所以，忽略器件背面和侧壁的反射并假设量子阱内的光发射是全向的[1]，那么只有4%的光能够逃逸，大部分光在材料内被俘获。在大量的反射中，光线撞击顶部发射表面进入光提取锥的概率因表面的随机性而增加。图4-10 LED表面光子晶体的SEM图像和结构示意图，摘自文献[KIM 05]另一方面，光提取效率并不覆盖量子阱发光的全部光谱范围，因此降低了人们对此方法的兴趣。TFFC[SHC 06]和VTF[IBB 03]结构的提取效率接近80%。......
2023-06-15
透镜技术实现垂直光提取
【摘要】：本小节讨论垂直于发射面提取光的直接方法。例如，GaN LED的折射率为2.5，使临界角约为24°，提取至空气中的光功率损失系数为6.25。使用高折射率半球形透镜有两个优点：①使芯片和透镜分界面处的光提取最大化；②使光束可以在空间传播，避免或限制透镜和空间分界面处的全反射。对于横向结构的倒装芯片LED，光辐射首先从GaN提取至蓝宝石，随后在密封材料和透镜中提取，蓝宝石的反射率为1.77，具有同样的临界角现象。
为了优化芯片上部的光提取，需改变表面的结构，可插入金属反射体，或二极管本身采用更复杂而有效的制造工艺（见第4章）。这些改进和LED表面面积的增加要求采用前一小节中的削顶工艺。本小节讨论垂直于发射面提取光的直接方法。利用式（5-7）并假设光源为一个点，可计算环境A中提取的功率PA和二极管内光源在两种介质分界面处的功率PS间的比值：
为了简化文献[NUE 69、SCH 06]中的分析，仅考虑密封材料和透镜为一体的简单情况。式（5-8）表明光提取量直接受环境折射率的影响，因为光在环境中发生折射。大部分LED的半导体具有很高的折射率。例如，GaN LED的折射率为2.5，使临界角约为24°，提取至空气中的光功率损失系数为6.25。采用折射率为1.5的密封材料使临界角变为37°，与将光直接提取至空气中相比，可显著增加发射锥，光功率的损失系数仅为2.8。大多数情况下，封装和透镜材料应采用高折射率的光透明材料。多数密封材料的折射率介于1.4和1.8之间。在透镜和空气的边界存在同样的临界角现象。然而使用图5-14所示的半球形透镜后，我们注意到对于位于透镜中心的点状光源，入射角总是垂直于空气和透镜的分界面。所以临界角φC永远达不到使全反射形成的大小。对于物理扩展型光源，存在几种角形结构，透镜内发生全内反射，但总提取仍比平面透镜好得多。
图5-14 半球形透镜发射结构具有中等大小的折射率，介于半导体和空气之间
与芯片和透镜的分界面相同，透镜和空气分界面处的光提取效率也与它们折射率的差异有直接的关系，这一点可从式（5-8）看出。使用高折射率半球形透镜有两个优点：①使芯片和透镜分界面处的光提取最大化；②使光束可以在空间传播，避免或限制透镜和空间分界面处的全反射。将光源的形状从平面变为曲面可改变光的空间辐射方向。在平面光源的情况下，发射束被称为“朗伯源（Lambertian）”，而曲面形LED表面使光束聚焦程度显著增加。一般而言，LED表面是平面形的，光束是通过改变透镜的形状成形的，而并不改变芯片表面的形状。
对于横向结构的倒装芯片LED，光辐射首先从GaN提取至蓝宝石，随后在密封材料和透镜中提取，蓝宝石的反射率为1.77，具有同样的临界角现象。而且蓝宝石属于中等折射率材料，折射率介于GaN和密封材料之间，这对光提取是有利的。然而，由于蓝宝石衬底总是平面形的，内部入射临界角总是可以达到全反射发生的大小，这是除内部蓝宝石的吸收之外，另一个限制提取效率的因素。
最后，除了表面的结构，可以注意到使用具有梯度折射率的多层能够优化芯片表面处的光提取。这些层也被称为“抗反射涂层（Anti-reflective C oat-ings）”，由反射率相异的材料制成。例如，最常用的多层由ZnS（2.3）、氮化硅（2）、氧化铝（1.76）和二氧化硅（1.45）构成。
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2023-06-26
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2023-06-15
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2023-10-28
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2023-06-24
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2023-06-25
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2023-06-21
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