Világító diódák emissziójának szimulációja Monte Carlo sugárkövetés módszerével

Átírás

1 Világító diódák emissziójának szimulációja Monte Carlo sugárkövetés módszerével Borbély Ákos, Steve G. Johnson Lawrence Berkeley National Laboratory, CA

2 Az előadás vázlata Nagy fénysűrűségű fehér világitó diódák: InGaN LED chip és foto-lumineszcens fénypor. A tokozott LED hatékonysága erősen függ a chipből kinyerhető sugárzás mennyiségétől. LED chip testmodell építése és optikai szimulációja. Vizsgálatok a Monte Carlo sugárkövetés módszerével: különböző törésmutatójú tokozások, chip alakjának formálása, GaN technológiák extrakciós hatásfoka.

3 LED extrakciós hatásfoka A sugárzás extrakciója (light extraction) fontos probléma: az összetett félvezető LED chip nagy törésmutatójú rétegekből áll (n SiC = 2,7 ;n GaN = 2,4), ezért a rekombináció során létrejövő sugárzás jelentős hányada teljes visszaverődést szenved a chip faláról. η extr = emittált fotonok / a rekombináció során létrejött fotonok Az extrakciós hatásfok növelésének előnye kettős: csökken a chip hőmérséklete, ezzel együtt nő a belső kvantumhatásfok. Az extrakciót növelő technikák: a chip alakjának formálása, felületi durvaságának növelése, nagy törésmutatójú tokozás alkalmazása.

4 Fényforrás szimuláció sugárkövetéssel Cél: a fényforrás karakterisztikájának szimulálása: a mért térbeli sugárzáseloszlás reprodukálása a tokozás optikai tervezéséhez. Eszköz: A geometriai optika törvényei alapján működő világítástechnikai stochasztikus (Monte-Carlo) programozható (LISP) sugárkövető (ray tracing) szoftver. Hogy minél jobb egyezést kapjunk, plauzibilis határok között változtattuk a LED chip komponenseinek optikai tulajdonságait. Gyakorlati okokból NEM modelleztük: - a rétegek határfelületének speciális tulajdonságait, - a chip felszínének térbeli mintázatát. A fentiek elhanyagolása torzítja a szimuláció eredményeit.

5 LED chip és modellje A Cree XB900 LED chip EM-os felvétele és testmodellje. Fénymikroszkópos mérések alapján határoztuk meg a méreteket.

6 LED model internal structure SiC alapú InGaN LED a rétegstruktúrát és az összetevők optikai tulajdonságait a gyártó közreműködésével határoztuk meg. A rekombináció során a fotonok véletlen irányokba indulnak, így modellünkben is a sugarak, az aktív réteg izotróp sugárzó felület. Monokromatikus sugárzás az emisszió maximumának hullámhosszán (475 nm).

7 A térbeli sugárzáseloszlás mérése A fényáramot és a sugárzás térbeli eloszlását speciális mini goniofotométerrel mértük, mely több mint 2Π sr térszögben pozícionálható ([0-100 ] az optikai tengelytől, körülötte [0-360 ], 5 lépésközzel). A sorozat felvételénél CCD kamerát tettünk a detektor helyére

8 Reative luminous intensity Mért térbeli sugárzáseloszlás avg avg+st dev avg-st dev st dev Angle (deg) A sugárzási karakterisztika hengeresen szimmetrikus (± 4%) az optikai tengely körül (levegőben mérve).

9 Relative luminous intensity Mért és szimulált térbeli karakterisztikák modeled measured error angle (deg) A modellezés célja a LED térbeli sugárzáseloszlásának reprodukálása volt. Maximum értékeikre normalizáltan a mért LED és a modell relatív fényáramának különbsége ~ 1 %. i

10 A LED tokozásának vizsgálata A LED chipeket általában tokozásba ágyazva üzemeltetik, tipikusan n ~ 1,5 törésmutatójú polimereket alkalmaznak. A tokozás kívánatos jellemzői: - jó hővezető képesség, - hőtágulási együttható egyezzen a LED chipével, - az eszközével egyező élettartam, - teljesen átlátszó, - nagy törésmutató. (?) Változtatható törésmutatójú közegben teszteltük a LED chipet. Méréssel ellenőriztük a szimuláció eredményeit. Olyan kísérleti összeállítást kerestünk, melyben a fényáram a tokozás törésmutatójának függvénye és fizikailag is könnyen megvalósítható.

11 Változtatható törésmutatójú tokozás Félgömb alakú üvegbúrában különböző törésmutatójú immerziós folyadékok: n = {1,412; 1,508; 1,612; 1,652}. A relatív fényáramot goniofotométerrel mértük. Korrekció a közegben elnyelt sugárzás miatt.

12 LE efficiency [%] A szimuláció eredménye refractive index of media A szimulált LED chip fényáramának változása a tokozás törésmutatójának függvényében.

13 relative efficiency [%] Mért és szimulált eredmények Cree chip simulation Measured values refractive index of media A LED-et különböző törésmutatójú folyadékokba merítve mértük a fényáram változását. A mért és szimulált értékek korrelációja 98 %.

14 Generated light % A sugárzást elnyelő rétegek SiC absorption GaN absorption InGaN absorption LE efficiency refractive index of encapsulation abszorpciós e.h. [mm -1 ] törésmutató, n SiC 0,32 2,7 GaN 12,5 2,4 InGaN 12,5 2,4

15 A LED chip formázásának előnye A nagy törésmutatójú chip alakjának formálása javítja az extrakciós hatásfokot, a beesési szög megváltoztatása növeli a foton emissziójának valószínűségét. Hipotetikus LED modell: a rétegszerkezet és az összetevők optikai tulajdonságai megegyeznek a valódi, formázott chipével. formázott alak standard alak

16 Standard és formázott chip extrakciós hatásfoka LED modell extrakciós hatásfoka (n = 1): 24.1 % (formázott chip) 9.3 % (standard chip)

17 LE efficiency % A két modell optikai közegben formázott chip (n medium = 1.5) shaped chip square SiC refractive index of media standard chip (n medium = 1.5) A formázott chipből különösen kisebb törésmutató esetén lép ki több sugárzás.

18 LE efficiency [%] SiC és Al 2 O 3 alapú chipek hatékonysága Al 2 O 3 n = 1, shaped chip block SiC block Al 2 O 3 SiC n = 2, refractive index of media Hipotetikus, standard alakú chipek: a SiC réteget Al 2 O 3 ra cserélve jó hatásfokú kisebb törésmutatójú (n ~ 1,6) tokozásban is. A törésmutatót tovább növelve (n > 1,7) azonban már csak a SiC alapú chip hatásfoka nő, túllépve az Al 2 O 3 alapúét (n > 2,1).

19 Következtetés A Monte Carlo surgárkövetés módszere alkalmas szilárdtest fényforrások extrakciós hatásfokának vizsgálatára. Eredményeink alapján elmondható, hogy a SiC alapú InGaN LED chip-ek extrakciós hatásfoka jelentősen növelhető a vizsgált technikákkal, különösen a nagy törésmutatójú tokozással.

20 Köszönöm a figyelmet!