CN107845706A - 一种led芯片电极的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片电极的设计方法，能够通过不断模拟设计电极的结构并且通过对模拟结果进行不断优化试验验证，得出在LED芯片出光效率较高的情况下对应的电极结构中各参数的最佳值，实现了对LED芯片的出光效率的优化处理；同时，通过大量准确的模拟研究，不仅能够有效节约生产开发成本，而且能够为设计开发出高性能电极结构提供新思路。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片领域，特别是一种LED芯片电极的设计方法。
背景技术
目前，发光二极管(LED)具有体积小、发光效率高、节能、环保等优点，目前已经在照明和显示领域占据主导地位，它已经成为21世纪照明和显示领域的发展趋势。随着社会和科技的发展进步，人们对LED的要求越来越高。特别是大功率、高光效LED收到了人们的青睐。为了实现大功率、高光效LED，人们发展了芯片倒装结构、芯片尺寸封装、铜基板芯片垂直结构等技术。在芯片倒装结构当中，通过优化P电极，提高底部对光的反射率，可以有效提高LED芯片的出光效率。为了优化P电极，采用理论模拟与试验验证相结合的方法是一种较为理想的解决方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种LED芯片电极的设计方法，能够模拟设计电极的结构来优化LED芯片的出光效率。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立LED结构和性能数据库；
S2：构建LED结构模型；
S3：设定电极结构及其光学性能，并选择电极结构的其中一个参数作为变量；
S4：模拟得出不同变量参数对应的LED芯片的出光效率；
S5：筛选出出光效率较优的模拟结果；
S6：对出光效率较优的模拟结果进行试验验证，并获得试验结果；
S7：根据试验结果不断对被选择的参数进行优化；
S8：确定被选择参数的最佳值。
进一步地，所述步骤S2中构建LED结构模型的途径包括从数据库直接调用已有数据或者根据实际需要构建全新的结构模型。
进一步地，所述步骤S3中电极结构包括P电极结构或者N电极结构。
进一步地，所述步骤S3中电极结构的参数包括电极结构中的金属材料类别、金属层数或者金属层厚度。
进一步地，所述步骤S4中模拟得出出光效率的途径是通过获取LED芯片的光通量进行分析。
进一步地，所述LED芯片的光通量包括LED芯片顶部的光通量。
进一步地，所述LED芯片的光通量包括LED芯片侧面的光通量。
进一步地，所述步骤S6中的试验结果包括LED芯片的发光亮度。
进一步地，所述步骤S6中的试验结果包括电极金属层表面的反射率。
进一步地，所述步骤S7中的优化过程是指对被选择的参数在出光效率较优的模拟结果对应的范围内依次进行递增或者递减的规律取值，然后再进行试验。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种LED芯片电极的设计方法，能够通过不断模拟设计电极的结构并且通过对模拟结果进行不断优化试验验证，得出LED芯片在出光效率较高的情况下对应的电极结构中各参数的最佳值，实现了对LED芯片的出光效率的优化处理；同时，通过大量准确的模拟研究，不仅能够有效节约生产开发成本，而且能够为设计开发出高性能电极结构提供新思路。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种LED芯片电极的设计方法的具体流程图；
图2是本发明一种LED芯片电极的设计方法对应的LED芯片的基本结构图；
图3是本发明一种LED芯片电极的设计方法对应的P电极的基本结构图；
图4是本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层不同厚度下的LED芯片正面和侧面光通量变化趋势图；
图5是本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层上下表面的反射率随波长的变化趋势图；
图6是本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层不同厚度下的LED芯片亮度变化趋势图；
图7是本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Al金属层上下表面的反射率随波长的变化趋势图。
具体实施方式
参照图1，本发明一种LED芯片电极的设计方法的具体流程图，包括以下步骤：
S1：建立LED结构和性能数据库；采集各种LED的结构和性能数据，为构建LED结构模型提供基础数据，本次模拟是采用TracePro软件进行模拟。
S2：构建LED结构模型；通过TracePro软件对LED结构模型的构建途径有两种：一是从数据库直接调用已有数据，二是根据实际需要构建全新的结构模型。当通过第二种途径进行构建时，要将新构建的LED结构模型数据同时完善更新至数据库，对数据库进一步扩充。
S3：设定电极结构及其光学性能，并选择电极结构的其中一个参数作为变量；通过TracePro软件对LED结构当中的电极结构参数进行设定，其中电极包括P电极和N电极，其中参数包括金属材料类别、金属层数和金属层厚度，并设定其光学性能，所述光学性能是指材料与光相互作用时产生的各种性能，包括光的反射、吸收、折射和投射等等。当对电极结构的其中一个参数设置不同值时，需要在选定的范围内均匀地选取，同时电极的其他参数保持不变。
S4：模拟得出不同变量参数对应的LED芯片的出光效率；通过TracePro软件模拟获取LED光通量，其中所述光通量包括LED顶部以及LED侧面的光通量。所述LED光通量是指在单位时间内发射出的光量，光通量越大，即发出的光线越多。
S5：筛选出出光效率较优的模拟结果；筛选出步骤S4中出光效率较优的情况下对应的参数变量范围。
S6：对出光效率较优的模拟结果进行试验验证，并获得试验结果；在出光效率较优的情况下对应的参数变量范围内选取多个采样参数值，并根据已有的成熟工艺对多个采样参数值进行试验验证，并获得试验结果，其中试验结果是指在最优工艺条件下测试的试验结果，其中试验结果包括LED芯片发光亮度和电极金属层表面反射率。
S7：根据试验结果不断对被选择的参数进行优化；所述优化过程是指根据试验验证结果，对被选择的参数在出光效率较优的试验结果对应的范围内依次进行递增或者递减的规律取值，不断选取新的更合适的采样参数值，然后再进行试验，寻找出试验结果最佳的参数值。同时，根据电极材料特性、制备工艺优化经验对制备工艺进行优化。
S8：确定被选择参数的最佳值。选取步骤S7中最佳的试验结果对应的参数值，并作为LED芯片发光效率最高时对应参数的最佳值。
参照图2，本发明一种LED芯片电极的设计方法对应的LED芯片的基本结构图。所构建的LED模型呈长方体，并根据LED实际外延结构在衬底110上依次设置N-外延层120、量子阱130、P-外延层140，并相应设定其参数及光学性能。
参照图3，本发明一种LED芯片电极的设计方法对应的P电极的基本结构图。P电极设置在P-外延层140上，其中这里P电极的材料选择的是Cr、Al、Pt和Au，分别对应Cr金属层210、Al金属层220、Pt金属层230和Au金属层240，所述Cr金属层210、Al金属层220、Pt金属层230和Au金属层240依次设置在P-外延层140上。
参照图4，本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层不同厚度下的LED芯片正面和侧面光通量变化趋势图。本图4是LED芯片正面和侧面光通量随Cr金属层210厚度变化的折线图。本图优化的参数是Cr金属层210的厚度，其他参数保持不变，其中，最底层设置Cr的主要目的是为了实现欧姆接触和提升粘附性，但是Cr的引入会同时带来很强的吸光作用，导致整个反射电极的反射率只用70％左右，限制了芯片亮度的提升。优选地，对Cr金属层210的厚度分别选取了15、18、20、25、40、60A(埃)。由图4可以看出Cr金属层210厚度在15A-25A范围内，无论是LED芯片正面光通量、侧面光通量或者总光通量都保持在较高的范围内。同理，针对其他参数，均可以得出在不同参数值下对应的光通量，选取出光通量较高时对应的参数值。
参照图5，本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层210上下表面的反射率随波长的变化趋势图。由于从图4中可得出在光通量较高的情况下，Cr金属层210厚度在15A-25A范围内，因此优选地对15、18、20、25A厚度的Cr金属层210进行试验验证，分别得出Cr金属层210在15、18、20、25A厚度情况下Cr金属层210上下表面的反射率随波长的变化趋势图，图5为Cr金属层210在18A厚度情况下Cr金属层210上下表面的反射率随波长的变化趋势图。图5中标号为310的曲线是指Cr金属层210的下表面反射率随波长的变化曲线，下表面是指Cr金属层210接近P-外延层140的一侧表面；标号为320的曲线是指Cr金属层210的上表面反射率随波长的变化曲线，上表面是指Cr金属层210远离P-外延层140的一侧表面。
参照图6，本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Cr金属层不同厚度下的LED芯片亮度变化趋势图。由于从图4中可得出在光通量较高的情况下，Cr金属层210厚度在15A-25A范围内，因此优选地对15、18、20、25A厚度的Cr金属层210进行试验验证，得出了Cr金属层210厚度在15A-25A范围内LED芯片亮度变化的折线图。由图6最终得出：Cr金属层210厚度在18A时，LED的亮度最高。
参照图7，本发明一种LED芯片电极的设计方法的P电极Al金属层220上下表面的反射率随波长的变化趋势图。同理，也可以对Al金属层220的厚度参数进行模拟和试验，优选地对厚度为1000、1200、1400、1600、1800和2000A进行模拟，得出在1200-1800A厚度范围内对应的LED芯片的光通量较高，因此优选地再对1200-1800A厚度范围内的Al金属层220进行试验验证，最后进过多次优化后，得出Al金属层220的最佳厚度为1500A，Al金属层220上下表面的反射率随波长的变化如图7所示，对有源区光线和白光波段的光均可以达到70％以上的反射率。图7中标号为410的曲线是指Al金属层220的下表面反射率随波长的变化曲线，下表面是指Al金属层220接近P-外延层140的一侧表面；标号为420的曲线是指Al金属层220的上表面反射率随波长的变化曲线，上表面是指Al金属层220远离P-外延层140的一侧表面。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立LED结构和性能数据库；
S2：构建LED结构模型；
S3：设定电极结构及其光学性能，并选择电极结构的其中一个参数作为变量；
S4：模拟得出不同变量参数对应的LED芯片的出光效率；
S5：筛选出出光效率较优的模拟结果；
S6：对出光效率较优的模拟结果进行试验验证，并获得试验结果；
S7：根据试验结果不断对被选择的参数进行优化；
S8：确定被选择参数的最佳值。
2.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中构建LED结构模型的途径包括从数据库直接调用已有数据或者根据实际需要构建全新的结构模型。
3.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中电极结构包括P电极结构或者N电极结构。
4.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中电极结构的参数包括电极结构中的金属材料类别、金属层数或者金属层厚度。
5.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中模拟得出出光效率的途径是通过获取LED芯片的光通量进行分析。
6.根据权利要求5所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述LED芯片的光通量包括LED芯片顶部的光通量。
7.根据权利要求5所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述LED芯片的光通量包括LED芯片侧面的光通量。
8.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中的试验结果包括LED芯片的发光亮度。
9.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中的试验结果包括电极金属层表面的反射率。
10.根据权利要求1所述的一种LED芯片电极的设计方法，其特征在于：所述步骤S7中的优化过程是指对被选择的参数在出光效率较优的模拟结果对应的范围内依次进行递增或者递减的规律取值，然后再进行试验。
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