1引言

　　作为新一代环保型固态光源，GaN基LED已经成为人们关注的焦点。与传统光源相比，LED具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、相应速度快、易于调制和集成等优点，在信息显示、图像处理等领域得到广泛应用。目前，可应用到实践中的GaN基白光LED的发光效率达到了100lm/W以上，但与理论效率还有较大的差距。近些年LED单位光量的单价虽持续下跌，但在照明设备用途方面，白光LED与现有荧光灯与白炽灯单位光量的单价还相差10倍以上。为了压缩白色LED单位光量的单价差，必须进一步提高发光效率。

　　GaN基LED发光效率由发光二极管的内量子效率和光提取效率决定。随着材料生长技术以及器件结构设计的进步，内量子效率已经达到99%左右，但受GaN材料吸收、点击吸收以及GaN-空气界面全反射临界角等因素影响，LED的光提取效率仍然有很大提升空间。采用倒装LED结构，可以避免电极对光线的吸收，有效提高LED的光提取效率，但依然受到出射界面全反射的限制。有源区产生的光在出射过程中从最上层的光密戒指GaN中，两种介质的折射率相差较大，全反射的临界角约为24.5°，因此会使得出射光有很大一部分在界面处发生全反射现象而不能发射出去。对于一个典型的扁平半导体LED，因光提取效率的限制，仅有大约4%的光可以出射，96%的光反射回LED内部，最终被吸收损耗掉。

　　在LED芯片设计中，目前已经有很多方法用于降低出射界面的全反射损失，以提高光提取效率，如光子晶体、衬底图形化以及表面粗化等。实验证明，衬底图形化和表面粗化是两种最为简单有效的方法，但在结构设计与优化上海没有进行过较为深入的分析和讨论。本文采用蒙特卡罗光线追踪方法，模拟GaN基倒装LED芯片的光提取效率，比较了蓝宝石衬底剥离前后、蓝宝石单面粗化和双面粗化、有无缓冲层的LED光提取效率及光场分布，并对粗化微元结构和尺寸做了进一步选取与优化，其模拟与设计结果对提高GaN基倒装LED芯片的光提取效率具有一定的指导意义和参考价值。

　　2LED芯片结构模型与模拟方法

　　模拟的LED芯片结构如图1所示，从上至下依次为蓝宝石衬底、AIN缓冲层、n-GaN层和p-GaN层。其中蓝宝石衬底在外延生长面和出光面均可做粗化处理，n-GaN层和p-GaN层之间的多量子阱层MQWs发射的光大部分能从蓝宝石背面出射，采用p-GaN反射面沉淀Ag层的倒装焊结构，它能起到镜面反射作用，将多量子阱内产生射向P型GaN层的光有效地发射回去，使其能够从蓝宝石的表面出射。