AlGaInP LED出光效率的模拟

第３０卷第２期２００９年４月

发

光

学报

ＶｏＬ３０Ｎｏ．２

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ

Ａｐｒ．，２００９

文章编号：１０００－７０３２【２００９）０２－０２０１－－０８

ＡＩＧａＩｎＰ

ＬＥＤ出光效率的模拟

林岳明１’２，张俊兵１，曾祥华ｈ

（１．扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州２２５００２；２．扬州华夏集成光电有限公司，江苏扬州２２５００９）

摘要：采用有限元法来模拟研究采用透明电极Ａ／ＧａＩｎＰＬＥＤ出光效率的影响因素和分布情况，并在此基础

上对不透明电极进行优化以提高芯片的出光效率。研究发现，随着窗口层厚度的增加，顶面出光效率有所下降，侧面出光效率大大提高，总出光效率呈上升趋势，且总出光效率的最高分布区从芯片的四个直角区域向中央圆形电极边缘靠近。然而，随着芯片尺寸的增加，其变化趋势正好与之相反。在此基础上进一步对普通生产芯片进行模拟分析，得知其光提取效率最高区主要分布在芯片的四个直角区域，并以此为指导进行不透明电极形状的优化，进而对其条形电极的宽度进行优化，可使所获得的出光效率比传统圆形电极提高了６２．８５％，能够为实际生产提供一定的理论指导。

关键词：ＡＩＧａＩｎＰＬＥＤ；出光效率；电极形状；有限元法中图分类号：ＴＮ３１２．８

ＰＡＣＳ：８５．６０．Ｊｂ

ＰＡＣＣ：７８６０Ｆ

文献标识码：Ａ

１

引言

化，提出新型的电极形状使电流分布更为均匀，以提高芯片的出光效率，为实际生产提供一定的理论指导。本文不但考虑到顶面出光对芯片整体出光效率的贡献，而且，进一步考虑了芯片侧面出光的贡献；并首次给出了在有源层光提取效率分布情况；同时，利用光提取效率的分布情况来对不透明电极进行优化，而不是通过定性分析来对其进行优化哺Ｊ，这是与我们以前工作的主要差别［９】。

随着半导体技术的不断发展与成熟，ＡＩＧａｌｎＰＬＥＤ已经在汽车、背光源、交通灯、大屏幕显示、军事等领域得到了广泛的应用，且ＬＥＤ有望成为新型的第四代固态照明光源，具有广泛的应用前景…。现在，Ａ１ＧａｌｎＰ的内部量子效率可达到９０％以上；而外部量子效率受芯片结构、窗口层的厚度、电极的形状、芯片尺寸等诸多因素的限制【２。Ｊ，其改进和提高并不显著。窗口层的厚度直接影响到芯片侧面和顶面的出光效率，并对采用不透明电极芯片的电流扩展分布均匀性具有决定性的影响，所以，窗口层的特性直接影响到芯片的出光效率。与此同时，电极的形状决定了芯片电流分布的均匀性，进而也影响到芯片的出光效率。因为，在常规生产工艺下采用的是不透明的圆形电极，其电流主要集中分布在圆形电极正下方的部分有源区，电流分布很不均匀，即产生所谓的电流拥挤效应∞’７｜。

本文采用有限元法来模拟研究窗口层的厚度和芯片尺寸对芯片出光效率的影响；并根据有源层光提取效率的分布情况进行不透明电极的优

２理论模型与方法

文中Ａ１ＧａｌｎＰＬＥＤ结构为生产中较为普遍使用的结构，主要包括：衬底ＧａＡｓ、覆盖层ＡＩＩｎＰ（Ｔｅ）、有源层ＡｌｌｎＰ／ＡＩＧａｌｎＰＭＱＷ、覆盖层ＡＩＩｎＰ（ＭＳ）、电流扩散层ＧａＰ和正负电极层。并且采用透明电极ＩＴＯ，因为透明电极ＩＴＯ不仅具有良好的导电性，可获得均匀分布的电流；而且，具有较高的光透过率，从而提高了芯片的出光效率。芯片具体参数如下¨玑儿］：（１）ＧａＰ掺杂浓度为２×１０１８度为１×１０１６Ｃｌｌｌ一，电子迁移率为１

ｃｍ一，

空穴迁移率为４０ｃｍ２ ８～ Ｖ一；（２）ＧａＡｓ掺杂浓

３００ｃｍ２ ８～

Ｖ～；（３）ＧａＰ的折射率为３．４，透明电极ＩＴＯ的折

射率为２．０，封装材料环氧树脂的折射率为１．５；

收稿日期：２００８—１０．１４；修订日期：２００８一１１－０５基金项目：江苏省科技项目资助（ＢＧ２００７０２６）

作者简介：林岳明（１９６４一），男，浙江宁波人，博士，高级工程师，主要从事光电子材料及半导体照明的研究。

：通讯联系人；Ｅ－ｍａｉｌ：ｘＩ－ｚ明ｇ＠ｙｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ，Ｔｅｌ：（０５１４）８７９７５５００

发光学报

第３０卷

（４）ＧａＰ厚度２０斗ｍ，ＧａＡｓ厚度为２５０斗ｍ；（５）芯片大小为３０４．８ｔｉｍ×３０４．８射都遵循菲涅耳原理：

ｔｉｍ。

Ｒ，＝ｈ

２

（４）（５）（６）（７）

ｒｓ＝１一ＲｓＴｐ＝１一ＲＰ

光从一种介质进入另一种介质发生折射和反

ｒ。＝（ｃｏｓ／一万Ｆｉ再）／（ｃｏｓ／＋石ｆｉ再）

（１）

ｒ＝虿１（瓦＋砟）

上式中，ｎ２ｌ＝ｎ２／ｎ。，ｒ”ｒＰ分别表示Ｓ、Ｐ光的振幅反射率，ｉ为入射角，尺¨尺¨咒、巧分别为Ｓ光、Ｐ光的光强的反射率和透射率，ｒ为总光强透射率。

光从光密介质进入光疏介质受到临界角的限制，因而单个发光点能够出射的光呈一锥体，在顶

ｒＰ＝（ｎ２２ｌｃｏｓ／．√ｎ；ｌ—ｓｉｎ２ｉ）／（凡；ｌｃｏｓ／＋石；ｌ—ｓｉｎ２ｉ）

Ｒｓ＝ｌ

２

（２）（３）

ｒｓ

缈＼

Ａｃｔｉｖｅ

ｌａｙｅｒ

■■■■％目％％∞Ｍ※※※※■≈目＃※％ｇ％《∞※Ⅸ※＊目≈％∞女％％＃＃Ｈ《％％脚

Ａｂｓｏｒｂｉｎｇｓｕｂｓｔｒａｔｅ

（ｃ）

Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ

（ｄ）

Ｄ

Ｆ

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ＶＷＷ＼／

Ｃ’

Ｂ’Ａ’ＮＡ

ＢＣＤ

Ｘ，迅ｃｔｉｖｅ

ｌａｙｅｒ

—～＼

ｐ‘Ｑ——／叁：——／卜～＼Ｇ∑

Ｂ

７

Ｈ

—～—、

－－，＿～

图ｌ光出射分析图（ａ）临界角；（ｂ）五个出射面；（ｃ）顶面出射；（ｄ）侧面出射

Ｆｉｇ．１

Ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆｌｉｇｈｔ＇ｓｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ（ａ）ｃｒｉｔｉｃａｌａｎｇｌｅ；（ｂ）ｆｉｖｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｆａｃｅｓ；（ｃ）ｔｏｐｓｕｒｆａｃｅ’８ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ；（ｄ）ｓｉｄｅｓ’８

ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ．

面形成一个面圆，我们称之为出光面圆，如图１（ａ）、（ｂ）所示。光不仅可以从芯片顶面（窗口层顶面）出射，而且，还可以从芯片侧面（窗口层的侧面）出射，即芯片共有五个出光面，如图ｌ（ｂ）所示，而且当窗口层达到一定的厚度后，四个侧面出光量完全可以超过其顶面的出光量【８Ｊ。而ＧａＡｓ对光具有很强的吸收作用，将光能转换为热能，能够从ＧａＡｓ衬底出射的光只有极少一部分。所以，在计算芯片出光效率时，主要考虑从窗口层的顶面（或透明电极顶面）和侧面出射情况，共五个出光面。

芯片顶面出射的光主要受到不透明电极和芯片边缘效应这两个方面的影响。图１（ｃ）为芯片顶面光出射分析图，从中可以看出：Ａ’Ａ上点出射

的光被电极完全遮挡；ＡＢ、Ａ７Ｂ’上点出射的光被电极部分遮挡；ＢＣ、Ｂ７Ｃ’上点出射的光可以全部出射，没有任何遮挡；ＣＤ、Ｃ’Ｄ’上点出射的光同样不能完全出射，主要是受到芯片边界的影响，我们称之为边缘效应。所以，整个有源层可以分为四个部分：被电极完全遮挡的区域、被电极部分遮挡的区域、没有任何遮挡的区域、具有边缘效应的区域。

因为芯片具有轴对称性，因而在分析有源层各点发出的光从侧面光出射时，只需分析芯片的右下１／４区域，即图１（ｄ）中正方形ＡＣＤＥ所包围的区域。在各个点发出的光从左侧面出射时，半个出光面圆能否完全出射形成Ａ’Ｏ’分界线（三角形Ａ’Ｂ’Ｏ’为出光锥体的切面）；而光向右侧出

第２期林岳明，等：ＡＩＧａＩｎＰＬＥＤ出光效率的模拟

射时形成ＯＡ分界线（三角形Ａ００’为出光锥体的切面）。同时，考虑到窗口层厚度和临界角的限制，出光面圆是否能够完全出射，形成分界线ＦＢ。以上只是考虑１／４芯片光在横向上两个侧面的光出射情况，由于芯片具有轴对称性，在纵向上的两个侧面的光出射情况只需进行旋转对称处理就可以得到，可见光从侧面出射要比从顶面出射复杂得多。

３结果与讨论

根据前面的分析，考虑被中心不透明电极遮挡、芯片边缘效应和透明电极ＩＴＯ的增透作用，模拟得到有源层各点在芯片顶面出光效率分布情况如图２所示。从图中可以看出受边缘效应的影响，芯片边缘的顶面出光比较低，在四条边的边界处只有其他正常顶面出光效率的１／２；同时，由于中心不透明电极的遮挡，在其正下方的大部分区域的光完全被其遮挡，顶面出光效率为零；而在电极边框正下方的边缘内外部分区域各点出射的光被部分遮挡，顶面出光效率相对也比较低。而在四个直角区域的顶面出光效率更低，主要是受到芯片两边的边缘效应的影响，最低的只有正常顶面出光效率的１／４。

图２有源层各点的顶面出光效率分布图

ｒｉｇ．２

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｐｓｕｆａｃｅ＇ｓ

ｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ

Ｈｇｈｔ

ｏｎ

ｔｈｅａｃｔｉｖｅｌａｙｅｒ

在研究有源层各点对芯片各个侧面出光贡献时，首先考虑各点从右侧单个出光面出射时的出光效率分布情况，结合前面的分析，模拟得出其分布情况如图３（ａ）所示。从图中可以看出有明显的两条斜向分界线，对应于图１（ｄ）中Ａ’０’；同时，图中左侧还有一明显的纵向分界线，对应于图１（ｄ）中的ＦＢ。由三者包围的右边梯形区域的出光效率最高，各点的半个出光面圆没有任何遮挡，

能够完全出射。进而模拟得到各点在芯片横向上左右两个侧面的出光效率分布情况，如图３（ｂ）所示。从中可以看出芯片中央区域各点的出光效率最低，而相对靠近芯片纵向边缘处区域的出光效率最高，主要是受窗口厚度制约。考虑到芯片的轴对称性，由各点单向侧面分布情况就可以推出双向侧面分布情况，将图３（ａ）进行轴对称处理再加上图３（ａ）就可以得到图３（ｂ），即有源层各点在横向上左右两个侧面的出光效率分布图。而芯片各点在芯片纵向上前后两侧面的出光效率分布情况如图３（ｃ），该图旋转９０。可以与图３（ｂ）重合，是由于芯片具有横向和纵向轴对称性而具有旋转对称性。得到了有源层各点在横向和纵向的分布情况，自然可以得到有源层各点在芯片四个侧面的出光效率的分布情况，如图３（ｄ）。从图中可以看出在芯片的四个直角区域的侧面出光效率最高，而芯片中央区域相对最低。

分析得出有源层各点在芯片顶面和侧面的出光效率的分布情况后，不难得到有源层各点对整个芯片五个出光面的贡献，其分布情况如图４所示。从图中可知总出光效率最低点分布在芯片的中央区域，主要有两个方面的原因：（１）由于顶面的中央的圆形不透明电极遮挡，导致在其正下方绝大部分区域出射的光完全被遮挡，且电极边缘区域被部分遮挡，导致有源层中央区域在顶面的出光效率最低；（２）由于芯片的横向和纵向轴对称性，类似于芯片边缘，中央区域出射的光在各个侧面的出光面圆并不能完全出射，而导致芯片中央区域在芯片侧面出光效率相对较低。而芯片的四个直角区域的总出光效率是最高的，主要是由于该区域的侧面出光效率相对最高的贡献。同时，在横向和纵向上在靠近芯片边缘的出光效率

也相对较高，主要原因是该区域的侧面出光效率

相对较高。

由前面可知窗口层厚度对芯片总出光效率具有决定性的影响，因此，就不同厚度的窗口层，对其芯片的总出光效率进行一一模拟，得到芯片总出光效率与窗口层厚度之间的关系，如图５（ａ）所示，曲线１、２、３分别表示顶面出光效率、侧面出光效率和总出光效率。由图５（ａ）曲线１可知芯片顶面的出光效率随着窗口层厚度的增加而降低，其主要原因是：由于窗口层厚度的增加，受到芯片

边缘效应和被电极部分遮挡影响的区域的面积增

发光学报第３０卷

图３有源层各点的侧面出光效率分布图（ａ）单向侧面；（ｂ）横向两侧面；（ｃ）纵向两侧面；（ｄ）四侧面

Ｆｉｇ．３

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｉｄｅｓ’Ｓｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔ

ｏｎ

ｔｈｅａｃｔｉｖｅ

ｌａｙｅｒ．（ａ）ｓｉｎｇｌｅ

ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ

ｓｉｄｅ；（ｂ）ｔｗｏ

ｓｉｄｅｓｏｆｔｒａｌｌｓｖｅｒ粥

ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；（ｃ）ｔｗｏｓｉｄｅｓｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；（ｄ）ｆｏｕｒｓｉｄｅｓ．

窗口层厚度的增加顶面出光效率下降幅度比较小，在０．０２５％左右，而侧面出光效率增加的幅度比较大，在０．４％左右，所以，整个芯片总出光效率随窗口层的厚度增加而增加，如图５（ａ）曲线３所示。由于随窗口层厚度增加，受不透明电极的遮挡和吸收的区域增加，以及增加了光路而导致在窗口层的吸收增加，所以，当芯片窗口层达到一定厚度后芯片的总出光效率会趋于饱和。

随着ＬＥＤ应用市场的不断扩大，对ＬＥＤ的

图４有源层各点的总出光效率分布图

亮度不断提出新的要求，随之各种大尺寸ＬＥＤ也

Ｆ１９ ４

Ｄｉｓ试ｂｕｄ∞ｏｆ１ｉｓｈｒｓ‘ｏｔａｌｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ∞ｔｈｅ

不断出现。在窗口层厚度为２０；Ｊａｎ的情况下，就ａｃｎｖｅ

１ａｙｅｒ

芯片的出光效率与芯片尺寸之间的关系也作了的加，没有任何遮挡的区域面积较少，而导致其呈下模拟研究，如图５（ｂ）所示。由图５（ｂ）曲线ｌ可降趋势。而芯片侧面的出光效率随着窗口层厚度以看出，随芯片尺寸的增大，芯片顶面的出光效率的增加而增加，如图５（ａ）曲线２所示。主要是由不断得到提高。主要是由于随着芯片尺寸的增于随着窗口层厚度增加，一方面，图１（ｄ）中ＦＢ分加，有源层内没有任何遮挡的区域得到了增加的界线向芯片内部移动增加了，增大半个出光面圆结果。而随着芯片尺寸的增加，侧面的出光效率能够完全出射的区域；另一方面，随着其厚度增加不断降低，如图５（ｂ）曲线２所示。主要是由于各点的出光面圆能够出射的量也会增加，所以，侧随其尺寸的增加，图１（ｄ）中ＦＢ左边的区域面积面的出光效率随着其厚度增加而增加。由于随着

增加了，到左侧的距离增加，出光面圆的半径增

第２期

林岳明，等：ＡＩＧａＩｎＰＬＥＤ出光效率的模拟

加，使得出光面圆能够出射的量有所减少。由于随芯片尺寸的增加，侧面的出光效率降低的幅度大于顶面出光效率增加的幅度，所以，整个芯片总出光效率随着芯片尺寸的增加而降低，如图５（ｂ）曲线３所示。通常人们会认为芯片尺寸越大芯片总出光效率越高，而实际情况正好相反。结合前面芯片总出光效率与窗口层厚度的关系，所以，在生产大尺寸高亮度芯片时，要尽量采用窗口层厚度比较大的外延片，来提高芯片的出光效率。

图６（ａ）、（ｂ）是窗口层厚度为１０ＦＬｍ和４０堡

岬情况下芯片总出光效率分布图，再对照图４

窗口层厚度为２０斗ｍ的分布情况，可以看出随着窗口层厚度的增加，芯片总出光效率最高分布区从芯片四个直角区域向芯片中央圆形电极边缘区域靠近。主要是由于随着窗口层厚度的增加，图１（ｄ）中ＦＢ分界线向芯片中央移动的结果。图６（Ｃ）、（ｄ）分别是芯片尺寸为１７７．８斗ｍ和２２８．６斗ｍ时的分布图，并与图４尺寸为３０４．８斗ｍ的进行对照，可知随芯片尺寸的增加，芯片总出光效率的最高分布区变化正好与上述相反，即从中央圆

萤

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Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗｉｎｄｏｗ

吾

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ｌａｙｅｒ／（１Ⅲ

Ｓｉｚｅｏｆ

ｃｈｉｐ／（２５．４㈣

ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗｉｎｄｏｗ

图５芯片总出光效率与窗口层厚度和芯片尺寸之间的关系（ａ）与窗口层厚度；（ｂ）与芯片尺寸

Ｆｉｇ．５

Ｔｏｔａｌｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｉｇｈｔ埘．ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒａｎｄｓｉｚｅｏｆｔｈｅ

ｃｈｉｐ．（ａ）ｗｉｔｌｌ

ｌａｖｅｒ：（ｂ）ｗｉｔｈｓｉｚｅｏｆｔｈｅｃｈｉｖ．

图６不同窗口层特性的总出光效率分布情况．（ａ）厚度为１０ｐａｎ；（ｂ）厚度为４０ｔｕｎ；（ｃ）尺寸为１７７．８ｐＬｍ；（ｄ）尺寸为

２２８．６仙ｍ

Ｆｉｇ．６

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔ’ｓｔｏｔａｌｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｗｉｎｄｏｗ

ｌａｙｅｒ．（ａ）ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ

ｏｆ

ｌＯｐ，ｍ（ｂ）ｔｈｉｃｋ－

ｎ雠ｏｆ４０ｔｔｍ；（Ｃ）ｓｉｚｅ

ｏｆ１７７．８

ｔｉｍ；（ｄ）ｓｉｚｅ

ｏｆ２２８．６

ｔｔｍ．

发光学报第３０卷

形电极边缘区向芯片四个直角区移动。主要是由于随其尺寸的增加，图１（ｄ）中ＦＢ到左侧的距离增加的结果。

前面讨论是芯片采用透明电极的情况，可以通过提高窗口层的厚度来增加芯片总出光效率。其实，就是只采用常规不透明电极也同样可以通过增加窗口层的厚度来提高芯片总出光效率。原因主要有两个方面的：一方面窗口层其实也就是电流扩散层，增加其厚度，有利于形成均匀分布的电流，可以提高芯片总出光效率；另一方面，随着窗口层厚度的增加，芯片的侧面的出光效率得到了大大的提高，从而提高了芯片总出光效率。但随着窗口层的厚度的增加，就越难生长出好的晶体，同时，增加了生产成本。但是，我们可以根据前面有源层各点总出光效率的分布情况进行不透明电极的优化来提高芯片总出光效率。该方法操作简单，不需要增加工艺步骤，实施容易，在生产成本相同的情况下就可以提高芯片总出光效率。优化不透电极形状其主要目的就是通过改变传统圆形电极的形状来获得更为均匀分布的电流来提高芯片的出光效率。

仅采用不透明电极后，光直接从窗口层进入环氧树脂，首先考虑各个点的光提取效率，其在顶

面分布如图７（ａ）所示，与图２比较相似，但具体数值有所下降，主要是由于ＩＴＯ有增透作用。此时的侧面光提取效率和前面采用透明电极的侧面出光效率相等，如图３（ｄ）分布，得到各点的总光提取效率分布如图７（ｂ）所示。图７（ｃ）和图７（ｄ）分别是有源层对角线和中心切面的具体总光提取效率的分布情况，曲线１、２分别为顶面和侧面光提取效率。从图７（ｃ）中曲线１和２可以看出在对角线方向上侧面光提取效率很大一部分区域都大于顶面的；最高点分布在芯片的四个直角区域，且比顶面光提取效率要高，所以，我们在传统圆形的电极基础之上沿芯片对角线方向增加四个条形电极，增加该区域的电流，以提高该区域的出光效率。同时，由图７（ｄ）中曲线２和图３（ｄ）可知在近边缘处的侧面光提取效率相对较高，所以，在侧面出光效率相对最高的横向和纵向近边缘处增加四个条形电极，进一步提高电流分布的均匀性，提升芯片的总出光效率，其中心距芯片边缘４６．６５３１斗ｍ，得到优化后的电极顶视图如图８（ａ）所示。

取其优化电极的条形电极宽度为２４．９斗ｍ，首先模拟得到有源层各点电流分布情况，再根据电流与光强之间的关系得到各点的出光效率，最

图７有源层光提取效率分布图（ａ）顶面；（ｂ）五个出光面；（ｃ）对角线切面；（ｄ）中心横向切面

Ｆｉｇ．７

Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ｏｆｌｉｇｈｔ＇ｓ眦ｔｃｔｉｏｎｅｆｌｌｃｉｅｎｅｙ．（ａ）ｓｕｒｆａｃｅ；（ｂ）ｆｉｖｅｆａｃｅｓ；（ｅ）ｄｉａｇｏｎａｌｓｅｃｔｉｏｎ；（ｄ）ｃｅｎｔｒｅ

ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ

ｓｅｃｔｉｏｎ．

第２期林岳明，等：ＡＩＧａＩｎＰＬＥＤ出光效率的模拟

２０７

堡

毛

鼍

ｈ

ｊ

箸

号

镱营

ｇ

图８出光效率与优化电极（ａ）优化电极顶视图；（ｂ）出光效率与条形电极宽度之间关系

Ｆｉｇ．８

Ｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｗｉｄｔｈｏｆｂａｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．

ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．（ａ）ｔｏｐｖｉｅｗｏｆｏｐｔｉｍｉｚｅｄ

ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；（ｂ）ｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ｏｆ

ｌｌｇｈｔ饿

后再归一化得到芯片的出光效率¨２｜。模拟得到

整个芯片的顶面、侧面、总的出光效率分别为

１．３３３０％，３．７３２７％，５．０６５

程度上提高芯片总出光效率。４

７％，而未优化前的

１％，３．０６７

结

论

传统圆形电极的分别为０．７９５

３．８６２

８％，用有限元法模拟研究采用透明电极Ａ１．

ＧａＩｎＰ

９％，分别提高了６７．６５％，２１．６７％，ＬＥＤ出光效率的分布情况及其影响因素，

３１．１４％。芯片顶面的出光效率的提高十分显著，主要是由于优化后电极能够使得电流在有源层分布更为均匀，其对提高总出光效率的贡献是主要的。芯片侧面出光效率也得到了提高，而且比采用透明电极电流分布完全均匀时效率３．６５６

５％

并在此基础上对不透明电极进行优化以提高芯片的出光效率。研究发现芯片窗口层的厚度和芯片的尺寸对其具有重要的影响：随窗口层厚度的不断增加，顶面出光效率有所下降，侧面出光效率大大提高，总出光效率呈上升趋势；然而，随着芯片尺寸的增加，顶面的出光效率有所

提高了２．０８％，其原因是优化电极形状后，使得其电流分布与电流分布完全均匀时各点光提取效率分布情况比较吻合，所以，能够获得比电流均匀分布时的效率更高。考虑电极面积的大小直接影响到遮光量的多少，进而影响到整体的出光效率。而业界对中心圆形电极的大小是固定的，其直径

提高，侧面的出光效率却大大下降，总出光效率

呈下降趋势。与此同时，随着窗口层厚度的增加，芯片总出光效率的最高分布区从芯片的四个直角区域向中央圆形电极边缘靠近；但随芯片尺寸的增加，芯片总出光效率的最高分布区移动方向正好与之相反，即从芯片中央圆形电极边缘区移向四个直角区域移动。在此基础上进一步模拟分析，得知普通生产芯片的光提取效率分布情况，并以此为指导进行不透明电极形状的优化，在光提取效率最高和相对最高处增加条形电极来增大该区域的电流，增加芯片的整体电流分布的均匀性，来提高芯片的总出光效率；并对其条形电极的宽度进行优化，在宽

为１００岬，所以，只需研究条形电极的宽度对出

光效率的影响，得到的顶面、侧面、总出光效率与条形电极之间的宽度之间的关系分别如图８（ｂ）曲线１、２、３。从图中可以看出，条形电极宽度对侧面的出光效率的影响很小，而对顶面的出光效率影响比较显著，进而影响到总出光效率。顶面优化后得到最佳的条形电极宽度为９．３ｐａｎ，此时，顶面、侧面、总出光效率分别为２．５０２

３．７８８１％，６．２９０

７％，

８％，比未优化的传统圆形电极

度为９．３炉左右达到最高，可获得总出光效率

比传统恻形电极提高了６２．８５％，能够为实际生产提供一定的理论指导。

的分别提高了２１４．７７％，２３．４８％，６２．８５％。由此可见，直接进行电极形状的优化也能够在一定

参考文献：

［１］ＴｓａｏＪＹ．地伽Ｅｍｉｕｉ，曙Ｄｉｏｄｅｓ（ＬＥＤｓ）ｆｏｒＧｅｎｅｒａｌｌｌｌｕｍｉａ∞ｉｏｎ［Ｍ］．ＥｎｇｌｉｓｈＥｄｉｔｉｏｎ，Ｎｅｗ

Ｙｏｒｋ：ＯＩＤＡ，２００２，２－３．

发

［２］Ｖａｎｄｅｒｗａｔｅｒ

光学报

ｌｉｇｈｔ

第３０卷

ｄｉｍｅｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ

ｔｈｅ

ＤＡ，ＴａｎＩＨ，Ｈ６ｆｌｅｒＧＥ，ｅｔａ／．Ｈｉｇｈ－ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓＡＩＧａＩｎＰ

ｅｍｉｔｔｉｎｇ

ＩＥＥＥ，１９９７，１１５（１１）：１７５３—１７６４．［３］Ｓｔｒｅｕｂｅｌ

３２１－３３２．

Ｋ，Ｌｉｎｄｅｒ

Ｎ，ＷｉｒｔｈＲ，ｅｔａ１．ＨｉｇｈｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓＡＩＧａｌｎＰＬＥＤ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，ＱｕａｒｔｚＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，８（２）：

［４］Ｓｕｇａｗａｒａ

Ｈ，ＩｓｈｉｋａｗａＭ，Ｈａｔａｋｏｓｈｉ

Ｇ．Ｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＩｎＧａＡＩＰ／ＧａＡｓｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．

Ｌｅｔｔ．，１９９１，５８（１０）：１０１０—１０１２．［５］Ｐａｎ

Ｈｕａｐｕ，ＨｕａｎｇＬｉｗｅｉ，ＬｉＲｕｉ，ｅｔａ１．ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆＧａＮｂａｓｅｄＬＥＤ

ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｓａ

ｓｔｒｕｔ－

ｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎ．上Ｌｕｍｉｎ．（发光学报），２００７，２８（１）：１１４ １２０（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．［６］Ｇｕｏ

Ｘ，ＳｃｈｕｂｅｔＥＦ．Ｃｕｒｒｅｎｔ

ｃｒｏｗｄｉｎｇｉｎ

ＧａＮ／ＩｎＧａＮ

ｌｉｇｈｔ

ｅｍｉｔｔｉｎｇ

ｄｉｍｅｓ［Ｊ］．正Ａｐｐｔ．Ｐｈｙｓ．，２００１，知（８）：

４１９１－４１９５．

［７］ＭａｌｙｕｔｅｎｋｏＶＫ，ＭａｌｙｕｔｅｎｋｏＯＹｕ，Ｐｏｄｏｌｔｓｅｖ，ｅｔａ１．ＣｕｒｒｅｎｔｃｒｏｗｄｉｎｇｉｎＩｎＡｓＳｂｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．

Ｌｅｔｔ．，２００１，７９（２５）：４２２８－４２３０．［８］ＧｅｒｂｅｒＪ，ＧｉＵｅｓｓｅｎＫ．Ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇ［９］ＺｈａｎｇＪｕｎｂｉｎｇ，ＬｉｎＹｕｅｍｉｎｇ，１３０

ｄｉｏｄｅ：Ｕｎｉｔｅｄ

Ｓｔａｔｅｓ，５６９８８６５［Ｐ］．１９９７—１０－１６．

ｔｈｅＡ１ＧａＩｎＰＬＥＤ’ｓｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｈａｐｅ［Ｊ］．Ａｃｔａ

Ｌｉｎ，ｅｔａ１．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ

Ｐｈｙｓ．辄．

（物理学报），２００８，５７（９）：５８８１－５８８６（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．［１０］Ｘｕ

Ｙｉｎｇ，Ｇａｏ

Ｊｉｎｓｏｎｇ，ＷａｎｇＸｉａｏｙｉ，ｅｔａ１．ＡｎｔｉｒｅｆｅｃｔｉｖｅｔｉｎｆｉｌｍｄｅｓｉｇｎｕｓｉｎｇＩＴＯｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＡｃｔａＰｈｏｔｏｎｉｃａＳｉｎｉｃａ

（光子学报），２００６，３４（８）：１１８７－１１８９（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．［１１］Ｃｈｉ

ＧＣ，ＳｕＹ

Ｋ，ＪｏｕＭＪ，ｅｔ以Ｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒｆｏｒ

ｃｕｒｒｅｎｔ

ｓｐｒｅａｄｉｎｇｉｎＭＧＭｎＰｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ［Ｊ］．上Ａｐｐｌ．

Ｐｈｙｓ．，１９９４，７０（５）：２６０３－２６１１．

［１２】Ｄｅｎｇ

ＩＩｉｇｌｌ

Ｙｕｎｌｏｎｇ，Ｌｉａｏ

Ｃｈｎｇｊｕｎ，ＬｉｕＳｏｎｇｈａｏ，ｅｔａ／．Ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｔｉｃａｌｏｕｔｐｕｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎ

ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇ

ｄｉｍｅｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎ．上ｈ棚ｍ（发光学报），２００２，２３（３）：２５５－２６０（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．

ＴｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡＩＧａｌｎＰＬＥＤ’ｓＬｉｇｈｔＯｕｔｐｕｔ

Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ＬＩＮＹｕｅ—ｒｕｉｎ９１．－，ＺＨＡＮＧＪｕｎ—ｂｉｎ９１，ＺＥＮＧＸｉａｎｇ．ｈｕａｌ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰ＾笋如＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＹａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ２２５００２，Ｃｈｉｎａ；

２．ｙ口增加“ＨｕａｘｉａＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯＥ

５：ｐ姗Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ｙ口，咖础２２５００９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｕｓｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ

ｔｏ

ｓｉｍｕｌａｔｅａｆｆｅｃｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｑｕａｔｅｒｎａｒｙＡ１ＧａＩｎＰ

ＬＥＤ’ｓｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔｗｉｔｈｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ａｎｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｗｉｎｄｏｗｌａｙｅｒａｎｄｓｉｚｅｏｆｔｈｅｃｈｉｐｈａｖｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐａｃｔｏｆ

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ｔｈｅｍ．Ｗｉｔｈｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｔｏｐｓｕｒｆａｃｅ’ｓｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

ａ

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ｃｉｅｎｃｙｏｆ

ｌｉｇｈｔｐｒｅｓｅｎｔｓｒｉｓｅｓｔｒｅｎｄ；ａｎｄ

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ａｎｄｔｈｅｓｉｄｅｓ＇ｓｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔｄｅｃｒｅａｓｅｓ

ｔｒｅｎｄ．Ａｆｔｅｒｔｈａｔ，ｗｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｏｐａｑｕｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｈａｐｅｓａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ

ｌｏｔ，ｓｏｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆ

ｌｉｇｈｔ

ｐｒｅｓｅｎｔｓ

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ｌｉｇｈｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｈｉｐ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｏｆｔｈｉｓａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｆｕｒｔｈｅｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ

ｇｕｉｄａｎｃｅ

ｌｉｇｈｔ

ｃａｎ

ｒｉｓｅｔｏｍｏｒｅｔｈａｎｓｉｘ

ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ

ｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｒｏｕｎｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅ＇ｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａ１ＧａＩｎＰＬＥＤ；ｏｕｔｐｕｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｌｉｇｈｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｈａｐｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ

ＣＬＣ

ｎｕｍｂｅｒ：ＴＮ３１２．８ＰＡＣＳ：８５．６０．ＪｂＰＡＣｅ：７８－６０Ｆ

ＤｏｃｕｍｅｎｔＣｏｄｅ：Ａ

Ｒｅｃｅｉｖｅｄｄａｔｅ：２００８－１０—１４

AlGaInP LED出光效率的模拟

作者：作者单位：

林岳明， 张俊兵， 曾祥华， LIN Yue-ming， ZHANG Jun-bing， ZENG Xiang-hua

林岳明,LIN Yue-ming(扬州大学,物理科学与技术学院,江苏,扬州,225002;扬州华夏集成光电有限公司,江苏,扬州,225009)， 张俊兵,曾祥华,ZHANG Jun-bing,ZENG Xiang-hua(扬州大学,物理科学与技术学院,江苏,扬州,225002)发光学报

CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE2009,30(2)

刊名：英文刊名：年，卷(期)：

参考文献(12条)

1.Chi G C;Su Y K;Jou M J Window layer for current spreading in AlGaInP light-emitting diode 1994(05)2.Deng Yunlong;Liao Changjun;Liu Songhao A theoretic analysis of electrical injection and opticaloutput process in high brightness light emitting diodes[期刊论文]-发光学报 2002(03)

3.Zhang Junbing;Lin Yueming;Bo Lin Optimization of the AlGaInP LED's electrode shape[期刊论文]-物理学报 2008(09)

4.Gerber J;Gillessen K Light emitting diode 1997

5.Malyutenko V K;Malyutenko O Yu;Podoltsev Current crowding in InAsSb light-emitting diodes[外文期刊] 2001(25)

6.Guo X;Schubet E F Current crowding in GaN/InGaN light emitting diodes[外文期刊] 2001(08)7.Pan Huapu;Huang Liwei;Li Rui Finite element model of GaN based LED and the optimization of themesa structure[期刊论文]-发光学报 2007(01)

8.Sugawara H;Ishikawa M;Hatakoshi G High-efficiency InGaAlP/GaAs visible light-emitting diodes1991(10)

9.Streubel K;Linder N;Wirth R High brightness AlGaInP LED 2002(02)

10.Vanderwater D A;Tan I H;Hfler G E High-brightness AlGaInP light emitting diodes[外文期刊]1997(11)

11.Xu Ying;Gao Jinsong;Wang Xiaoyi Antirefective tin film design using ITO material[期刊论文]-光子学报 2006(08)

12.Tsao J Y Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumiation 2002

本文链接：/Periodical_fgxb200902014.aspx

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