GaN基倒装焊LED芯片的光提取效率模拟与分析

GaN基倒装焊LED芯片的光提取效率模拟与分析钟广明;杜晓晴;田健【摘要】AccordingtoMonte-Carloraytracingmethod,thispapersimulatedtheGaN-basedflip-chipLEDlightextractionefficiency(LEE),comparedthedifferencesbetweenthestatusofsapphirewithsubstrateandwithoutit,withonesiderougheninganddoublesidesroughening,withandwithoutbufferlayer,andmadefurtherselectionandoptimizationaboutthestructureandthesizeofsurfaceroughingunit.TheresultsshowedthatboththethickersubstrateandintroductionofA1NbufferlayerwerefavorablefortheincreaseofLEE,theLEEforthechipwithdoublesurfacesroughenedsapphiresubstratewassignificantlybetterthantheonewithsinglesurfaceroughenedsapphiresubstrate,thestructureandsizeofthesurfaceroughingunithavegreatinfluencesontheLEE,theLEEwasrelativelyhigherwhenthesizeofmicroroughenedstructurewascomparabletoitsone-to-onedistance.%采用蒙特卡罗光线追踪方法，模拟GaN基倒装LED芯片的光提取效率,比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层下LED光提取效率的变化，并对粗化微元结构和尺寸作了进一步选取与优化•研究结果表明:采用较厚的蓝宝石衬底和引入AIN缓冲层均有利于LED光提取效率的提高；蓝宝石衬底双面粗化对提高光提取效率的效果要明显好于单面粗化；表面粗化的结构和尺寸对光提取效率有较大影响,当微元特征尺寸与微元间距相当时,光提取效率较高.期刊名称】《发光学报》年(卷),期】2011(032)008【总页数】6页(P773-778)【关键词】GaN基倒装LED；光提取效率;光线追踪;双面粗化；AIN缓冲层【作者】钟广明;杜晓晴;田健【作者单位】重庆大学光电T程学院，重庆400044;重庆大学光电技术与系统教育部重点实验室，重庆400044;重庆大学光电T程学院，重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TN312.81引言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［1-3］。目前，可应用到实践中的GaN基白光LED(蓝光+荧光粉)的发光效率达到了100lm/W以上，但与理论效率(250lm/W)还有较大的差距。近些年LED单位光量(1Im)的单价虽持续下跌，但在照明设备用途方面，白光LED与现有荧光灯和白炽灯单位光量的单价还相差10倍以上。为了压缩白色LED单位光量的单价差，必须进一步提高发光效率［4-6］。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，内量子效率已经达到99%左右［7］。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，LED的光提取效率仍然有很大提升空间。采用倒装(Flip-chip)LED结构，可以避免电极对光线的吸收，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。有源区产生的光在出射过程中从最上层的光密介质GaN(折射率ns=2.4)入射到光疏介质空气(nO=1)中，两种介质的折射率相差较大，全反射的临界角约为24.5°，因此会使得出射光有很大一部分在界面处发生全反射现象而不能发射出去。对于一个典型的扁平半导体LED，因光提取效率的限制，仅有大约4%的光可以出射，96%的光反射回LED内部，最终被吸收损耗掉［8］。在LED芯片设计中，目前已经有很多方法用于降低出射界面的全反射损失，以提高光提取效率，如光子晶体［9］、衬底图形化［10］以及表面粗化［10］等。实验证明，衬底图形化和表面粗化是两种最为简单有效的方法，但在结构设计与优化上还没有进行过较为深入的分析和讨论。本文采用蒙特卡罗光线追踪方法，模拟GaN基倒装LED芯片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层的LED光提取效率及光场分布，并对粗化微元结构和尺寸作了进一步选取与优化，其模拟与设计结果对提高GaN基倒装LED芯片的光提取效率具有一定的指导意义和参考价值。2LED芯片结构模型与模拟方法模拟的LED芯片结构如图1所示，从上至下依次为蓝宝石衬底、AIN缓冲层、n-GaN层和p-GaN层。其中蓝宝石衬底在外延生长面(Growthlayer)和出光面(Lightexitlayer)均可做粗化处理，n-GaN层和p-GaN层之间的多量子阱层起到发光作用，且厚度极薄(几十纳米)，可以将之假设是一个没有厚度的发光面。为使多量子阱层MQWs发射的光大部分能从蓝宝石背面出射，采用p-GaN反射面沉积Ag层的倒装焊结构，它能起到镜面反射作用，将多量子阱内产生射向p型GaN层的光有效地反射回去，使其能够从蓝宝石的表面出射。图1芯片的模型结构Fig.1Theschematicstructureofthechipmodel根据芯片的结构模型，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，使模型可以准确地反映器件实际情况。有源区(Activelayer)的发光面定义成两个背向发射的面光源，每个面光源的光输出立体角为2n,其输出光功率为0.5W。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。发射光为单色光，即入(波长)为一定值。因电极槽的尺寸相对较小，所以将其影响忽略。p型GaN材料和n型GaN材料的折射率、光吸收系数相差很小，所以在仿真波长为0.461pm的条件下将蓝宝石、缓冲层AIN、GaN材料的折射率分别定义为1.78，2.10，2.47［11］。蓝宝石的光吸收系数定义为10－6/mm,AIN的禁带宽度极大(>6.2eV@300K)，对可见光几乎不吸收，所以将其光吸收系数定义为10-10/mm。将Ag反射层(Reflectivelayer)定义为理想化的镜面，入射在上面的光全部被反射。本文选用蒙特卡罗方法对LED出光进行模拟。蒙特卡罗方法(MonteCarloMethod)也称统计模拟方法［12］,利用这种方法对随机并且均匀分布于4n立体角的光子传播路径进行追踪，统计逃逸出LED芯片光子数目占自发发射光子总数的比例即可得到光抽出效率，即在光子追踪［13］中，把组成物体的物点看作是几何点，光子的方向代表光的传播方向。光子的传播遵循三条基本定律:光的直线传播定律，即光在均匀媒质中沿直线方向传播;光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播;当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量分别由反射定律和折射定律决定。作为以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法，蒙特卡罗方法可对大数量光子行为进行较好模拟，得出的结果与实际较为吻合。3模拟结果与分析蓝宝石衬底剥离前后的光提取效率通过改变蓝宝石衬底厚度，模拟蓝宝石被完全剥离（厚度为0）以及不同蓝宝石衬底厚度下的LED光提取效率的影响，结果如图2所示。从图2看到，在衬底厚度为零时，光提取效率小于22%，衬底不剥离时，光的提取效率随衬底厚度的增加而不断的增加。图2光提取效率随衬底厚度的变化Fig.2Thevariationoflightextractionefficiencywiththethicknessofthesubstrate由于GaN的折射率大于蓝宝石的折射率，相对于蓝宝石衬底未剥离的情况，当把衬底完全剥离时，会有更多的光在GaN与空气的界面上发生全反射，这样导致光的提取效率较低。对于扁平LED结构，出射光强与角度遵循朗伯（Lambertian）分布［13］:式中Ps为光源的功率，r为足距光源的距离，其发光模式如图3所示［12］。入射角为0°时，归一化光强为1;入射角为60°时，光强减小为0°时的50%。所以，衬底厚度较薄时，绝大部分光从出光面出射，从侧面出射的光很少;当衬底厚度增大时，在出光面出射光接近不变的基础上，从侧面出射的光增多，进而使总的出射光强增大。所以芯片的光抽取效率随蓝宝石衬底厚度的增加也逐渐增加。图3光强的归一化分布Fig.3Thelightintensitydistributionafternormalization缓冲层对光提取效率的影响在衬底厚度为0.15mm的条件下，改变缓冲层AIN的厚度，模拟无缓冲层（厚度为0）以及不同缓冲层厚度对LED光提取效率的影响，结果如图4所示。从图4可以观察的到，相对于无缓冲层，有缓冲层的芯片的光抽取效率大于无缓冲层芯片的光抽取效率，缓冲层明显能提高光的提取效率，但缓冲层厚度的变化对光抽取效率的影响甚微。图4光提取效率随缓冲层厚度的变化Fig.4Thevariationoflightextractionefficiencywiththethicknessofthebufferlayer当无缓冲层时，从折射率为=2.47的GaN半导体层入射到折射率为的蓝宝石层，其全反射角为。；而从折射率为二2.47的GaN半导体层入射到折射率为4.1的蓝宝石层，其全反射角为54.7。。所以，有缓冲层的芯片从GaN层出射的光较多，缓冲层在工艺中起到缓解晶格失配，在光传播过程中也能能起到折射率缓冲层的作用，避免相对一部分光在不同材料层间发生全反射，进而从蓝宝石表面统计到的出射光的强度更大一些。蓝宝石单面粗化和双面粗化对光提取效率的影响在衬底厚度为0.15mm、缓冲层厚度为4pm的条件下，采用圆台微结构先后对蓝宝石衬底出光面与外延生长面进行单面和双面粗化，模拟了不同粗化面对LED光提取效率的影响，包括不做粗化(Noroughening)、生长层粗化(Growthlayerroughening)、出光层粗化(Lightexitlayerroughening)和双面粗化(Duallayerroughening)等几种方式，结果如图5所示。从仿真结果可以看到，衬底粗化可显著提高光抽取效率。相比于未做粗化的情况，在衬底厚度为0.05mm的条件下，蓝宝石出光面粗化、生长面粗化以及两面粗化可以将光抽取效率分别提高43%，83%，223%；衬底双面粗化效果明显好于单面粗化，光抽取效率可以达到50%以上。从模拟结果进一步看到，在只对蓝宝石出光面粗化下，光抽取效率与衬底厚度具有明显的依赖关系，随着衬底厚度的增加而增加。图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对出射光具有强烈的散射作用，增加了光的随机出射，通过多次反射降低了出射光在出射界面的全反射损耗，从而使光抽取效率增大［14-16］。与单面粗化相比，双面粗化使光在不同介质交界面发生更多的折射和反射，光出射的角度更大，出射几率和光抽取效率随之提高。粗化结构与尺寸的选择为了进一步通过粗化提高光提取效率，需要对粗化微元结构和尺寸进行优化。常见的粗化微元结构类型包括圆台(Roundtable)、半球形(Hemisphere)和四棱锥(Rectangularpyramid)，如图6所示。图6粗化微元结构的几种类型Fig.6Thebasicrougheningmicrostructures模拟中，分别改变上述三种微元结构的特征尺寸(深宽比不变)，使之在0.05~2pm变化，微元间距保持不变(1pm),得到LED光提取效率与粗化微元尺寸关系，如图7所示。模拟中，选取衬底厚度为0.15mm，缓冲层厚度为4pm。由仿真结果看到，以圆台和半球为粗化微元结构的芯片的光提取效率大于以四棱锥为粗化微元结构的芯片的光抽取效率。在0.05~1pm范围内，芯片的光提取率随粗化微元尺寸的增大而明显增大;粗化微元尺寸为1-1.5pm时，增幅趋缓;而当粗化微元尺寸继续增大时，抽取效率有下降的趋势。图7光抽取效率随粗化微元尺的变化Fig.7Thevariationoflightextractionefficiencywiththesizeofthemicrostructure微元的尺寸较小时，它相对于微元间距(1pm)较小，产生的粗糙面的粗糙度相对较小，不利于光的散射，微元改变光方向的效果不佳，光出射的随机性较小，出射的光也相对较少。随着粗化微元尺寸的增大，出光面的粗糙度增加，光出射的随机性增加，能出射的光增多。当尺寸继续增大时，光提取效率反而略有下降。这是因为粗化时，最理想的尺寸应该与光在GaN中的波长相比拟，当微元尺寸远大于光波长时，微元等效平面部分太大，将有更多光在微元处发生全反射，同样不利于光的出射。因此，表面粗化的结构和尺寸对光提取效率有较大影响，当微元特征尺寸与微元间距相当时，光提取效率较高。4结论较厚的蓝宝石衬底和AIN缓冲层有利于LED光提取效率的提高。蓝宝石衬底双面粗化对提高光提取效率的效果要明显好于单面粗化，相对于传统的LED芯片，双面粗化的光提取效率最高可达到53%，光提取效率提高了223%。通过对结果比较发现，表面粗化的结构和尺寸对光提取效率有较大影响，当微元特征尺寸与微元间距相当时，光提取效率较高。利用上述的仿真模型及数据有望加工出光抽取效率更高的芯片，这对在效率提高方面正遭遇瓶颈的LED产业有一定的参考意义。参考文献:TianChuanjun，Zhangxiyan，ZouJun，etaI.TemperatureeffectonthephotoeIectricparameterofhigh-powerLEDiIIuminationsystem[J].Chin.J.Lumin.(发光学报),2010,31(1):96-100(inChinese).YangGuanghua，MaoIuhong，HuangChunhong，etaI.DesignandanaIysisofaforkedn-weIIandp-subjunctionSiLEDonstandardCMOStechnology[J].Chin.J.Lumin.(发光学报),2010,31(1):369-372(inChinese).ZhuJiyi，RenJianwei，LiBaoyong，etaI.SynthesisofspectraIdistributionforLED-basedsourcewithtunablespectra[J].Chin.J.Lumin.(发光学报),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(光电子•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.