技术文章 | 倒装LED汽车大灯芯片PSS图形优化设计与应用原文标题：Designand Application of Patterned Sapphire Substrate on Flip LED Car Headlights Chips 作者：Wei Zhang1, Zhijiang Sun1 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。
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。
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。
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。 文章转载自IFAL公众号
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