高提取效率大功率LED芯片设计与应用

赵见国，张恒，孙智江

（1.海迪科（南通）光电科技有限公司，江苏 南通 226500；2.东南大学先进光子学中心，江苏 南京 210096）

高提取效率大功率LED芯片设计与应用

赵见国1，2，张恒1，2，孙智江1

（1.海迪科（南通）光电科技有限公司，江苏 南通 226500；2.东南大学先进光子学中心，江苏 南京 210096）

大功率LED芯片的发光效率一直受光提取效率的限制，因为芯片半导体材料的折射率大于出射时的介质及空气层，往往导致LED发出的光线在出射时发生全反射现象，有大量的光线反射回LED内部产生热量，严重降低LED的性能。目前的解决方式多是通过表面粗化及图形化蓝宝石衬底（PSS）来提 高LED芯片的光提取效率。本文利用时域有限差分（FDTD）软件算法，通过对大功率LED芯片中不同形状参数的蛾眼结构图形进行数值模拟，寻找最适合的周期性蛾眼微纳结构图形以达到更高的光提取效率。通过仿真对比发现，圆锥图形的蛾眼结构并且图形的宽高分别为1000、500nm时，可以获得最高的光提取效率。

大功率LED芯片；光提取效率 ；FDTD；蛾眼结构

以GaN为代表的第三代半导体发光二极管（LED）自发明以来，以其独特的优势逐渐占领照明市场。相较于传统钨丝灯、荧光灯，LED具有能耗低、产热少、无污染等优良性能，受到了人们的青睐。但是，目前LED的光提取效率还偏低，尤其是出射光线与出射表面夹角较大时，容易发生全反射，导致大量光线全反射回LED内部，产生热量，严重降低LED的性能；而且，当LED注入电流较大时，侧向发光占比更大，会有更大比例的光线全反射回LED内部。目前市场上普遍采用表面粗化、图形化蓝宝石衬底（PSS）的方法来破坏LED的全反射，提高出光效率，但实际效果并不够显著。

本文系统设计仿真了具有多规格饿眼结构的LED增透层，计算出了最优的增透结构，对提高LED光效具有重大意义。

1 研究方法与结构设 计

本研究采用时域有限差分（FDTD）算法。系统研究了平抛蓝宝石衬底、普通图形化蓝宝石衬底（PSS）及设计蛾眼结构对波长为380～780nm可见光的透过率。

在建模时，考虑到蓝宝石对波长为380～780nm波长可见光的吸收很弱基本可以忽略不计，在仿真时忽略蓝宝石的吸收。不同结构通过设计其基本结构，并设置其为二维无限重复循环模式，进而获得接近实际的蛾眼结构情况。竖直方向上，使用PML吸收条件，即竖直方向射出的光线不在考虑反射的情况。采用平面波作为入射光光源，入射光入射角考虑垂直入射和斜入射情况。本研究分别设计了圆锥和抛物面两种制作蛾眼结构的图形，构成的蛾眼结构增透层示意图如图1所示，其中d：h分别设计了1300：650，650：650，1000：500，500：500，350：500，350：350，245：350nm等七种比例，并分别命名为A，B，C，D，E，F，G。

2 模拟优化与讨论

图1 不同图形的蛾眼结构示意图

图2 不同蛾眼结构在不同波段的透射率

仿真时首先计算了光线垂直照射时结构A-G的透射率，发现不同结构透射率差别较大，而且与波长关系密切，并发现同一结构在短波长（380～550nm）区域与长波长区域（550～780nm）表现差异较大，为便于对比，将这两个区域的透过率关于波长积分，如图2所示。从图中可以看到，圆锥图形的蛾眼结构透射率普遍比抛物面图形要高，当图形比例为1000：500，350：350，245：350nm时，透射率较高。但综合考虑生产工艺等条件，太小的周期及图形尺寸生产工艺难度大，我们认为具有椎体图形比例为1000：500的C具有最优的透射率。

为评估光线的出射角度不同时，设计的蛾眼结构是否具有良好的透射率，我们仿真计算了出射光线与法向夹角分别为0°（垂直出射）、30°和60°时，不同波长的透射率，仿真结果如图3所示。

4 经验及不足

（1）双级动叶可调轴流风机动平衡试验必须在风机出口畅通的情况下进行。机组停运时做动平衡试验，需打开风机出口挡板、磨煤机入口一次风门及出口插板门，以保证气流畅通。机组运行中停单台一次风机时，只能采用反复停、并一次风机的办法做动平衡试验，虽然运行操作风险很大，只要出口挡板关闭，即使揭开上盖、拆除后导叶也无济于事。

（2）双级动叶可调轴流风机动平衡试验应通盘考虑两级叶轮的不平衡量，单考虑一侧配重，会影响另一侧。本次动平衡试验的做法是：①停单侧风机，安装反光片及振动测点等。②第一次启动试转10分钟，采集数据分析计算，给一级叶轮加装配重块试配。③第二次启动试转10分钟，采集数据分析计算，去掉一级叶轮加装的配重块，给二级叶轮加装配重块试配。④第三次启动试转10分钟，采集数据分析计算，去掉一、二级叶轮加装的配重块，根据计算结果为一、二级叶轮重新加装配重块。⑤第四次启动风机，如振动正常则直接投入运行。同时，平衡试验人员信心很重要，如果遇到困难就放弃，工作将陷入僵局。

（3）对膜片式弹性联轴器补偿中心偏差的能力过于相信。2B一次风机经国内外专家诊断均认为存在不平衡量，于是大家把所有的注意力都放在了动平衡试验上。但风机一倍频振动值大不仅反映存在不平衡量，还有可能由轴弯曲造成（风机轴系中心偏差大效果接近轴弯曲）。我公司一次风机转速高（1498rpm），中间轴较短（不到3米），不同于低转速长轴的引风机，受轴系中心偏差影响很大。

（4）2B一次风机在返厂后投入运行不到一个月的时间里振动值不断上升，且返厂后回装中心调整合格，但停机后复查中心超标。经检查基础地脚螺栓、轴承箱紧固螺栓及各部连接件等都未见异常，风机中心为何在运行中会变动，个人分析认为可能是由于风机返厂后在厂内对机壳进行焊接加固，造成机壳变形，底座与台板间出现间隙，接触不好。同时机壳上的残余应力在风机运行中逐渐释放，机壳继续变形，最终导致轴系中心偏差过大。

（5）2A、2B、1B一次风机出厂前动平衡试验均合格，到现场回装后却都出现了振动大的问题，2B、1B一次风机又在现场重新做动平衡试验后才正常。这个问题各方专家都未给出合理解释。

[1]平顶山第二发电厂一期2×1000MW机组工程一次风机技术协议.

[2]成都凯凯凯电站风机有限公司一次风机说明书.

TN312.8

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1671-0711（2016）10（下）-0139-02