限制gan基发光二极管芯片光提取效率的因素分析

限制gan基发光二极管芯片光提取效率的因素分析

1影响因素分析蓝绿光矩阵的优点是积小、效率高、寿命长，适合交通指示和户外显示等领域。尤其是利用GaN基大功率发光二极管(LEDs)可能实现半导体固态照明,引起人类照明史的革命,从而逐渐成为目前光电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的GaN基LEDs,关键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基的外延层材料、蓝宝石衬底材料以及空气之间的折射率差别较大,导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法,主要包括:改变芯片的几何外形,减少光在芯片内部的传播路程,降低光的吸收损耗,如采用倒金字塔结构;控制和改变自发辐射,通常采用谐振腔或光子晶体等结构;采用表面粗糙方法,使光在粗糙的半导体和空气(或其他介质)界面发生散射,增加其透射的机会,T.Fujii利用此方法将GaN基LEDs的光输出功率比未粗糙时提高了1倍左右。此外利用倒装焊(flip-chipbonding)技术,同时通过高反射率的p型电极增加从蓝宝石透射机会,从而进一步提高芯片的光提取效率。然而,目前对限制GaN基LEDs芯片光提取效率的各种因素缺乏系统的研究,这些因素包括电极反射率、封装材料的折射率、GaN材料光吸收系数以及LEDs芯片尺寸。本文利用蒙特卡罗方法对比了通过蓝宝石背面出光和通过p型GaN正面出光对芯片光提取效率的影响,对上述因素对背面出光的光提取效率的影响进行了详细的研究。这些结果对制作高出光效率的GaN基LEDs具有重要的指导意义。2特卡方法的模拟特性基于自发辐射的工作原理,可以认为LED在有源区内某些处产生的光子在2π立体角内均匀分布。目前常用蒙特卡罗方法模拟光子的统计特性,即在有源区某点产生许多个2π立体角内均匀分布的光子,统计最终出射到芯片外面的光子数,其核心为跟踪光子的运动轨迹和决定光子的生存状态。为了简化模型,假设光子在有源区中心处产生,忽略光子在有源区被吸收和再发射的复杂过程,只考虑被材料吸收、在不同折射率界面上被反射或者透射。2.1方向量dz在有源区中心位置ro处产生空间分布均匀的光子,其方向矢量Do的3个分量为Dz=ζ1(3)其中:ζ1为-1到1之间均匀分布的随机数;ζ2是在0到1之间均匀产生的随机数。2.2材料边界运动给定光子的初始位置ro和方向Do,利用射线跟踪方法(raytracingmethod)就能确定光子与芯片边界的碰撞位置r1,从而得到光子的飞行距离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材料光吸收系数。然后产生0到1之间均匀分布的随机数R,如果R≤A1,则光子在这段飞行中被材料吸收,然后重复2.1过程,否则进入2.3过程。2.3反射率r-refl治理当光子碰撞到不同折射率边界上时,只要给定入射角θi和边界两边材料的折射率,就可以根据菲涅耳反射关系得到反射率R-reflect。然后产生0到1之间均匀分布的随机数R,如果R≤R-reflect,则光子被反射,重复2.2的过程,继续在芯片内飞行;反之就被折射出芯片,然后重复2.1的过程。2.4提取效率的算法结构蒙特卡罗方法模拟GaN基LEDs光提取效率的算法结构如图1所示,最终统计产生的总光子数和出射到芯片外的光子数,得到芯片光提取效率的表达式为3结果和讨论3.1电极反射率对提取效率的影响目前,GaN基LEDs的出光方式主要有两种,如图2所示。LEDs采用环氧树脂(n=1.5)封装,底部高反材料对光子只有反射和吸收两种状态,并且假设正面出光时透明电极的透射率为80%。LEDs结构和计算中所采用的参数见表1。背面出光时光在有源区产生后首先从n-GaN出射到蓝宝石中,然后从蓝宝石出射到封装材料中。为方便起见,η1代表从n-GaN到蓝宝石的光提取效率,η2代表从蓝宝石到封装材料的光提取效率,因此背面光提取效率是η1与η2的乘积。而在正面出光的情况下,出射光是由从透明电极出射和从蓝宝石侧面出射组成,η3代表从透明电极出射的光提取效率,η4代表从蓝宝石侧面的光提取效率,因而正面光提取效率是η3与η4的和。图3给出η1、η2、η3和η4随底部材料反射率的变化关系。随着电极反射率增大,各种光提取效率都单调升高。从图可以看出,背面出光时,η1在30%以下,因此,n-GaN与蓝宝石界面严重限制了光提取效率的提高,其原因是GaN与蓝宝石的折射率差别较大。η2高达90%以上,其原因是蓝宝石与封装材料的折射率相差不大。与背面出光相比,η3要比η1小,其原因是正面出光时p-GaN与封装材料的折射率差比背面出光时n-GaN与蓝宝石界的折射率差大。同时,光子从蓝宝石侧面出射需要首先经过n-GaN与蓝宝石的界面,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还要小。图4给出了正面出光与背面出光时总的芯片光提取效率的对比。可见,背面出光时芯片光提取效率是正面出光的1.2倍左右。当电极反射率从0.6变化到0.8时,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过蓝宝石背面出光的GaN基LEDs格局来研究芯片光提取效率。3.2白色芯片提取效率的影响3.2.1芯片光提取效率与co图5是芯片光提取效率与封装材料折射率的关系曲线,底部电极反射率参数为0.5。当折射率从1.0变化到1.8时,由于周围封装材料折射率与蓝宝石折射率的差别逐渐减小使得芯片光提取效率逐步增大;当折射率继续增大超过蓝宝石时,芯片光提取效率略有减小。从图5可以看出,用环氧树脂(n=1.5)封装后的芯片光提取效率是封装前的2.3倍。表2给出了LEDs芯片环氧树脂封装前后的实验数据,封装后的芯片光提取效率比封装前提高了1.8倍左右。实验值比理论计算值小,主要是理论计算中忽略了光子在环氧树脂里的损耗和在空气界面上被反射的影响。3.3.2芯片光提取效率随材料光吸收系数的变化图6是GaN材料光吸收系数及芯片尺寸与芯片光提取效率的关系曲线,底部电极反射率参数为0.6。其中芯片尺寸包括芯片的横向长度和宽度,本文中芯片横向长度和宽度大小相等。当芯片尺寸为1mm、GaN材料光吸收系数从0.001变化为0.010时,芯片光提取效率从30.42%下降为25.38%。这是由于随着GaN材料光吸收系数增大,光子在芯片中被吸收几率增加,导致芯片光提取效率降低。另外当吸收系数不变、芯片尺寸从100μm变化到1mm时,芯片光提取效率逐渐下降。其原因是随着芯片尺寸增加,光子到达芯片边界的路程增多导致被吸收概率变大。并且芯片尺寸大于400μm时,芯片光提取效率变化比较缓慢。表3给出了大、小管芯的蓝宝石上表面和蓝宝石侧面光提取效率的情况。当芯片尺寸从350μm变为1000μm时,蓝宝石侧面光提取效率从16.22%迅速降为8.36%,而蓝宝石上表面光提取效率才增加2.47%。可见,蓝宝石侧面光提取效率随芯片尺寸增加而减小,上表面增加的光提取效率没有侧面下降的快,因而再次验证了总的芯片光提取效率随着尺寸增加而减小。4电极反射率a利用蒙特卡罗方法分析了影响GaN基LEDs芯片光提取效率的各种因素。结果表明,GaN与蓝宝石之间的较大折射率差别严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;当底部电极反射率从