ITO表面微元粗化对GaN基LED光效的改善

孙少娇 ，牛萍娟 ，邢海英

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387；3.天津工业大学半导体照明工程研发中心，天津 300387；4.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387）

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、功耗低、显色指数好、响应速度快等优点，但LED的发光效率低一直是阻碍其发展的主要技术瓶颈[1].目前有很多方法用于提高LED的发光效率，其中表面粗化是最早也是最有效的提高LED发光效率的方法.但是表面粗化的结构相对复杂而且多样化，盲目地进行实际操作会使制造成本耗资巨大.本文利用软件模拟各种粗化方式并计算发光效率的改善效果，一方面使实验成本大大降低，另一方面也会对各种粗化效果有一个统一的认识和比较[2]，其设计与模拟结果对提高GaN基LED的发光效率具有一定的参考价值和指导意义.

1 表面微元粗化改善光效的原理

光由光密介质进入到光疏介质，当光的入射角θ增加到一定值时，入射光会全部被反射回入射介质，这种现象叫做光的全反射.发生全反射时光的入射角θc称为临界角.临界角θc由Snell定律[3]给出:

式中:ne为光疏介质的折射率；ns为光密介质的折射率.

GaN和空气的折射率分别是2.5和1，由定律计算得到从LED活性区产生的光能够传播出去的临界角约为23°.从活性区所发射的光线在到达半导体与周围空气之间的界面时，如果光的入射角大于23°，则光会全部被反射回去，如图1（a）所示.这种全反射不仅大大限制了GaN基LED的发光效率，而且使不能出射的光在LED结区转换为热能，升高了结温，加剧晶格震动，影响内量子效率[4].表面粗化技术的目的就是改变那些满足全反射定律的光的方向，使改变方向的光在下一次入射时有可能小于临界角，继而不被全反射而透过界面，如图1（b）所示.

图1 未粗化和粗化LED表面光线出射对比Fig.1 Comparable results between LED without roughing and roughing

2 ITO表面微元粗化仿真和分析

2.1 LED器件建模

首先，利用Lighttools软件对未封装的GaN基LED进行绘图建模.为了建立更准确的LED模型，在建模之前先对实际LED的结构作一个粗略的统计[5-6]，得出层间比例.统计结果如表1所示.

表1 LED结构统计结果Tab.1 Statistical results of LED structureμm

综合考虑表1统计结果和软件精度的要求，仿照实际LED的层间比例，将LED的尺寸设为0.345 mm×0.345 mm.LED的结构自下而上依次是:反射层，厚度设为0.001 mm；蓝宝石衬底，厚度设为0.01 mm；N-GaN层，厚度设为0.03 mm；多量子阱，厚度设为0.001 mm；P-GaN层，厚度设为0.003mm；ITO层，厚度设为0.004mm.传统LED模型如图2所示.

图2 传统LED模型建模Fig.2 Model of traditional LED

其次，定义各层的材料属性和光学属性.ITO的折射率取2.02，光学属性设为半反射半透射；GaN层的折射率取2.6，考虑到有源层很薄且被有源层吸收的光子有部分会发生二次辐射，所以统一取GaN非本征吸收系数为50，光学属性定义为半反射半透射；由于忽略各向差异，电极和反射层的反射率都取95%.

最后，将多量子阱和N-GaN之间的接触面设为发光面，假设LED光源是朝各个方向均匀辐射的，所以将发光面定义为光通量为1 W的朗伯（Lambertian）光源.

2.2 模拟结果和分析

2.2.1 传统GaN基LED出光效率的模拟

目前，传统LED的发光效率在4%～30%之间.而对于未粗化的LED表面进行光线仿真的结果如图3所示，从光源发出的光为100 lm，出射的光为29.992 lm，可以计算出光的发光效率大约为30%[7].可见，模拟结果与实际值相接近.

图3 传统LED的光线仿真结果Fig.3 Ray trace result of traditional LED

2.2.2 ITO表面不同微元结构LED出光效率的模拟

为了提高光的发光效率，需要对LED表面进行粗化.利用Lighttools软件的Add 3D Texture Zone功能，设计了4种不同结构的微元类型[8]，包括半球状坑、四方体坑、柱状坑和四棱锥坑，如图4所示.在进行粗化时，微元结构最理想的尺寸应该与光在GaN中的波长相比拟.当微元尺寸比光波长小时，不利于光的散射，会降低微元结构改变入射光方向的效果；当微元尺寸比光波长大时，微元等效平面部分就会太大，在微元处将会有更多的光发生全反射，同样也不利于光的出射[9].因此，把微元尺寸设定在0.1 μm和0.2 μm附近时，光提取效率最大.对4种微元结构的LED进行光线追迹和模拟仿真，结果如图5所示.

从模拟结果可以看到，与未粗化的LED相比，半球状坑、四方体坑、柱状坑和四棱锥坑这4种微元结构可以分别将LED的发光效率提高到72.215%、72.496%、72.510%、73.277%，如表2所示.这与实际的粗化操作可以将发光效率提高到70%相符[10].

图4 4种不同微元结构LED模型Fig.4 Models of four LED with different micro-structure

图5 4种微元结构发光效率的光学仿真结果Fig.5 Luminous efficiency simulation results of four micro-stucture

表2 不同粗化微元对LED发光效率的影响Tab.2 Influence of different micro-structure on LED luminous efficiency

3 结 论

通过Lighttools软件得到传统GaN基LED和4种粗化微元LED的发光效率和光场分布.模拟结果显示，相对于传统LED，经表面粗化的LED可以分别将出光效率提高到 72.215%、72.496%、72.510%、73.277%，与实际值在一定误差范围内基本相符.从整个实验可以看出，用Lighttools进行仿真虽然不能得到全部的性能数据，但在局部设计环节中仿真技术可以为设计者提供非常有效的分析平台，使设计人员在研发阶段就可以预知粗化效果，从而降低风险、节约时间和资金.

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[10]姚 雨，靳彩霞，董志江，等.用表面粗化ITO的欧姆接触提高GaN基 LED性能[J].液晶与显示，2007，22（3）:273-277.