LED 抗反射膜優化設計 吳東穎 林家豪 陳義軒 陳建良 葉倍宏 * 崑山科技大學 光電工程系

1. LED抗反射膜優化設計吳東穎林家豪陳義軒陳建良葉倍宏*崑山科技大學 光電工程系 摘要 本論文以自行研發的光學薄膜模擬自由軟體來模擬LED的抗反射模優化設計。此研究中使用 SiO2和SiNx兩種低、高折射率材料波長範圍0.38μm~0.78μm，以極小化搜尋演算法 (minimizing search algorithm)，將膜厚從0到0.5λ0設計波長均分為100等份，模擬結果顯 示，在無環氧樹脂封裝狀態下，單層的抗反射膜優化設計為GaN基板|0.2222L|空氣，全區域 平均反射率值2.3%，雙層的抗反射膜優化設計為GaN基板|0.1566L 0.0354H|空氣，全區域平 均反射率值2.25%，叁層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。有封裝狀態 下，雙層的抗反射膜優化設計為GaN基板|0.1162H 0.0455L|環氧樹脂，全區域平均反射率值 0.698%，叁層抗反射膜優化設計GaN基板|0.4495L 0.1162H 0.0455L|環氧樹脂，全區域平均 反射率值0.645%。 關鍵詞(Keywords)：LED，抗反射膜，優化設計 1.簡介 LED表面的反射率大小是決定轉換效率的重要關鍵，因此，必須利用抗反射膜來增加LED光 射出量，進而使射出光效率提升。 在崑山科大的研究中，採用真空濺鍍機來鍍製複合層之二氧化矽與氮化矽奈米薄膜，藉由調 控氮氣及氧氣的比例，在基材上形成多層結構之二氧化矽與氮化矽之抗反射層薄膜，使用的 靶材為P型矽靶，純度為99.999%。在雙層膜設計搭配上， 促使吸收光譜介於380nm~1200nm 間，可見光波段(380nm~780nm)平均穿透率達93%。在台灣大學的研究中，藉由改變2層材料 折射率，第1層折射率2.03，厚度45.5nm，第2層折射率1.46，厚度51.5nm，求出最佳的平均 反射率為4.46[1]。 在國外的研究方面，例如使用ZnS/MgF2，模擬單層、雙層、叁層抗反射膜與角移效應，針對 掃描300nm~1500nm波長範圍，模擬結果顯示單層抗反射膜設計效果最差，雙層抗反射膜在 450nm~1500nm波段範圍反射率10%以下，角移效應則不論雙層或叁層抗反射膜設計，在入射 角65度以下仍有不錯的抗反射效果[2]。 使用自行研發的光學模擬軟體配合極小化搜尋演算法，已經在太陽能電池抗反射膜優化設計 中取得初步的成果[3]，本研究將延續此方法，針對GaN基板LED進行抗反射膜優化設計。 2.模擬步驟 抗反射膜主要目的在降低反射率，然而在傳統的分析方法只能求得局部極值，對實際的應 用幫助不大，為了彌補這種缺點，建立光學薄膜系統自動設計程式是必需的。針對抗反射膜 在幾乎某一光譜範圍內要求低反射率，可以將優化函數簡單定義為 F(θi，n，d，λ)=ΣR 上式中θi為入射角，n為折射率，d為幾何膜厚，λ為波長，R為反射率，只要優化函數在波 段範圍內的平均反射率最小，即得最佳的抗反射膜設計，根據這樣的概念，修改光學薄膜特 徵矩陣程式就不難建立薄膜自動設計程式[4][5]。以自動設計程式分別測試單層及多層抗反 射膜之前，假設所有抗反射膜滿足下列各狀況： 1)入射角θi=0 2)光譜範圍0.38μm～0.78μm，並區分成100個搜尋累計波段 3)各膜層不考慮色散與吸收，折射率固定，其中空氣n0=1，氮化鎵GaN折射率n=2.4， 低折射率材料SiO2折射率n=1.46，高折射率材料SiNx折射率n=2.05 4)設計參考波長λ0=0.6μm 5)光學厚度nd為唯一的設計變數，其搜尋範圍從0λ0到0.5λ0 3.結果與討論 圖一和圖二是以氮化鎵n=2.4基板為發光的入射介質，空氣為承載基板，在無環氧樹脂封裝 狀態下，所模擬的單層和雙層的抗反射膜優化設計。單層的抗反射膜優化設計為GaN基板| 0.2222L|空氣，0.2222代表光學膜厚0.2222λ0，L代表低折射率膜層，其全區域平均反射率 值2.3%，雙層的抗反射膜優化設計為GaN基板|0.1566L 0.0354H|空氣，H代表高折射率膜層， 其全區域平均反射率值2.25%，叁層抗反射膜設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。 圖一在無環氧樹脂封裝狀態下，單層抗反射膜優化設計圖二在無環氧樹脂封裝狀態下，雙層抗反射膜優化設計 圖三和圖四是以氮化鎵n=2.4基板為發光的入射介質，環氧樹脂為承載基板，所模擬的雙層 和叁層的抗反射膜優化設計。雙層的抗反射膜優化設計為GaN基板|0.1162H 0.0455L|環氧樹 脂，全區域平均反射率值0.698%，叁層抗反射膜優化設計GaN基板| 0.4495L 0.1162H 0.0455L|環氧樹脂，全區域平均反射率值0.645%。 圖三在環氧樹脂封裝狀態下，雙層抗反射膜優化設計圖四在環氧樹脂封裝狀態下，叁層抗反射膜優化設計 4.結論 本論文以自行研發的光學薄膜模擬自由軟體來模擬GaN發光二極體的抗反射模優化設計。此 研究中使用SiO2和SiNx兩種低、高折射率材料，波長範圍0.38μm~0.78μm，以極小化搜尋算 法(minimizing search algorithm)，將膜厚從0到0.5λ0設計波長均分為100等份，模擬結果 顯示，單層的抗反射膜設計為GaN基板|0.2222L|空氣，全區域平均反射率值2.3%，雙層的抗 反射膜設計為GaN基板|0.1566L 0.0354H|空氣，全區域平均反射率值2.25%，叁層抗反射膜 設計，則有簡併為雙層抗反射膜設計的現象。有環氧樹脂封裝狀態下，雙層的抗反射膜優化 設計為GaN基板|0.1162H 0.0455L|環氧樹脂，全區域平均反射率值0.698%，叁層抗反射膜優 化設計GaN基板|0.4495L 0.1162H 0.0455L|環氧樹脂，全區域平均反射率值0.645%。 未來的延伸研究，將針對具備螢光粉與矽膠透鏡完整結構的發光二極體，在使用不同的演 算法條件下，進行不同層數的抗反射膜優化設計。 參考文獻(Reference) [1] 葉致仰，”寬波段廣角度抗反射膜設計之研究”，國立台灣大學電機資訊學院光電系工 程學研究所，碩士論文，民國九十七年七月 [2] Sung-Mok Jung, Young-Hwan Kim, Seong-II Kim, Sang-Im Yoo, ”Design and fabrication of multi-layer antireflection coating for III-V solar cell”, Current Applied Physics, vol. 1, pp. 538-541 [3] 陳建良,陳義軒,林家豪,吳東穎,徐富興,葉倍宏, ”太陽能電池之抗反射膜優化設計”, 第18屆三軍官校基礎學術研討會，高雄岡山，中華民國100年5月27日(to be published) [4] 李正中,薄膜光學與鍍膜技術,第6版 ,藝軒圖書 [5] 葉倍宏,薄膜光學-電腦輔助模擬與分析,台灣復文圖書 [6] 呂育聰，”利用電流阻隔層級鈍化層的言就來改善氮化鎵藍光二極體的發光效率”，國 立成功大學微電子所，碩士論文，民國92年六月 [7] Yeuh-Yeong LIOU, ” Universal Wideband Antireflection Coating Designs for Substrates over the Visible Spectral Region by Minimizing Search Method” , JJAP, Vol. 43, No. 7A, 2004, pp.4185–4189 [8] H. C. Huang, M. H. Hsu, K. L. Chen, and J. F. Huang, ”SIMULATED ANNEALING ALGORITHM APPLIED IN OPTIMUM DESIGN OF OPTICAL THIN-FILM FILTERS”, MICROWAVE AND OPTICALTECHNOLOGY LETTERS, Vol.38, No.5, pp.423-428