正装结构的大广角LED芯片设计

正装结构的大广角LED芯片设计

胡坤怀,谢政璋

开发晶照明(厦门)有限公司，福建厦门 361000

摘要：针对LED直下式背光应用，对传统正装LED芯片光场分布进行优化设计。通过在芯片Sapphire面与正面面同时蒸镀DBR(DistributedBragg Reflector)来增大LED芯片侧边发光强度，以改变传统LED芯片琅勃型发光分布，设计并制作了一种大广角LED芯片。结果表明：采用双DBR设计的LED芯片的发光角接近160°，相比传统LED芯片的发光角提升了20°。本文还利用光学模拟软件TracePro进行了建模仿真，发现采用双DBR结构设计的大角度LED芯片在无透镜的直下式背光应用中，屏幕的均匀性明显优于传统LED。

关键词：直下式背光；双DBR设计；大角度LED

1引言

LED由于具有体积小、寿命长、响应时间快等特点，已广泛应用于背光领域。LCD显示技术从最初的CCFL到LED背光，再到如今的Mini-LED背光，背光技术的不断发展，使得屏幕的显示效果不断提升，以满足人们越来越高的视觉要求。目前LED背光应用可分为直下式背光和侧入式背光[1]。综合对比两种背光方式可以发现，在显示屏较小的LCD面板上一般使用侧入式背光模组，而如果是电脑显示屏、电视等则通常采用直下式，其原因就是侧入式背光的结构中，需要增加导光板[2]以将侧面入射的光线偏折射向扩散板[3-4]等光学薄膜，一方面导光板的添加增加了成本，另一方面导光板在偏折光线的时候会造成光线的能量损失，导致光能利用率低且不适用于局部动态调光，因此目前可实现Local-Dimming的直下式背光更受市场青睐。直下式LED背光可以通过局部动态调光技术降低功耗、实现更精细的HDR分区、实现超高对比度。由于传统LED发光呈现琅勃型分布，LED直下式背光为实现屏幕均匀，通常会在LED前增加透镜[5-6]进行二次配光以增大出光角度，但随着背光技术的不断发展，人们对屏幕的要求越来越轻薄化，传统的LED搭配透镜设计不仅会造成光损耗，还会限制屏幕的厚度。本文针对直下式背光应用，通过在芯片Sapphire面和电极面同时蒸镀DBR，设计了一种大广角LED芯片，其发光角度可达155°~160°，相比于传统LED发光角度提升了20°，在无透镜的直下式背光应用中屏幕的均匀性更具优势。

2大广角LED设计与制作

传统正装LED结构如图1所示，GAN内部电子空穴复合产生的光子存在于任意方向，为了提升芯片发光效率，会在Sapphire面蒸镀一层高反射DBR膜层，用来将向Sapphire面入射的光反射回芯片正面。传统LED芯片发光强度分布呈现琅勃型（如图2），即轴向光最强，芯片的光主要集中在芯片正上方，因此在做直下式背光源时，芯片正上方会出现明显的颗粒感，造成屏幕亮暗不均。为了实现屏幕均匀，只能在LED前按照光学透镜进行二次配光，不仅会造成成本升高还会增加屏幕的厚度。为此本文设计了一种新型的LED结构，可有效增大LED芯片发光角度，使LED芯片在直下式背光应用中更具优势！

         图1传统LED结构图                       图2 传统LED光场分布

2.1 大广角LED设计

为了使LED芯片在直下式背光应用中更具优势，设计了一种大广角LED芯片。大广角LED芯片采用双DBR结构设计（如图3），是在传统LED芯片基础上将PV层换成DBR2层，DBR2层即可作为绝缘层保护芯片，又可作为光学薄膜反射层。其作用原理是在芯片出光面蒸镀DBR2光学膜堆，以降低芯片正面发光强度，但DBR2的反射光谱又不能太宽，光谱太宽意味着DBR2对各个角度的光线均具有较高的反射率，这样会导致所有到达芯片正面的光都会被反射回GaN内部，光在GaN内部来回反射的过程中会被GaN、ITO、PAD等吸收，会造成大量的光损耗且产生大量的热量，对芯片的发光效率及可靠性均会产生较大的影响。 因此，大角度LED芯片中DBR2的设计最为关键。

图3大角度LED结构图

由于GaN中电子与空穴复合时产生的光子的方向是不固定的，因此有一部分的光的方向是朝着Sapphire面出射的，最终被基板或固晶胶吸收损耗掉，因此需要在Sapphire面蒸镀光学膜堆DBR1，以提升LED芯片的发光效率。DBR1需要最大化的将所有光反射回去，要对各个角度的光均具有较高的反射率，所以DBR1光学膜堆通常设计比较厚且反射谱很宽（如图4）。为了保证芯片的发光效率和可靠性，与DBR1设计不同，DBR2对不同角度的光需要具有不同的反射率。为了提升芯片的发光角度，需要降低芯片轴向的光强、增加芯片侧向的光强，因此DBR2对轴向光需要具有较高的反射率，但对侧向光需要具有较高的透射率，所以DBR2光学膜堆通常设计比较薄且反射谱较窄（如图4）。

图4 LED光线传输示意图

光线在大广角L

ED芯片内部传输过程如图5所示，当O点发出的光线A到达DBR2处的入射角大于30°时，则DBR2具有较高的透过率，光线A可以直接穿透DBR2出射；当O点发出的光线B、C到达DBR2处的入射角小于30°时，则DBR2具有较高的反射率，光线B、C会被反射回LED芯片内部，再被DBR1与DBR2来回反射的过程中，光线B、C到达DBR2处的入射角不断变化，直到光线B、C入射角大于30°时，则可以直接穿透DBR2出射。因此双层DBR设计可有效降低LED芯片轴向光强、增加LED芯片侧向光强，进而实现大广角出光。

图5 LED光线传输示意图

2.2 大广角LED芯片制作

为了验证双DBR结构LED的发光效果，需要制作LED芯片实物进行验证，本实验选择了市场上常见的用于直下式背光的正装LED芯片1026，此款LED芯片外观设计如图6，芯片尺寸：250umX650um，芯片厚度：100um，PAD直径：70um。

图6 LED外观设计图

芯片结构及尺寸设计确定后便可开始制作芯片，大角度LED芯片相较于传统芯片少了PV层但多了DBR2光学膜堆，制作过程简单概括如下：a、外延片有机洗+酸洗；b、通过Mesa黄光与干法蚀刻，暴露出N-GaN；c、先整面沉积SiO2，再通过CB黄光及湿法蚀刻得到CB图形；d、先整面沉积ITO，再通过ITO黄光及湿法蚀刻得到ITO图形；e、先进行PAD黄光，再整面蒸镀PAD，最后利用Metallift-off得到PAD图形；f、先在芯片正面蒸镀DBR2，再通过DBR2黄光及干法蚀刻，去除PAD上的DBR；g、通过研磨及抛光使芯片厚度减薄至100um；h、在芯片Sapphire面整面蒸镀DBR1；i、通过隐切和劈裂，使整片的Wafer分裂成芯片；最终得到了具有双DBR结构的大广角1026芯片，如图7。

图7 LED外观设计图

3大广角LED光场测试与应用模拟

为了测试实验制作的大广角LED的光场分布，先将实验制作的大广角LED芯片固晶在3535陶瓷支架上，再将支架固定在LED光场分布测试仪的基座上，最后给芯片通入20mA电流即可得到大广角LED芯片的光场分布图（如图8）。从图8中的光场分布图可以看出，大广角LED芯片的轴向光强度明显减弱，侧向光明显增强，光强极大值出现在±45°位置处，芯片的发光角接近160°，相比于传统LED的琅勃型发光分布，大广角LED芯片发光角提升了20°。

图8 大广角LED光场分布图

为了验证大广角LED芯片在直下式背光系统中的应用效果，在TracePro软件中建立了LED直下式背光系统模型，如图9。模型为简化的LED直下式背光系统，主要由反光板、LED阵列和扩散板组成，其中发光板表面属性设置为完全反射，扩散板表面属性设置为完全吸收，LED芯片Pitch=10mm，屏幕厚度OD=6mm，所有参数设置均参考直下式LED背光实际应用参数，使模拟结果更接近实际应用。

图9 LED直下式背光模型

仿真模型建立后，分别将传统LED光场分布数据（图2）及大广角LED光场分布数据（图8）导入LED阵列中，进行蒙特卡洛光线追迹，由于扩散版面属性设置为完全吸收，仿真后即可得到LED阵列发出的光线在扩散板上的光强分布，也即得到LED直下式背光应用中的屏幕光强均匀性分布，如图10。从图10中可以看出，在没有光学透镜进行二次配光的情况下，传统LED在直下式背光应用中芯片正上方光强突出，屏幕颗粒感明显，而在形同模拟参数下，大广角度LED可明显改善颗粒感，屏幕均匀性得到明显提升！

A：传统LED                         B：大广角LED

图10 LED直下式背光屏幕效果

4结论

本文针对LED直下式背光应用，提出并设计了一种双DBR结构的大广角LED芯片。大角度芯片是在传统正装LED芯片出光面蒸镀一层DBR2，该DBR2光学膜堆经过特殊的设计，对轴向光具有较高的反射率且对侧向光具有较高的透过率，从而能够降低芯片的轴向光强并增加芯片的侧向光强，进而实现芯片的大角度光场分布。本文还基于理论设计制作了大广角LED，测试结果表明：大广角LED发光角可以达到近160°，比传统LED发光角高20°。本文还利用TracePro软件建立了直下式背光系统模型，并将实测的LED光场分布数据导入模型进行仿真，仿真结果表面：大广角LED芯片在直下式背光应用中，屏幕均匀性远优于传统LED，具有较高的应用前景。

参考文献

[1]王一皓. 直下式LED背光光学系统设计:（硕士学位论文) .大连:大连工业大学，2018

[2] 骆健忠，陈哲，张永林，等. 侧光平板式导光板散射网点设计及仿真[J]. 液晶与显示，2006, 21(3):206-213.

[3]何晓祥，吴大鸣，郑秀婷. 扩散板表面微结构对均匀度与透光率的影响 [J]. 液晶与显示，2012，27(2):153-157.

[4] 梁德娟，赖丽萍，庄其仁，等. 掠射式双面三棱柱阵列微结构扩散板的研究[J]. 光学学报，2014，34(6):0622005.

[5]Whang Allen Jong-Woei, Chen Yi-Yung,Teng Yuan-Ting. Designing uniform illumination systems by surface tailored lens and configurations of LED arrays[J]. Journal of Display Technology, 2009, 5(3):94-103.

[6]颜稳萍，郭震宁，林介本，等. 实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计[J]. 光子学报，2015, 44(1):0122002.