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倒装LED汽车大灯芯片PSS图形优化设计与应用

发布时间:2019-10-18

浏览次数:368

  一、引言

  随着LED技术的进步与成本的不断下降,LED正逐渐占领照明市场。相对于传统的汽车照明系统,LED汽车大灯光源色温更高,更接近于太阳光,能够为汽车夜间行驶提供良好的照明条件。目前LED汽车大灯普遍采用分立元器件板上芯片封装即COB(Chip on Board)技术制成,系统体积大;同时COB中的单颗LED芯片通过金线互联,金属打线容易断裂;封装所用硅胶的透水、透气性会引起引线焊盘腐蚀,导致LED汽车大灯失效概率大大增加。因此系统集成高功率LED单晶片成为当前国际上最具研究价值的方向。

  系统集成LED单晶片与普通LED芯片的显著差别在于芯片的面积,单晶片面积比普通LED芯片大几十倍。如图1所示,普通LED芯片的尺寸一般在1mm以下,芯片内部全反射光有一部分可以从芯片的侧面出射,而系统集成LED芯片边长达到5mm以上,从芯片侧面出光的占比几乎可以忽略,芯片内部全反射光大部分都被芯片吸收转换为热能,导致出光效率大大降低。解决此问题的一个重要途径就是在LED芯片出光表面做微纳几何结构。本文中采用倒装芯片结构,光由蓝宝石衬底端出射,通过FDTD软件模拟,研究出光表面结构(包括:形状、尺寸等参数)对出光效率的影响,寻找出优化的出光结构。

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图1、普通芯片出光光路图

  二、研究方法与结构设计

  本文采用时域有限差分(FDTD)算法进行数值模拟。FDTD算法基于麦克斯韦方程组,对空间领域内的电场和磁场进行交替计算,通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化,达到数值计算的目的。

  本文设计结构为倒装LED单晶片,如图2所示,从上至下为蓝宝石衬底,本征GaN缓冲层,N型GaN层,量子阱(MQW)层,P型GaN层,高反射电极和倒装基底。光在MQW层产生,一部分直接从蓝宝石衬底端出射,另一部分光经过高反射电极反射回GaN层,最终由蓝宝石衬底端出射。目前图形化蓝宝石衬底PSS层被普遍应用于衬底结构,即在蓝宝石衬底与U-GaN界面引入周期性微纳结构,有利于减少半导体与蓝宝石的晶格失配造成的缺陷,提高量子效率[1-3],同时在光学上改善出光面的出光效果。我们设计了不同形状和参数的PSS结构,并优化参数以得到最佳出光率。

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图2、倒装LED结构图

  三、模拟优化与讨论

  建模时设置上表面出射面为理想匹配吸收层(PML),下表面为高反射金属层,由于周期性单元结构尺寸与整个芯片尺寸相差很大,x、y方向可设为周期性。入射光设为平面波,波长为450nm,入射角度从0至80度。PSS层周期3um,排列为三角排列方式,底部直径2.8um,高度1-2um,蓝宝石厚度80um,折射率为1.78。为简化模拟,建模时设定P型和N型GaN折射率相同为2.49。

  图3给出了不同PSS结构出光效率比较。为了得到较好的晶格匹配,模拟计算时PSS周期固定为3um,填充因子(FF)为0.93。图3(a)为三种结构示意图,分别为圆锥、金字塔、蒙古包形。图3(b)比较了正入射(即入射角为0度)下PSS结构为圆锥时不同高度的出射效率对比。高度在0um至2um之间变化,0um对应了平板结构,即无PSS层。从图中可以看出当高度在1.5um附近时出光效果最好,LED光透射率达99.8%,相比平面结构提高约8%。当高度达到1.5um以后,增加圆锥高度对出光效率的影响很小。图3(c)比较了高度为1.5um时不同形状对出射效率的影响,分别为蒙古包形(Parabola cone),金字塔形(Pyramid)圆锥形(Cone)和无PSS平面(Planar)结构,可以看到圆锥形对出光效率的提升效果更为明显。图3(d)为不同角度光源入射时各PSS形状下的透射率比较。从图中能看到,当入射光角度变大时,光的透过率逐渐减小。通过PSS结构的影响,在一定程度上能够缓解大角度入射带来的出射效率下降,且圆锥结构对出光效率的提升效果最为明显。

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图3、不同PSS结构出光效率比较

  四、结论

  本文通过FDTD软件优化,研究了倒装LED汽车大灯芯片蓝宝石出光表面结构对出光效率的影响。通过比较圆锥形、蒙古包形和金字塔形结构的表面出光率可知,在1.5um高度圆锥PSS下,LED出光效率达到最优**值,对我们今后的工艺加工具有一定的指导意义。