像素分割對LED電流密度及光照度分布的影響

包興臻， 梁靜秋， 梁中翥， 秦余欣， 呂金光， 王維彪*

(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室， 吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

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像素分割對LED電流密度及光照度分布的影響

包興臻1,2， 梁靜秋1， 梁中翥1， 秦余欣1， 呂金光1， 王維彪1*

(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室， 吉林 長春 130033；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

將300 μm×300 μm LED芯片陣列化為間隔為20 μm的3×3個80 μm×80 μm的子單元，陣列化后，總飽和光輸出功率是未陣列化前的5.19倍，最大注入電流提高近7倍，表明陣列可以注入更大的電流和輸出更高的飽和光功率。此外，采用多顆陣列化后的LED芯片形成的芯片組照明，得知芯片組間距為最大平坦條件dmax時，接收面上照度均勻性最佳；芯片組數(shù)越多，接收面上均勻照度的面積越大。同時，9顆300 μm×300 μm的芯片陣列化為9個80 μm×80 μm LED芯片后，以dmax排列照明相對于9顆未陣列化的300 μm×300 μm芯片以dmax排列照明時，接收面上的光照度均勻性不變，照度值提高了3倍。

LED陣列； 電流密度； 芯片尺寸； 芯片間距； 光照度

1 引 言

LED以其光電轉(zhuǎn)換效率高、直流驅(qū)動電壓低、發(fā)光效率高、體積小、壽命長、耗能低、發(fā)熱低等特點已經(jīng)被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，諸如汽車尾燈/頭燈、普通照明、交通信號顯示、微芯片檢測器以及顯示屏的背光源等[1-3]。隨著科技發(fā)展和社會進(jìn)步，LED在已有應(yīng)用領(lǐng)域的需求不斷增長，而新技術(shù)的應(yīng)用使得LED有了更大的發(fā)展空間。微小型LED陣列作為一種結(jié)合了微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和LED制作工藝的新型器件，結(jié)合了兩者的優(yōu)點，將LED的應(yīng)用推向更寬廣、更新穎的領(lǐng)域，如自發(fā)光微顯示器件[4]、用于固態(tài)照明光源的電流交互式高壓單芯片LED[5]、可見光通信以及光生物工程等[6-7]。與大面積LED相比，微小型LED陣列具有優(yōu)越的電學(xué)及光學(xué)性能，能維持很高的電流密度(>10 kA/cm2)[8], 同時由于張力的減小而增加了內(nèi)部光效[9]，提高了光輸出效率[10]?；谖⑿蚅ED陣列器件的優(yōu)越性能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱學(xué)、電學(xué)等方面的性能研究也取得了一定的進(jìn)展[11-13]。結(jié)構(gòu)尺寸是微小型LED的主要特征，目前的研究結(jié)果表明，當(dāng)輸入功率密度相等時，熱效應(yīng)的作用使LED的發(fā)光效率隨尺寸的減小而增加[14-15]。例如，在1 mm2的

芯片上制作出452個微型LED陣列進(jìn)行照明，在相同的注入電流密度下，LED陣列的相對光強遠(yuǎn)大于相等面積上無陣列的單元強度，LED 陣列的光功率密度達(dá)到非陣列芯片的3倍[16]。同時，光照度的均勻性依賴于多LED 芯片照明時芯片的數(shù)量、芯片陣列到目標(biāo)的距離以及被照明的區(qū)域面積等[17]。通過改變相鄰 LED 芯片之間的空間距離，可得到不同的照度分布形式。

本文主要研究將大尺寸LED芯片陣列化后的光強變化以及陣列化尺寸對子單元電流密度分布的影響。此外，對采用陣列化后的多顆 LED 芯片進(jìn)行排布時，芯片數(shù)與芯片間距不同對接收面照度的影響進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：將大尺寸LED芯片陣列化后可提高發(fā)光強度及照度，且陣列化后的子單元尺寸越小，電流密度分布越均勻；多顆LED芯片排布時，芯片間距越小，接收面中心照度越高；芯片數(shù)越多，接收面上均勻照度分布面積越大。

2 芯片尺寸對電流密度的影響

LED芯片尺寸與電極結(jié)構(gòu)對芯片的電學(xué)性能有著重要的影響。芯片尺寸對芯片電學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在對子芯片內(nèi)部電流密度的影響，而對電流密度的影響則體現(xiàn)在對芯片電流擴展長度的影響。按照Guo等[18-19]的理論，電流擴展長度LS為電流密度減小到邊緣電流密度的1/e時的電流密度：

Fig.1 Current density distribution contrast for the chips with different pixel sizes. (a)L=20 μm. (b)L=50 μm. (c)L=100 μm. (d)L=150 μm.

(1)

式中，ρp、ρn分別為p型和n型層的電阻率，tp、tn分別為p型和n型層的厚度，ρc代表p型接觸電阻率。當(dāng)垂直電阻Ru總值上的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于kT/e，即IRv=J(ρc+ρptp)?kT/e時(k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度，e為電子電荷)，一維電流密度分布可表示為：

(2)

式中，J0為芯片中電極覆蓋部分的電流注入密度。電極覆蓋位置一般設(shè)置在芯片中心，從芯片中心至芯片兩邊的電流呈軸對稱分布，因此只需分析一邊的電流分布即可。對LED芯片右半部分進(jìn)行分析，其發(fā)光面積(LW)按照沿單元長度L與單元寬度W進(jìn)行分割，則L方向上的電流密度[20]可表示為：

(3)

對4種不同L下的電流密度分布進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖1所示。

從圖1的計算結(jié)果可看出，L越大，電流擁擠現(xiàn)象越明顯，電極附近的電流密度越大。在遠(yuǎn)離電極的部分，電流密度下降，電流擴展不均勻，導(dǎo)致芯片發(fā)光不均勻，局部會出現(xiàn)過熱，發(fā)光效率下降。且隨著芯片尺寸的增大，電流分布的不均勻性更加明顯。為獲得均勻的電流密度分布，將LED芯片陣列化時，子單元尺寸設(shè)計需遵循L/LS≤1的原則，同時結(jié)合工藝條件及應(yīng)用需求等因素綜合考慮。

3 LED芯片的陣列化效應(yīng)

通常為提高LED光源的發(fā)光亮度需增加注入電流，由此造成LED結(jié)溫會隨之升高，芯片中電流擁擠效應(yīng)增強，限制了飽和光功率的輸出，容易導(dǎo)致芯片局部效率降低甚至損壞，從而降低LED的壽命[21]。為了克服或降低電流擁擠現(xiàn)象對芯片的影響，將LED芯片陣列化為許多微小子芯片，可以降低大注入電流下的LED結(jié)溫升高及電流擁擠效應(yīng)。根據(jù)上述分析，結(jié)合實際工藝，我們以300 μm×300 μm的LED單元為例進(jìn)行分析研究。將300 μm×300 μm的LED芯片陣列化為9顆80 μm×80 μm的子芯片，間隔為30 μm，其陣列化前后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 300 μm×300 μm的LED芯片(a)和陣列化為9顆80 μm×80 μm的子芯片(b)的示意圖

Fig.2 Schemetic diagram of LED chip with 300 μm×300 μm area (a) and nine 80 μm×80 μm small chips(b)

于芯片中央設(shè)置條形電極，如圖2所示。陣列化后，結(jié)構(gòu)采用矩陣尋址(串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即列串行并的驅(qū)動方式)的方式驅(qū)動。為分析方便及控制變量，電極結(jié)構(gòu)保持一致，電極覆蓋單元面積的比例相等。設(shè)置陣列單元電極覆蓋面積為80 μm×15 μm。由于電極覆蓋單元面積比例相等，則300 μm×300 μm芯片的電極覆蓋面積為300 μm×56.25 μm，其正向有效出光面積為73 125 μm2；而80 μm×80 μm子芯片在該面積內(nèi)正向出光面積為5 200 μm2，9個子芯片陣列正向總發(fā)光面積為46 800 μm2，為300 μm×300 μm芯片正向發(fā)光面積的64%。但9個子芯片陣列之間存在空白間隙，因此還包括側(cè)向出光面，增加了有效光輸出面積，提高了光線逃逸芯片的幾率。分別對300 μm×300 μm、80 μm×80 μm及20 μm×20 μm大小的芯片光輸出功率隨注入電流大小的變化進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同尺寸LED的光輸出功率隨注入電流的變化曲線

Fig.3 Output powerversusinject current of LED with different chip sizes

從圖3測試結(jié)果可知，300 μm×300 μm的 LED芯片的飽和光輸出功率約為2.6 mW, 80 μm×80 μm芯片的飽和光輸出功率約為1.5 mW。9個陣列芯片總的光輸出飽和功率之和為13.5 mW。從結(jié)果看，飽和輸出功率是未陣列化芯片輸出功率的5.19倍。80 mA之后，300 μm×300 μm芯片的光輸出功率達(dá)到飽和，之后隨輸入電流的增加而衰減。陣列單元在60 mA達(dá)到飽和輸出，然后隨輸入電流的增加開始衰減，飽和情況下總電流達(dá)540 mA，是80 mA的近7倍。該結(jié)果表明，LED芯片陣列化后可以注入更大的電流和輸出更大的飽和光功率。單芯片(300 μm×300 μm)LED的輸出光功率會在飽和之后隨注入電流的增加而大幅下降，甚至燒毀芯片。所以LED陣列在較大輸入電流情況下的優(yōu)勢更大。其原因是陣列化后，單元芯片的出光效率有所提高，電流擁擠效應(yīng)明顯減弱，穩(wěn)定性增強，能承受較大的飽和輸入電流。

對300 μm×300 μm芯片和其陣列化為9個80 μm×80 μm子芯片后在飽和光輸出功率下的光照度進(jìn)行了分析和模擬計算，結(jié)果如圖4所示。

從版圖4得知，在飽和光輸出功率下，將300 μm×300 μm的芯片劃分為9個80 μm×80 μm的子芯片后，接收面上的光照度提高了近5倍，和前述分析相吻合。多個子芯片在接收面上的光照度相互疊加，從而導(dǎo)致接收面上的光照度大小及分布發(fā)生了變化。因此，將大尺寸LED芯片陣列化后可以增大輸入電流，提高光輸出效率和輸出功率，用于照明可提高光源的照度。

圖4 (a)300 μm×300 μm發(fā)光芯片在接收面上的照度分布；(b) 9個間距為30 μm、大小為80 μm×80 μm的子單元在接收面上的光照度分布。

Fig.4 (a) Luminescence intensity on receiver of 300 μm×300 μm LED cell. (b) Luminescence intensity on receiver of nine single pixel with size of 80 μm×80 μm and border pitch of 20 μm.

4 LED芯片模組中芯片間距及芯片數(shù)對光照度的影響

將陣列化后的多顆LED芯片排布形成芯片模組用于照明，可提高照度的均勻性[22]。當(dāng)采用多顆LED芯片組成的芯片模組用于照明時，照度的均勻性依賴于LED芯片的數(shù)量、間距、芯片組到接收面的距離、接收面的尺寸以及LED芯片的光束輻射形狀等[23]。通過調(diào)整芯片組中LED芯片的空間布局，可以獲得不同的照度分布形式。多個LED芯片陣列化為子芯片后，以間距d排布照明的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

通常用照度均勻性來評價被投影面積上的光照度分布。接收面上的照度變化率可用下式表示：

(4)

式中，Emax和Emin分別代表接收面上照度的最大值與最小值，單位為W/m2。

單個LED發(fā)光芯片發(fā)出的光束呈Lambertian分布[24]，其照度分布滿足：

圖5m×n個LED芯片陣列化后以間距d排布的照明示意圖

Fig.5 Schematic diagram ofm×nLED chips arranged with the distance ofd

(5)

式中，θ表示視角，E0(r)是距離r處沿光軸方向的光照度，m是常數(shù)。當(dāng)m=1時，光源是理想的Lambertian輻射體。實際中，m>1,m可表示為:

(6)

θ1/2表示當(dāng)光照度為0°視角光照度的1/2時的視角。設(shè)接收面為一個平面，單個LED芯片位于坐標(biāo)(X,Y,0)，則接收面上任一點P(x,y,z)處的光照度可表示為：

(7)

式中，ILED=LLEDALED,表示LED芯片的發(fā)光強度,單位為W/sr；LLED表示LED的輻亮度,單位為W/(m2·sr)；ALED表示LED的發(fā)光面積。

當(dāng)只有兩個LED芯片照明時，接收面上的照度可表示為兩個LED芯片照度的疊加：

(8)

式中，d表示相鄰兩個LED芯片之間的間距。采用斯派洛法則，在x=0,y=0時，令?2E/?x2=0，得到d的最大平坦條件：

(9)

從上式可知，dmax與m和z(LED芯片與接收面之間的距離)密切相關(guān)。

如果LED芯片組是由N×M個發(fā)光芯片組成的方陣，則當(dāng)N、M為奇數(shù)時，接收面上P(x,y,z)處的光照度[25]可表示為：

(10)

N、M為偶數(shù)時，接收面P(x,y,z)處的光照度可表示為：

圖6d=dmax時，3×3(a)、7×7(b)、13×13(c)和25×25(d)陣列的三維光照度分布圖。

Fig.6 Three-dimension irradiance distribution of 3×3 (a), 7×7(b), 13×13(c), 25×25(d) LED arrays withd=dmax.

(11)

基于以上理論及應(yīng)用需求，我們研究了芯片間距及芯片數(shù)對接收面光照度的影響。設(shè)定z=10 mm,θ1/2=12°,計算得m=32，dmax=3.38 mm。圖6為3×3、7×7、13×13、25×25單元組的三維光照度分布。

圖7d>dmax時，3×3(a)、7×7(b)、13×13(c)和25×25(d)陣列的三維光照度分布圖。

Fig.7 Three-dimension irradiance distribution of 3×3 (a), 7×7(b), 13×13(c), 25×25(d) LED arrays withd>dmax.

每個LED芯片的光照度分布相當(dāng)于一個Gauss分布，接收面上的光照度分布是每個LED芯片照度分布的疊加。從圖6可知，當(dāng)d=dmax時，隨著芯片數(shù)的增加，接收面上均勻光照的面積增大。但當(dāng)d>dmax時，接收面上的光照度分布發(fā)生改變，其對應(yīng)的模擬分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7得知，當(dāng)d>dmax時，LED芯片組在接收面上的光照度分布接近于單個LED芯片的獨立分布，LED芯片之間幾乎互不影響，且接收面上光照度均勻性降低。圖8與圖9分別展示了25×25陣列在d=dmax和d>dmax下的一維光照度分布對比與接收面上的光照度分布。

圖8d=dmax(a)與d>dmax(b)時，25×25陣列的一維光照度分布。

Fig.8 One-dimension irradiance distribution of LED array with 25×25 cells ford=dmax(a) andd>dmax(b)

從圖8與圖9的模擬計算結(jié)果亦可得知，d>dmax時，接收面上的光照度大小及照度均勻性均下降，陣列中每個發(fā)光芯片在接收面上的光照度幾乎獨立，互不影響。而d=dmax時，接收面上照度分布均勻，每個發(fā)光芯片在接收面上的光照度互相疊加，形成均勻的照明面積。對d

從圖9與圖10的對比得知，當(dāng)d

圖9d=dmax(a)與d>dmax(b)時，25×25陣列在接收面上的光照度分布。

Fig.9 Irradiance distribution on target receiver of LED array with 25×25 cells ford=dmax(a) andd>dmax(b)

圖10d

Fig.10 Irradiance distribution on target receiver for LEDs arrays with 25×25 cells LED array with 25×25 cells ford

為對比陣列化前后的照度分布，我們以300 μm×300 μm面積的芯片作為一個模塊，對比了兩種結(jié)構(gòu)的照明分布：(a) 9個模塊以dmax=3.38排布照明；(b)9個80 μm×80 μm芯片組成一個模塊，9個模塊再以dmax=3.38排布照明。其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 (a) 9個300 μm×300 μm芯片以dmax排布照明時的結(jié)構(gòu)分布圖；(b) 每9個80 μm×80 μm子芯片組成一個模塊(每個模塊面積為300 μm×300 μm)后，9個模塊以dmax=3.38排布照明時的結(jié)構(gòu)分布圖。

Fig.11 Structural disstribution chart of nine 300 μm×300 μm chips ranked withdmax(a) and nine modules formed by 80 μm×80 μm LED chips (each module area of 300 μm×300 μm) ranked withdmaxfor illumination (b)

300 μm×300 μm芯片的發(fā)光面積為90 000 μm2，而該面積上陣列化后的9個80 μm×80 μm子單元組成模塊的發(fā)光面積為57 600 μm2。根據(jù)圖2的結(jié)果可知，9個80 μm×80 μm子單元組成的模塊組的光功率為300 μm×300 μm的5倍。根據(jù)公式(11)，我們對圖11所示兩種結(jié)構(gòu)的光照度進(jìn)行了計算，得到接收面上的一維光照度分布如圖12所示。

從圖12可知，300 μm×300 μm芯片陣列化前后在接收面上的照度均勻性幾乎一致，但陣列化后的照度是陣列化前的3倍多。這是由于照度均勻性取決于多芯片或多模塊照明時，芯片或模塊的間距d的大小，而照度的大小則取決于芯片或模塊的光強大小。因此，陣列化排布照明可提高接收面上的照度。

Fig.12 (a) One-dimension irradiance distribution of LED array shown in Fig.11 (a). (b) One-dimension irradiance distribution of LED array shown in Fig.11 (b).

5 結(jié) 論

LED芯片陣列化后用于照明有助于提高光源的發(fā)光強度及接收面上的照度均勻性。陣列化后，子發(fā)光單元尺寸越小，電流密度分布越均勻。為得到均勻的電流密度分布，陣列化時，子發(fā)光單元尺寸的設(shè)計需盡量遵循L≤LS的原則，子單元間距的設(shè)計需結(jié)合工藝難度、應(yīng)用需求及散熱等問題綜合考慮。在最大平坦條件下，即d=dmax時，接收面上的光照度分布達(dá)到最佳。且在最大平坦條件時，隨著LED芯片數(shù)的增多，均勻光照的面積增大。通過設(shè)計芯片陣列化后的子單元尺寸大小、多個陣列化芯片重組排列照明時的芯片間距等可以使陣列芯片照明效果達(dá)到最優(yōu)化。本研究對LED微陣列芯片用于照明時的設(shè)計及制作有一定的指導(dǎo)作用。

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包興臻(1987-)，男，甘肅慶陽人，博士研究生，2014年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事LED微陣列器件設(shè)計及制作方面的研究。

E-mail: baoxingzhen@126.com王維彪(1962-)，男，江蘇揚州人，研究員，博士生導(dǎo)師，1999年于中科院長春物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光電信息功能材料、器件及應(yīng)用方面的研究。

E-mail: wangwbt@126.com

Current Density and Irradiance Distribution of Light-emitting-diode-array Device with Divided Pixels

BAO Xing-zhen1,2, LIANG Jing-qiu1, LIANG Zhong-zhu1, QIN Yu-xin1, LYU Jin-guang1, WANG Wei-biao1*

(1.StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

When a 300 μm×300 μm chip is divided into 3×3 small chips with 20 μm adjacent spacing, the total saturated output power enhances up to 5.19 times and the maximum inject current increases 7 times nearly. The consequences indicate LED chip with smaller pixels array can possess greater inject current and higher saturated output power than the primary chip. Meanwhile, the effects of chips number and LED chips distance for irradiance distribution on target plane illuminated by multi-LED chips are studied. The irradiance uniformity reaches its peaks when LED chip-to-chip distance equals to maximum flat conditiondmax. In addition, the irradiance uniformity area is increasing when the number of LED chips increasing. When the target plane is illumined by nine 300 μm×300 μm LED chips with distancedmaxand each chip is divided into nine 80 μm×80 μm smaller pixels, the irradiance value is 3 times as primary LED chips array while the uniformity of irradiance not changing.

LED arrays; current density; chip size; chip-to-chip distance; irradiance

1000-7032(2016)11-1399-09

2016-05-30；

2016-06-27

國家自然科學(xué)基金(61274122)； 吉林省科技發(fā)展計劃(20100351，20120323)； 長春市科技計劃(2013269)資助項目

TN383+.1； O439

A

10.3788/fgxb20163711.1399

*CorrespondingAuthor,E-mail:wangwbt@126.com