为提升LED芯片的光提取效率和电流扩展能力, 设计了双金属层环形叉指结构ITO/DBR电极的大功率倒装LED芯片, 并对分布式布拉格反射镜(DBR)薄膜和环形叉指电极结构进行了仿真优化计算。利用TFcalc软件仿真计算了DBR堆栈方式、堆栈周期和参考波长对DBR反射率的影响。仿真结果表明, 优化设计的双堆栈DBR薄膜在234nm宽波长范围内反射率均高于95%, 对应蓝黄光区域(440~610nm)平均反射率高达98.95%, 参考波长红移可以缓解DBR反射偏振效应。利用SimuLED软件仿真计算了电极结构对芯片电流扩展能力的影响。仿真结果表明, 350mA电流输入情况下, 单金属层电极电流密度均方差为44.36A/cm2, 而双金属层环形叉指数目为3×3时, 电流密度均方差降至14.37A/cm2。双金属层环形叉指电极降低了p、n电极间距, 减小了电流流动路径, 芯片电流扩展性能明显提升。

讨论了反射镜反射率对LED光提取效率的影响, 并基于芯片与封装协同设计的原理, 针对蓝光和黄光波段, 通过TFcalc膜系仿真软件设计和优化了分布式布拉格反射镜(DBR)膜系。仿真结果表明, 单堆栈DBR结构最大反射带宽为134nm, 而双堆栈DBR结构最大反射带宽可拓展至216nm。利用参考波长红移的方式, 可以缓解DBR反射特性随入射角度增加而出现的反射谱线蓝移现象。金属增强型DBR结构能够减小反射偏振效应, 提高反射带宽和平均反射率, 并能够减小DBR厚度, 从而显著改善芯片的散热性能。

LED电极结构极大地影响着LED芯片的电流扩展能力, 优化电极结构, 能够缓解电流拥挤现象。讨论了正装LED结构和倒装LED结构的电流分布模型, 并通过SimuLED软件研究了电极结构对LED电流扩展能力的影响。仿真结果表明: 采用插指型电极结构极大提高了正装LED的电流扩展能力, 电极下方插入电流阻挡层(CBL)后改变了芯片的电流分布状况, 有利于光效的提升; 而倒装LED的通孔式双层金属电极结构利用两层金属的互联作用, 使n电极能够在整个芯片范围内均匀分布, 进一步提高了电流扩展性能。

为了改善蓝光大功率LED芯片p电极处的电流拥挤现象, 提高大功率LED芯片的外量子效率, 在ITO透明导电层与p-GaN间沉积插指型SiO2电流阻挡层。采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积SiO2薄膜, 再经过光刻和BOE湿法刻蚀技术制备插指型SiO2电流阻挡层。采用SimuLED仿真软件分析插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片电流扩展性能的影响, 研究插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片外量子效率的影响。结果发现, 插指型SiO2电流阻挡层结构可以有效改善p电极附近的电流拥挤现象。与没有沉积插指型SiO2电流阻挡层的大功率LED芯片相比, 光输出功率得到显著的提高。在350 mA的输入电流下, 沉积插指型SiO2电流阻挡层后的大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。