专利名称：一种图形化衬底的led芯片模型的设计方法
技术领域：
本发明涉及LED芯片模型的设计，特别涉及一种图形化衬底的LED芯片模型的设计方法。
背景技术：
发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源，具有节能、环保、长寿以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。针对提高LED效率的问题，图形化衬底技术作为一种有效的解决方案，正逐渐被广泛应用于LED芯片的研究与制作当中。对于较早提出的其他解决方案，如表面粗化、光子晶体技术等，图形化衬底可以直接有效地改变光在衬底中的传播路径，在保证良好外延晶体质量的 前提下大大提高LED的外量子效率，体现出更佳的技术优势。而作为直接影响光路的决定性因素，图案的形貌和尺寸等各项参数的设计与优化是图形化衬底技术的研究重点。然而，目前发展起来的图形化衬底技术在图案设计方面并没有过多的侧重，尽管已被应用的图案类型多样，如长条型，锥型，圆台型、半球型等，但每种图案的设计及图案参数的优化方案并未系统化，这使得图形化衬底LED未能发挥出最佳的工作效率。现在大多数图形化衬底图案的设计都是在实际经验基础上加以优化而成，此种设计方法需要进行多次对比验证，才能得到较为理想的图案参数，这样无疑会使设计过程变得困难并且进展缓慢。此外，图案的参数设定也可借助光学传播的物理理论和数学模型加以优化，即先利用光学理论如反射、折射、光吸收原理等，设计出光线在衬底上的传播路径，再利用数学模型模拟出衬底图案的形貌和尺寸。尽管这种方法具备了基础的设计理论，但计算过程过于复杂，且设计过程需忽略较多的实际影响因素，因此得出的结论不具代表性。由此可见，图形化衬底图案的设计仍不成熟，设计方法尚未系统化，这对图案参数的设定造成很大的不便，而且也大大限制了图形化衬底LED发光效率的提高。因此，提出一种系统、可操作性强的LED图形化衬底图案的设计方法成为了该技术的关键。Solidfforks软件是一款常用的三维CAD软件。它提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制，其资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，它能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量，操作简单方便。TracePix)软件是一款普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。它能模仿所有类型的显示系统(从背光系统，到前光、光管、光纤、显示面板和LCD投影系统)，能进行图形显示、可视化操作，并提供了 3D实体模型的数据库，具备有处理复杂几何的能力，可定义和跟踪数百万条光线，对光线进行有效和准确地分析。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种系统、方便的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，所设计的LED芯片模型与实际LED外延芯片的光效具有很好的吻合度。本发明的目的通过以下技术方案实现一种图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，包括以下步骤(I)构建LED芯片模型的衬底采用Solidworks软件的建模功能构建出呈长方体状的衬底；(2)在衬底上构建图案采用Solidworks软件，根据衬底图案的基本单元的几何参数建立基本几何体，根据基本单元阵列的几何参数将基本几何体密排布于衬底的上表面，得到带有图案的衬底模型；
(3)构建LED芯片模型的外延层采用TracePix)软件自带的建模功能依次构建N-外延层、量子阱层、P-外延层；所述N-外延层、量子阱层、P-外延层均呈长方体状；(4)构建祀面采用TracePro软件自带的建模功能制作六个祀面,所述六个革巴面分别置于LED芯片模型的上、下、前、后、左、右方；其中前、后靶面对应LED芯片模型的长边；左、右靶面对应LED芯片模型的短边；(5)在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底图案相应的图案将步骤(2)制作衬底图案建成的文件转化SAT文件，导入TracePro软件中，利用TracePro软件的差减功能，先点击N-外延层，再点击衬底，在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底的图案相应的图案；(6)分别设定LED芯片模型的衬底、N-外延层、MQW量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数；(7)设定量子阱层表面光源在量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，场角分布为Lambertian发光场型，发射形式为光通量，光线数至少为10条光通量为5000a. u.，总光线数为3000条，最少光线数为10条；(8)分析LED芯片模型的出光效率利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据；(9)收集记录数据；(10)优化图案参数,所述图案参数包括基本单元的几何参数和基本单元阵列的几何参数；(11)确定LED芯片模型。步骤(2)将基本几何体密排布于衬底的上表面，具体为通过Solidworks软件的填充排布功能将基本几何体密排布于衬底的上表面，排布方式为矩形排布或六角排布。步骤(6)所述光性能参数包括折射率、温度设置、吸收率、消光系数、针对光线的波长。步骤(8)所述分析衬底LED芯片的出光效率利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据，具体为利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，从利用TracePro软件得到的辐射度分析图获取各面的光通量数据，其中LED芯片模型顶部的光通量数据从上革G面的surface 0福射度分析图获取,底部的光通量数据从下祀面的surface 0福射度分析图获取，侧面光通量数据分别从前、后靶面的surface 2辐射度分析图及左、右靶面的surface 3福射度分析图获取。步骤(6)所述分别设定LED芯片的衬底、N-外延层、量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数，具体为采用曲线拟合法或直接输入的方式分别设定LED芯片的衬底、N-外延层、量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数。步骤(10)所述优化图案参数，具体为当选定一个图案参数进行优化时，该图案参数在选定的数值范围内按递增或递减规律取值，其它图案参数保持不变；对于被优化的图案参数的每个值，重复步骤(I) (9)获取LED芯片模型的光通量数据，光性能最优时对应的图案参数值即为该图案参数的最优 值。与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果(I)本发明综合运用软件，利用Solidworks软件实现LED芯片模型的建立,利用TracePro软件实现LED芯片模型光线追踪，扩大了衬底图案设计的应用范围。(2)本发明支持参数的微小调整，能系统研究各种图案的各种参数对LED出光效率的影响，无需成品以检测性能，实现零成本优化。(3)本发明避开繁琐的物理数学分析，直观明了地模拟出LED各面的光通量，原理简单，便于推广。(4)本发明可采用等效放大法，在提高电脑运算能力的同时减少了扫光过程中的错误光线数，模拟结果更为可靠。(5)本发明可根据需要模拟各种材料制备的LED的出光效率，为寻找更佳LED外延结构或衬底材料提供新思路。
图I为本发明图形化衬底的LED芯片模型的设计方法的流程图。图2为实施例I采用的基本几何体(三棱锥体)示意图。图3为实施例I采用的基本几何体(三棱锥体)的排布方式示意图。图4为实施例I中的LED芯片模型的光通量随正三棱锥体的倾角变化趋势图。图5为实施例2采用的基本单元(半圆球)排布方式示意图。图6为实施例2中的LED芯片模型的光通量随相邻半球形图案的间距的变化趋势图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例I如图I所示，本实施例的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，包括以下步骤(I)构建LED芯片模型的衬底采用Solidworks软件的建模功能构建出衬底，衬底尺寸为600mmX 250mmX 100mm,呈长方体状。
(2)在衬底上构建图案采用Solidworks软件，根据衬底图案的基本单元的几何参数建立基本几何体，根据基本单元阵列的几何参数通过Solidworks软件的填充排布功能，将基本几何体密排布于衬底的上表面，得到带有图案的衬底模型；本实施例采用的基本几何体为如图2所示的正三棱锥体图案，几何参数包括边长1，高度h，倾角a。其中边长I为底面正三角形的边长；高度h为三棱锥顶点到底面三角形中心的距离；倾角a为锥体侧面与底面三角形的夹角。本实施例中基本单元阵列的几何参数包括相邻三棱锥的间距D/、边缘间距D1、边 长I，相邻三棱锥的间距D/均为12mm，边距D1为9. 4mm，边长为3mm，排布方式采用如图3所示的矩形排布。(3)构建LED芯片模型的外延层采用TracePro软件自带的建模功能依次构建N-外延层、MQff量子阱层、P-外延层；N-外延层尺寸为600mmX 250mmX4mm，MQff量子阱层尺寸为600mmX 250mmX 50 u m, P-外延层尺寸为600mmX 250mmX 3mm，均呈长方体状。(4)构建祀面采用TracePro软件自带的建模功能制作六个祀面,所述六个革巴面分别置于LED芯片模型的上、下、前、后、左、右方；上、下靶面尺寸为600mmX250mmX3mm，前、后革巴面尺寸为600mmX 104. 41 mmX 3mm,左、右革巴面尺寸为250mmX 104. 4ImmX 3mm ;其中前、后靶面对应LED芯片模型的长边；左、右靶面对应LED芯片模型的短边。(5)在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底图案相应的图案将步骤(2)制作衬底图案建成的文件转化SAT文件，导入TracePro软件中，利用TracePro软件的差减功能，先点击N-外延层，再点击衬底，在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底的图案相应的图案。(6)直接输入LED芯片模型的衬底、N-外延层、MQW量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数；本实施例中衬底的材质选用蓝宝石，折射率设置为I. 67 ;N_外延层、MQW量子阱层、P-外延层选用GaN材质，折射率设置为2. 45，四者均针对450nm的光，温度设置为300K，不考虑吸收与消光系数的因素。(7)设定MQW量子阱层表面光源在量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，场角分布为Lambertian发光场型，发射形式为光通量，光线数至少为10条，光通量为5000a. u.，总光线数为3000条，最少光线数为10条。(8)分析LED芯片模型的出光效率利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据，具体为利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，从利用TracePro软件得到的辐射度分析图获取各面的光通量数据，其中LED芯片模型顶部的光通量数据从上靶面的surface 0辐射度分析图获取，底部的光通量数据从下靶面的surface 0辐射度分析图获取，侧面光通量数据分别从前、后靶面(相对芯片的长边)的surface 2辐射度分析图及左、右靶面(相对芯片的短边)的surface 3福射度分析图获取。(9)收集记录数据；(10)优化图案参数所述图案参数包括基本单元的几何参数和基本单元阵列的几何参数；当选定一个图案参数进行优化时，该图案参数在选定的数值范围内按递增或递减规律取值，其它图案参数保持不变；对于被优化的图案参数的每个值，重复步骤(I广(9)获取得到LED芯片模型的光通量数据，光性能最优时对应的图案参数值即为该图案参数的最优值；将所有图案参数进行优化，得到所有图案参数的最优值；以倾角优化为例，图案参数用以下方法确定将一组底面边长设为6mm，倾角从20°到60°以5°的梯度递增，一组底面边长设为3mm，倾角从45°到75°以5°的梯度递增，高度均利用几何关系式算出；对于倾角的每个值，重复步骤(I广(9)进行模拟得到数据后，将数据输入Origin绘图软件绘制出折线图(见附图4)。由图4可以看出，在倾角65°时，光性能最优，故倾角的最优值为65°。其它参数的最优值确定过程与倾角的相类似。(11)根据确定LED芯片模型。本实施例中的几何尺寸均采用等效放大法,将尺寸扩大为实际值的1000倍。
实施例2本实施例除下述特征外，其余特征均与实施例I相同或类似。如图5所示，步骤(2)中采用的基本几何体为半球形，基本单元的几何参数为半球的半径d，基本单元阵列的几何参数包括相邻半球之间的间距D2’及边缘间距D2，排布方式采用如图5所示的六角排布。步骤(6)中采用曲线拟合法设定LED芯片模型的衬底、N-外延层、MQff量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数。步骤(10)中优化图案参数所述图案参数包括基本单元的几何参数和基本单元阵列的几何参数；当选定一个图案参数进行优化时，该图案参数在选定的数值范围内按递增或递减规律取值，其它图案参数保持不变；对于被优化的图案参数的每个值，重复步骤
(I) (9)获取LED芯片模型的光通量数据，光性能最优时对应的图案参数值即为该图案参数的最优值；将所有图案参数进行优化，得到所有图案参数的最优值；以边缘间距为例，图案参数用以下方法确定半球半径设为2. 8mm，边缘边距以0. Imm的梯度从0. Imm到3. 5mm的范围递增；重复步骤(I) (9)进行模拟得到数据后，将数据输入Origin绘图软件绘制出折线图(见附图6)。由图6可以看出，顶部和底部光通量随边缘间距的增大而降低，侧面光通量则随边缘间距的增大而增大，实际生产中可根据此变化趋势，结合加工工艺，合理选用边缘间距的优化值。对于主要利用顶部光通量的正装LED芯片，可采取边缘间距为0. 2 Pm的半球图案(输入的边缘间距由于采用等效放大法，故为0. 2mm)。其它参数的最优值确定过程与边缘间距的相类似。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)构建LED芯片模型的衬底采用Solidworks软件的建模功能构建出呈长方体状的衬底； (2)在衬底上构建图案采用Solidworks软件，根据衬底图案的基本单元的几何参数建立基本几何体，根据基本单元阵列的几何参数将基本几何体密排布于衬底的上表面，得到带有图案的衬底模型； (3)构建LED芯片模型的外延层采用TracePix)软件自带的建模功能依次构建N-外延层、量子阱层、P-外延层；所述N-外延层、量子阱层、P-外延层均呈长方体状； (4)构建IE面采用TracePro软件自带的建模功能制作六个祀面,所述六个祀面分别置于LED芯片模型的上、下、前、后、左、右方；其中前、后靶面对应LED芯片模型的长边；左、右靶面对应LED芯片模型的短边； (5)在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底图案相应的图案将步骤(2)制作衬底图案建成的文件转化SAT文件，导入TracePro软件中，利用TracePro软件的差减功能，先点击N-外延层，再点击衬底，在N-外延层与衬底接触的面上构建与衬底的图案相应的图案； (6)分别设定LED芯片模型的衬底、N-外延层、MQW量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数； (7)设定量子阱层表面光源在量子阱层上下表面各设置一个表面光源属性，场角分布为Lambertian发光场型，发射形式为光通量，光线数至少为10条光通量为5000a. u.，总光线数为3000条，最少光线数为10条； (8)分析LED芯片模型的出光效率利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据； (9)收集记录数据； (10)优化图案参数，所述图案参数包括基本单元的几何参数和基本单元阵列的几何参数； (11)确定LED芯片模型。
2.根据权利要求I所述的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，步骤(2)将基本几何体密排布于衬底的上表面，具体为通过Solidworks软件的填充排布功能将基本几何体密排布于衬底的上表面，排布方式为矩形排布或六角排布。
3.根据权利要求I所述的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，步骤(6)所述光性能参数包括折射率、温度设置、吸收率、消光系数、针对光线的波长。
4.根据权利要求I所述的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，步骤 (8)所述分析衬底LED芯片的出光效率利用TracePix)软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部、侧面的光通量数据，具体为 利用TracePro软件的扫光系统，对LED芯片模型进行光线追踪，从利用TracePro软件得到的辐射度分析图获取各面的光通量数据，其中LED芯片模型顶部的光通量数据从上革巴面的surface 0福射度分析图获取,底部的光通量数据从下祀面的surface 0福射度分析图获取，侧面光通量数据分别从前、后靶面的surface 2辐射度分析图及左、右靶面的surface 3福射度分析图获取。
5.根据权利要求I所述的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，步骤(6)所述分别设定LED芯片的衬底、N-外延层、量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数，具体为 采用曲线拟合法或直接输入的方式分别设定LED芯片的衬底、N-外延层、量子阱层、P-外延层的材料的材质及光性能参数。
6.根据权利要求I所述的图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，其特征在于，步骤(10)所述优化图案参数，具体为 当选定一个图案参数进行优化时，该图案参数在选定的数值范围内按递增或递减规律取值，其它图案参数保持不变；对于被优化的图案参数的每个值，重复步骤(I) (9)获取LED芯片模型的光通量数据，光性能最优时对应的图案参数值即为该图案参数的最优值。
全文摘要
本发明公开了一种图形化衬底的LED芯片模型的设计方法，利用Solidworks软件实现LED芯片模型的建立，利用TracePro软件实现LED芯片模型光线追踪，通过分析数据，优化图案参数，获得最佳的LED芯片模型。本发明能够直观明了地通过软件模拟得到LED各面的光通量，避开繁琐的物理数学分析，支持参数的微小调整，能系统研究各种图案的各种参数对LED出光效率的影响，无需成品以检测性能，实现零成本优化，并可根据需要模拟各种材料制备的LED的出光效率，为寻找更佳LED外延结构或衬底材料提供新的思路。
文档编号G06F17/50GK102682179SQ20121016993
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者周仕忠, 李国强, 林志霆, 王海燕 申请人:华南理工大学