1引言

　　成為新一代環保型固態光源，GaN基LED已成為人們關注的焦點。與傳統光源相比，LED具有壽命長、可靠性高、體積小、功耗低、相應速度快、易于調制和集成等優點，在信息顯示、圖像處理等領域得到廣泛應用。目前，可應用到實踐中的GaN基白光LED的發光效率達到100lm/w以上，但與理論效率還有較大的差距。

　　近些年LED單位光量的單價雖持續下跌，但在照明設備用途方面，白光LED與現有熒光燈和白熾燈單位光量的單價還相差10倍以上。為了壓縮白色LED單位光量的單價差，必須進一步提高發光效率。

　　GaN基LED發光效率由發光二極管的內量子效率和光提取效率決定。隨著材料生長技術以及器件結構設計的進步，內量子效率已經達到99%左右。但受GaN基材料吸收、電極吸收以及GaN-空氣界面全反射射臨角界等因素影響。LED的光提取效率仍然有很大的提升空間。

　　采用倒裝LED結構，可以避免電極對光線的吸收，有效提高LED的光提取效率，但依然受到出射界面全發射的限制。有源區產生的光在出射過程中從最上層的光密介質GaN基入射到光疏介質空氣中，兩種介質的折射率相差較大，全反射的臨界角約為24.5°，因此會使得出射光有很大一部分在界面處發生全發射現象而不能發射出去。對于一個典型的扁平半導體LED，因光提取效率的限制，僅有大約4%的光可以出射，96%的光反射回LED內部，最終被吸收損耗掉。

　　在LED芯片設計中，目前已經有很多方法用于降低出射界面的全反射損失，以提高光提取效率，如光子晶體、襯底圖形化以及表面粗化等。實驗證明，襯底圖形化和表面粗化是兩種最為見到有效的方法。但在結構設計與優化上還沒有進行過較為深入的分析和討論。

　　本文采用蒙特卡羅光線追蹤方法，模擬GaN基倒裝LED芯片的光提取效率，比較了藍寶石襯底剝離前后、藍寶石單面粗化和雙面粗化、有無緩沖層的LED光提取效率及光場分布并對粗化微元結構和尺寸作了進一步選取和優化，其模擬與設計結果對提高GaN基倒裝LED芯片的光提取效率具有一定的指導意義和參考價值。