sp r o p o s e d t h e p r o p o s e dm e t h o dp e r f o r m sw e l li nt h es i m u l a t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c y f o rt h em e t h o do fi m p r o v i n gl i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y , t h er e f r a c t i v ei n d e xo f p a c k a g ea n dn c ws t r c t u r em o d e l sa r cs i m u l a t e db yt h ep r o p o s e dm e t h o db a s e dm o n t e c a r l os i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a th i g hr e f r a c t i v ei n d e xc o a t i n gm a t e r i a l a n dt h en e ws t r u c t u r ew i l li m p r o v et h el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i c e n c yo ft h em o s to fl e d s s t r u c t u r e t h er e f l e c t e ds p e c t r ao fg a n - b a s e dd b rf o rb l u el e da t4 6 0n ma r es t u d i e d i i 乍；q a b s t r a c t b yt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d m a n yf a c t o r sa r ed e s c r i b e dq u a n t i t a t i v e l ys u c ha st h e i n c i d e n tm e d i u m ，t h ei n c i d e n ta n g l e , b l u es h i f to fw a v e l e n g t h ，e t c s e v e r a lw i d e a n g l e o fd b rc o n s t r u c t i o np r o g r a mp r o p o s e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wc o u p l e dd b r i n c r e a s i n gw i d e a n g l er e f l e c t i o na tt h ec o s to fr e d u c er e f l e c t i v i t yo rd o u b l e dt h e t h i c k n e s so ff i l m s i na d d i t i o n , t h em i c r o - s t r u c t u r et oi m p r o v i n gt h el i g h te x t r a c t i o n e f f i c i e n c yi sa n a l y z e db yr a y - t r a c i n gm e t h o d an u m b e ro fp a r a m e t e r so ft h eb e s t m i c r o s t r c t u r ea r ei d e n t i f i e d k e y w o r d s ：l i g h t e m i t t i n gd i o d e s ，l i g h t s i m u l a t i o n , s i m u l a t i o ne f f i c i e n c y , d i s t r i b u t e d i n d e x e x t r a c t i o n e f f i c i e n c y , m o n t ec a r l o b r a g gr e f l e c t o r , p a c k a g i n gr e f r a c t i v e 暴 一 一 i _ 目录 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 目录 绪论1 课题研究背景与意义1 半导体发光二极管发展过程2 世界各国半导体照明计划和研究方向3 本文的主要研究内容7 半导体发光二极管光学结构设计理论基础8 与l e d 照明相关的光度学量8 2 1 1 光通量8 2 1 2 光视效能- 8 2 1 3 发光强度8 2 1 4 光照度9 2 1 5 光亮度9 l e d 器件的效率9 2 2 1 发光效率9 2 。2 2 辐射效率1 0 2 2 3 光视效率10 2 2 4 量子效率1 0 光的传播和几何光学基础1 2 2 3 1 光的吸收。1 2 2 3 2 光线传播的三条基本定律1 2 2 3 3 光的全反射1 3 2 3 4 三大定律的向量形式1 3 2 3 5 光在介质面上的能量变化1 4 发光二极管原理和光学结构1 4 2 4 1 发光二极管的发光原理及其相关特征。1 4 2 4 2 半导体发光二极管的芯片结构1 8 2 4 3 半导体发光二极管的封装结构1 9 2 4 4 半导体白光发光二极管1 9 半导体照明目前遇到的问题和研究概况2 0 2 5 1发光二极管光取出初步分析和光取出效率的近似计算2 0 目录 2 5 2 半导体发光二极管光取出方法及研究概况2 5 第三章发光二极管光取出的理论分析与计算机模拟3 0 3 1发光二极管光取出理论分析的方法和工具3 0 3 1 1 传输矩阵法3 0 3 1 2 时域有限差分法31 3 1 3 有限元法3 3 3 1 4 光线追迹法3 5 3 2 基于蒙特卡洛方法的发光二极管光取出计算机模拟3 6 3 2 1 蒙特卡洛方法3 6 3 2 2 模拟流程设计3 7 3 2 3 光线的随机生成3 7 3 2 4 光线位置和方向的计算4 2 3 2 5 光线的吸收、反射和折射处理4 3 3 2 6 光取出模拟的统计及表现形式一4 4 3 3a s a p 光学设计软件的光取出模拟4 5 3 3 1a s a p 简介4 5 3 3 2 在a s a p 中建模4 6 第四章提高发光二极管光取出效率的方法及分析4 9 4 1高折射率涂装材料和新型结构4 9 4 1 1 封装材料折射率对发光二极管光取出效率的影响一4 9 4 1 2 多层封装和渐变折射率提高光取出效率5 l 4 2基于g a n 基发光二极管的复合布拉格反射镜的设计5 2 4 2 1发光二极管分布布拉格反射镜5 2 4 2 2 模拟结果与分析5 3 4 2 3 提高宽角度反射构造方案5 5 4 3基于g a n 基发光二极管的微结构微元设计5 8 4 3 1微结构微元、微透镜阵列和光子晶体等之间的联系和区别5 8 4 3 2 微结构微元的实现5 8 4 3 3 微结构提高光取出效率的理论分析5 9 4 3 4 几种微结构的模拟和讨论5 9 第五章结束语6 3 5 1总结本文工作6 3 5 2不足和展望6 4 参考文献6 5 v 目录 附录l ：传输矩阵法部分代码( m a t l a b 源代码) 7 0 附录2 ：蒙特卡洛模拟中部分代码( c + + 源代码) 7 0 附录3 ：a s a p 中建模部分代码( a s a p 命令代码) 7 5 致谢7 9 攻读硕士学位期间的研究成果8 0 111lilil叫叫i 第一章绪论 1 1课题研究背景与意义 第一章绪论 对社会进步和人类世界的可持续发展而言，能源和环境问题是个永恒的话 题。随着全球不可再生资源的不断减少，随着温室效应的不断加剧，节能减排成 为了十分迫切的要求。以能源和环境为背景的研究课题受到世界各国政府和科学 家的高度重视。我国要在2 0 2 0 年实现减少4 0 - 4 5 的温室气体排量【l 】，一个关键点 就是必须降低对火力发电的依赖。在应对能源危机和环境问题上主要有两个方面， 一是开发新兴能源；二是开展节能技术研究。其中，开展节能技术研究成效显著。 据研究表明全球主要能源消耗国中电能消耗占总能源消耗的1 0 5 0 ( 我国是 1 4 1 ) 1 2 - 3 】，而照明用电量是总用电量的2 l 蚶4 】。l e d 已广泛地用于交通信号灯、 大屏幕显示和光通信等领域。二十世纪末，以氮化物为代表的宽禁带半导体材料 体系获得了重大突破，人们成功地在氮化镓基材料体系上制作出了绿色、蓝色和 紫色的l e d 。这是一个l e d 历史性的突破，蓝紫光l e d 的出现使l e d 发出的光波长 向短波方向前进很多，至此l e d 发射光谱覆盖了整个可见光光谱区睁7 1 。l e d 成为 三基色完备的发光体系后，其实际应用及产业化得到了迅速扩展。在各国政府和 市场的大力引导下，l e d 目前正处于由信息指示和通信领域转向普通照明领域的 关键阶段。l e d 是半导体固体照明的核心【8 】，作为高效新型的固体光源，它真正地 点燃了“绿色照明”的火炬，被认为是当前最具发展前景的高新技术研究课题1 6 j 。 l e d 之所以能够得到人们特别是从事节能环保研究领域人士的普遍关注，在照明 领域具有史无前例的发展潜力，是因为同传统的光源相比，它具有很多独特的地 方【6 - 7 9 - 1 1 1 。 ( 1 ) 效率高：按光度学对光效的定义，l e d 的发光效率还不太高，但其潜力巨大， 因没有热损耗和斯托克斯位移，光谱利用率高达8 0 9 0 ，而光效相同的白炽灯可 见光仅占10 2 0 。当前白炽灯的光效在1 2 2 4l m w ，荧光灯的光效为5 0 7 0i m w ， 钠灯的光效是9 0 1 4 0l m w ，它们耗电的大部分变成了热量损耗。现在商品化的 l e d 光效在5 0 1 0 0l m w 左右，而在实验室可以达到2 0 8l m w 。目前，世界上有 一定技术基础的国家都在加紧进行提高l e d 光效的研究，按现在速度发展，预测 到2 0 1 5 年，w l e d 的光效可以达到9 0 1 5 0l m w ，将超过所有其它照明光源的光 电子科技大学硕士学位论文 效。 ( 2 ) 光线质量高：红外光和紫外光虽然不被人们的眼睛所感觉，但它们对眼睛还是 有作用的，过量的红外和紫外光会损害眼睛。只要选择合适的材料，单色发光二 极管光谱中没有紫外线和红外线，产生热量低，没有辐射，从电磁辐射，光污染 角度看，l e d 属于典型的绿色照明光源。 ( 3 ) 光色纯、光束集中( 方向性强) ：与宽光谱白炽灯不同，单色l e d 光谱窄，光 线的光色纯度高。高品质l e d 为分立的光谱组合，各色谱线较窄，有多样化的色 调选择，并且单颗光源发光集中，发散角较小，能有效地控制眩光，从而简化灯 具结构容易配光，节省设计和制造成本。 ( 4 ) 能耗小、启动速度快：通过集群方式能够量体裁衣地满足各种不同需要，因而 浪费很少。其启动电压低、启动速度快，驱动方式容易实现，便于集成化，利于 便携式和机车照明。 ( 5 ) 寿命长：目前l e d 的光通量衰减到7 0 的标称寿命能达到5 万小时或者更高， 其寿命是传统光源的l o 倍以上。固体冷光源，环氧树脂封装，抗震性强，灯体内 没有玻壳等容易损坏的部件，不存在像普通灯丝高温下易烧等缺点。因此，在工 程中能减少维护成本。 ( 6 ) 绿色环保安全：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有易挥发有毒物质的 汞，它们在发光过程或者废弃后对人体的健康和环境都可能造成危害。而l e d 采 用冷光源，载流子复合辐射发光，不含汞元素，可以安全触摸，使用中不会产生 有害物质，废弃物可回收利用，从固体污染角度看它还是典型的绿色照明光源。 但l e d 占领照明市场还存在着一些问题，如成本高、发光效率不高等问题。 这些问题严重阻碍了其发展。研究高亮度、稳定性好、价格便宜的l e d 是其广泛 应用于照明领域的基础。目前，l e d 光源技术研究中还存在的主要技术问题是发 光效率不高，其中主要原因是光取出效率较低。因此通过一些方法和途径来增加 l e d 的光取出效率成为国内外的研究热点。 1 2半导体发光二极管发展过程 二十世纪初，电致发光现象第一次被h e n r yj o s e p hr o u n d 在一块碳化硅里观察 到1 2 1 ，19 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 发表报告称发现硫化锌粉末发光，随着理论研究的 不断完善，随着人们认识的提高和研究中广泛应用，慢慢地出现了“电致发光 这个词语。第一只具有实际意义的l e d 是在二十世纪五十年代科学家在电致发光 2 第一章绪论 实验中采用砷化稼材料发明的，这是个有标志意义研究成果。该研究促使l e d 迅速成长并于六十年代投向市场，虽然第一款商用l e d 发出的仅是不可见的红外 光，但是很快地在感应与光电领域得到应用。到二十世纪六十年代初，美国通用 电气公司的h o l o n y a k 博士采用气相外延生长出磷砷化镓，成功地制作出第一批可 见红光的l e d h j 。随着对砷化嫁材料体系的深入研究，人们又研制出光效更高、 亮度更强的红光l e d ，甚至产生出橙色的光( 最成熟的材料是磷砷化嫁，发光波长 在6 5 0n m ，发光效率约o 1 l 删w ) 。1 9 6 8 年孟山都和h p 公司分别生产出商品化的 g a a s p g a a sl e d 器件，在后来的十多年里这种产品一直占据着市场主导地位。在 七十年代中期，铟元素和氮元素被引入到砷化嫁材料体系，接着发光波长为5 5 5n m 的绿光l e d 和发光波长为5 9 0n m 的黄光l e d 诞生，光效达到ll m w 。二十世纪 八十年代初开始，科学家又将铝元素引入到砷化稼材料体系，随之研制出第一代 高亮度的l e d ，红色l e d 光效达到1 0l m w ，接着是黄色、绿色高亮度l e d 。后 来的十多年里，采用铟铝磷化稼材料科学家已能研制出了高亮度的红光、黄光和 绿光l e d 1 4 】。h p 和东芝公司采用m o c v d 技术生产出的i n g a a l p 四元系l e d 器 件，由于发光效率高，颜色范围宽，受到广泛重视，在c r a f o r d 等人成功开发透明 衬底技术后，发光效率可以达到3 0 l m w 。遗憾的是在很长的一段时间内都无法研 制出发射蓝光的l e d 。氮化镓( g a n ) 材料体系是蓝光l e d 的基础，最主要的技 术难题就是很难找到与氮化稼晶格常数匹配良好的衬底；而且p 型g a n 生长也不 容易等。第一只有历史意义的蓝光l e d 在1 9 9 3 年出现，当时同亚公司宣布，中 村修二博士采用双气流m o c v d 技术，解决p 型i n g a n 材料的退火工艺后，在蓝 宝石为衬底上成功研制出了超高亮度的蓝光l e d 器件【l5 1 。这一成果奠定了氮化物 材料体系今天在白光l e d 中的核心地位。后来，c r c e 公司开发出以s i c 作衬底的 i i l g a n s i c 结构蓝绿光l e d 器件。1 9 9 7 年日亚公司开发出紫外l e d ，1 9 9 9 年蓝紫 色l e d 样品开始商品化，2 0 0 1 年日亚公司开始提供蓝光l e d 芯片为基本光源覆 盖y a g 荧光粉的白光l e d 。进入二十一世纪后，材料科学和生产工艺突飞猛进， l e d 光效和寿命方面不断地提高。其理论光效能达到或有可能突破3 5 0l m w 。 1 3世界各国半导体照明计划和研究方向 随着节能、环保等国家绿色工程的推动，普通照明市场中对高亮度l e d 器件 特别是g a n 基蓝紫光l e d 器件的需求是巨大的【1 6 1 。日本、美国、欧盟、韩国等从 上世纪末到本世纪初接连推出了各自的国家半导体照明计划，并投入了大量人力 - 3 电子科技大学硕士学位论文 物力进行研射6 1 。 早在1 9 9 8 年，日本就率先开始实施半导体照明计划。由日本经贸产业部( 通 产省) 提供资助，日本金属研发中心和新能源产业技术综合开发机构具体实施的 一个国家计划一“2 1 世纪照明计划”。这项计划有4 所大学、1 3 家公司和一个协会 参与合作完成，一期目标是要在2 0 0 5 年制造出能够代替白炽灯和荧光灯的第一代 普通照明l e d 光源，使l e d 照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，以此减少 c 0 2 的产生，这个计划已经基本完成。二期计划中，日本已于2 0 0 6 年完成了用白光 l e d 照明替代5 0 的传统光源。目前，正是其二期计划的最后一年，他们预期是在 2 0 1 0 年之后发光效率提高到1 2 0l m w 的目标，并预计到今年白色l e d 在照明市场 达到1 3 的普及率。除了能够节约大量能源外，日本积极地实施“2 1 世纪照明计划” 还有两个重要原因，一是为了保持以日亚化学工业公司为首的日本半导体照明技 术在全球的领先地位，二是为了实现1 9 9 7 年1 2 月全球气候变化纲要公约缔约国第 三回会议( c o p 3 ) 中减少c 0 2 排放的约定。从目前情况来看日本半导体照明技术 已经成熟，日本政府扶持l e d 产业发展的重心从一期的培养技术成长为主转向二 期的建构与培养需求市场。在当前的二期计划中，日本扩大半导体照明市场主要 采取两种方式：协助l e d 标准设立、税收激励l e d 使用【6 1 7 】。 在美国“半导体照明技术蓝图 的基础上，2 0 0 1 年7 月美国能源部又启动了 下一代照明计划( n g l i ) 。这项计划目标是要联合美国产业界、学术界和国家重点 实验室，加快半导体照明技术的开发与应用。美国实施该计划的目的是使其在未 来4 0 0 亿美元的全球照明市场竞争中保持他们的领先优势。根据有关法案规定， 从2 0 0 3 2 0 1 1 年，美国每年提供5 0 0 0 万美元来支持实施n g l i 计划。美国能源部 预计，到2 0 1 0 年l e d 灯将替代5 5 的白炽灯和荧光灯，每年可节约电能3 5 0 亿 美元。从2 0 0 2 年起n g l i 发展规划共分为3 个阶段，前2 个阶段分别为5 年，而 第3 个阶段长达8 年。他们定位发光效率的指标分别是2 0 0 2 年2 0l m w 、2 0 0 2 2 0 0 7 年7 5l m w 、2 0 0 7 2 0 1 2 年1 5 0l m w 和2 0 1 2 2 0 2 0 年2 0 0l m w 。之后，美国又制 定了通用固态照明计划s s l ( s o l i d s t a t e - l i g h t i n g ) ，该计划确定了2 个研究方向， 即两种固态光源，无机l e d 和有机l e d ( o l e d ) 。按计划时间表，美国在2 0 0 2 2 0 2 0 年期间，将节约电能7 6 0g w ，减少2 5 8 亿吨煤炭污染物排放，少建1 3 3 座新的电 站，节约财政开支累计l1 5 0 亿美元，形成一个年产值超出5 0 0 亿美元的固态光源 产业，增加数以百万计的工作岗位【l 引。 2 0 0 0 年7 月，欧盟设立了执行研究总署( e c c r ) 实旅彩虹计划( r a i n b o wp r o j e c t b r i n g sc o l o rt ol e d s ) ，通过欧盟的b r i t e e u r a m 3p r o g r a m 支持推广白光l e d 4 第一章绪论 的应用。该计划有6 个大公司和2 个大学参与执行。彩虹计划的主要内容是发展 氮化镓基设备及相关的制造业，主要集中在适合使用g a nl e d 的感光材料。2 0 0 3 年7 月彩虹计划结束，彩虹计划历时4 2 个月，推动了两个重要的市场增长：一是 高亮度户外照明；二是高密度光碟存储。虽然欧盟在制定和实施各项计划方面比 独立的国家要困难一些，但欧盟在节能、环保方面步调一致，不断出现法律法规 推动半导体照明技术的发展。2 0 0 9 年4 月，欧盟委员会在布鲁塞尔通过一项法规， 规定供家庭、工业部门和公共场所使用的白炽灯和其他高耗能照明设备在2 0 0 9 年 至2 0 1 2 年逐步从市场上淘汰，并对卤素灯和紧凑型荧光灯、l e d 照明灯等照明设 备做了能耗、功能、美观、卫生等方面的要求。 韩国从2 0 0 0 年n 2 0 0 8 年实施了“g a n 半导体开发计划 ，由政府投资4 7 2 亿美 元，企业投入7 3 3 6 亿美元。研究的项目包括以g a n 为研究材料的白光l e d ，蓝绿 光激光二极管和高功率电子组件三个领域。 据报道【1 9 1 ，我国照明用电量占总用电量的1 2 ，我国2 0 0 8 年照明用电量高达 4 1 0 0 亿千瓦时，是英国全年的用电量。中国工程院院士陈良惠预计2 0 1 0 年我国总 用电量将达到2 7 万亿千瓦时，照明用电量超过3 0 0 0 亿千瓦时。在相同亮度下，半 导体灯用电量仅占白炽灯的1 1 0 ，只要半导体灯取代1 3 的白炽灯，每年可节省用 电近1 0 0 0 亿千瓦时，相当于三峡工程的年发电量【2 0 】。因此，半导体照明市场活力 巨大。我国自“八五 期间开始关注l e d ，2 0 0 3 年启动半导体照明工程。通过“十 一五”8 6 3 重大项目的实施，在l e d 夕i - 延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方 面我国均显现出自主知识产权的单元技术，基本形成从上游材料、中游芯片制备、 下游器件封装和集成应用的较完整的研发体系与产业链，为我国l e d 产业的发展 壮大奠定了基础。我国企业在芯片产业化线上目前完成的功率型芯片封装后光效 超过9 0l m w 。具有自主知识产权的硅衬底功率型l e d 芯片在封装后光效达至1 7 8 l m w ，国际也处于先进水平。截止2 0 0 8 年底，国产化芯片达到4 9 。预计2 0 1 5 年 国产化芯片有可能达至1 7 0 2 1 j 。2 0 0 3 2 0 0 7 年h b l e d 芯片市场在我国年均保持将 近2 5 0 的增长速度，2 0 0 7 年市场规模就突破2 0 亿元【6 】。现在全国从事半导体l e d 器件及照明系统生产的企业多达4 0 0 多家，占据国际市场上很大的份额。我国是照 明电器生产与出口大国，不仅拥有庞大的照明产业还是巨大照明市场。根据中国 照明协会统计，2 0 0 9 年销售收入4 4 5 亿元，出口创汇4 3 亿美元【2 0 】。但是，我国照明 工业体系仍然大而不强，主要还做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力睇。 目前很多公司和研究机构都在基于l e d 应用于照明领域，投入了大量人力物 力到材料器件研制、光学结构设计、封装材料、电子线路、灯具开发、照明效果 一5 电子科技大学硕士学位论文 与视觉匹配等多学科交叉的高新科技领域，这些领域主要包含四个方向：l e d 光 源技术、l e d 驱动电路技术、l e d 配光技术和l e d 散热技术。 l e d 光源技术：目前，l e d 的发展就像计算机技术发展一样，遵守摩尔定律， 它的亮度每隔1 8 个月就提高一倍【2 2 1 。l e d 光源技术是半导体照明的核心技术，也 是半导体照明的支柱。l e d 光源技术主要依靠材料和工艺，当前的关键是提高效 率，降低成本。l e d 光源技术在产业化中分为了上中下游。上游有外延片生长， 成品是单晶片、磊晶片；中游是金属蒸镀、光罩刻蚀、热处理( p 、n 电极制作) 、 切割和崩裂，成品是晶粒；下游主要是晶粒粘贴、打线、树脂封装形成单晶管。 l e d 驱动电路技术：单颗l e d 目前还不能满足一般的照明要求，采用组合的形 式做成的l e d 灯具各种各样，其驱动电压各有不同。基本电源一般都不能直接用 于l e d 灯具的驱动。简单的l e d 灯具可以采用低压驱动，用干电池或者镍铬镍氢 电池作为电源升压后驱动l e d ，如l e d 手电筒、l e d 应急灯、节能台灯等。供电电 压高于驱动电压，称作高电压驱动，驱动电路主要就是降压，变换器的最佳电路 结构是串联开关降压电路【9 j 。未来需求最大，最为广泛的可能是市电驱动。另外， l e d 驱动按供电类型还可以将其分成d c d c 和a c d c 两类，按l e d 的连接方式， 又可以分为串联驱动和并联驱动。无论采用何种驱动电路，对于l e d 照明而言归 根到底只有恒压和恒流的区别。对于采用横流还是恒压，茅于海教授在其博客中 从l e d 原理分析了是用恒流供电还是恒压供电【2 3 1 。总之，l e d 驱动电路的基本功 能应保持较低的自身功耗，这样才能使其系统效率保持在较高的水平。 l e d 配光技术：l e d 与其它光源不同，一般单颗l e d 还不能满足普通照明需求， 就是单颗l e d 其输出光型也不能满足需要。l e d 配光也就是为了满足特殊的照明需 求，对l e d 或者l e d 灯组进行光型整形、组合等光学设计。一般l e d 配光又归于二 次光学设计( 区别于芯片封装时的光束整形) ，其涉及的配光器件有聚光和反射两 类。配光主要要解决两个问题，一是如何最大化地传递能量，二是如何满足所需 的照度分布，也就是要做到光能的收集和光能的分配。 l e d 散热技术：虽然l e d 产生热量与其它光源产生热量在量和原理上不同，但 实际上l e d 特别是大功率l e d 有多种产生热量的来源。热量的产生原因及其后果将 在下一章l e d 原理后分析。用于照明的l e d 和l e d 灯具的散热技术主要集中在l e d 的封装和灯具的散热结构上。目前散热封装上具体做法有降低封装的热阻抗、改 用矽质封装材料与陶瓷材料、散热片散热和风冷等方法。实际上，从根本上提高 发光效率，关键是提高光取出效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举。 6 第一章绪论 1 4本文的主要研究内容 光取出效率是影响l e d 性能的最重要因素之一，也是目前l e d 应用于照明领域 面临的主要困难。因此对l e d 光取出进行深入的研究显得十分必要。l e d 器件中发 光和出光是一个十分复杂的过程，很难通过传统方法研究。随着计算机软硬件技 术的不断发展，庞大的计算分析可以由计算机来完成，甚至可以模拟大量光线在 l e d 的传播，进而对l e d 芯片和封装等附件的形状以及参数等优化。以l e d 的光取 出问题为主线，本文主要做了以下工作： ( 1 ) 根据l e d 原理和结构特性，详细讨论l e d 光取出问题，分析其解决方案，介绍 l e d 光取出理论分析方法和工具。 ( 2 ) 重点研究用于l e d 光取出计算机模拟的方法。对基于蒙特卡洛的l e d 计算机模 拟方法进行了改进，并运用v c 编写了l e d 光取出的模拟程序。用此方法模拟验证 了所编写程序方案的可行性和优点。 ( 3 ) 在v c + + 环境下模拟计算高折射率涂装材料、新型结构以及多层封装等对光取 出效率的影响。 ( 4 ) 研究分布布拉格反射镜用于基于g a n 基l e d 提高光取出效率的困难与设计方 法。并运用m a t l a b 设计计算用于g a n 基l e d 复合分布布拉格反射镜。 ( 5 ) 研究微结构微元、微透镜阵列、表面粗化等方法提高l e d 光取出效率的情况， 并运用软件模拟计算出规则微元即光子晶体提高l e d 光取出效率相应的最佳结构 参数。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章半导体发光二极管光学结构设计理论基础 2 1与l e d 照明相关的光度学量 照明活动的主体参与者是人，所以照明效果依赖于人类视觉的性质，视觉性 质决定了对照明的量与质的要求。终究其效果要由人眼来评价，因此照明光源的 光学特性的描述需要用到基于人眼视觉的光度量参数【5 2 4 - 2 6 。下面做简单的介绍： 2 1 1 光通量。 光度学中，光通量定义为能够被人的视觉系统所感知到的那部分光辐射功率 的大小的量度。以。表示，单位为l m ( 流明) 。 ，= 6 8 3 ( 1 m w ) xi 以以名) d 2 ( 2 1 ) 其中“为光辐射功率的光谱密集度( 光谱功率分布s ( 五) ) ，即在单位波长间隔 内实际光功率( 以w 为单位) 是多少；v ( 名) 为视见函数( 视觉灵敏度函数或者光谱 光视效