從光子跳躍的角度來看，兩種倒裝芯片的設(shè)計對藍(lán)寶石厚度有很強(qiáng)的依賴性，要優(yōu)于薄膜結(jié)構(gòu)(見圖4)。使用倒裝芯片的結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石需要夠厚以防止大量的光子跳躍—例如，對于1 mm2芯片至少為100 mm?！　?/p>

　　▲圖4：在相對藍(lán)寶石厚度為0.2的情況下，在相對藍(lán)寶石厚度(左圖)和光子發(fā)射的角度方向(右圖)影響下的仿真平均光子跳躍

　　倒裝芯片結(jié)構(gòu)有兩個特點(diǎn)可以讓跳躍次數(shù)顯著減少，從而有利于光萃取。第一個是由于藍(lán)寶石的高折射率，與薄膜相關(guān)的GaN逃逸表面的折射率對比度降低。第二種是一旦光進(jìn)入藍(lán)寶石腔，它就可以通過側(cè)壁傳播出去，從而減少了向GaN區(qū)域的散射。對于典型的藍(lán)寶石厚度，側(cè)壁輻射可能占提取效率的30%至40%(見圖5)?！　?/p>

　　▲圖5：在倒裝芯片設(shè)計中，與總輸出泵浦功率相對應(yīng)的側(cè)發(fā)射和地平線以下的光， 對于藍(lán)寶石厚度的依賴性

　　一般來說，光子彈跳的數(shù)量取決于有源區(qū)域光子發(fā)射的角度方向，并且在靠近掠射角的角度是最多的。但角度與光子彈跳之間的關(guān)系并不簡單，因為谷曲線出現(xiàn)在15°和40°之間。在LED的所有三個設(shè)計中都可以看到這一特性，并且與圖案化的藍(lán)寶石表面界面的復(fù)雜傳輸特性有關(guān)。請注意，對于較高的光子發(fā)射角度，光子跳躍的平均數(shù)量突然升高，與GaN-藍(lán)寶石或GaN-硅氧烷界面的臨界角度一致。芯片的側(cè)面涂層對光子跳躍的數(shù)量有顯著的影響。

　　對于沒有側(cè)面涂層的倒裝芯片，與GaN-硅樹脂相反，在GaN藍(lán)寶石臨界角附近的較高角度處，反射數(shù)快速增加。這與我們的理解是一致的，因為在藍(lán)寶石-硅膠頂面的任何內(nèi)反射將有第二次機(jī)會從藍(lán)寶石側(cè)壁逃出。倒裝芯片的側(cè)面涂層帶來巨大的變化，導(dǎo)致反向散射到GaN中出現(xiàn)增加，隨之而來轉(zhuǎn)移到GaN硅膠臨界角附近的較低角度的反彈增加。

　　不同類型設(shè)計的提取效率可以用下圖來解釋(參見圖6)。對于倒裝芯片來說，當(dāng)藍(lán)寶石厚度達(dá)到0.25左右的相對厚度，提取效率可以快速提高，然后趨于平緩。側(cè)涂并不能提高萃取效率。當(dāng)反射不良的涂層與高藍(lán)寶石厚度結(jié)合使用時，萃取效率可能會下降?！　?/p>

　　▲圖6：倒裝芯片設(shè)計的仿真外部萃取效率提升示意圖

　　為了獲得完全效率，五面發(fā)光的倒裝芯片更優(yōu)，因為藍(lán)寶石腔可以減少背散射光與芯片有損區(qū)域間的相互作用。但是，薄膜設(shè)計的凈反射率增益可能對于相對較高的藍(lán)寶石厚度而言才顯著。通常，它必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.1，與反彈次數(shù)的依賴性相一致。

　　我們改進(jìn)光萃取的方法主要是減少泵浦吸收。對于倒裝芯片，當(dāng)循環(huán)泵浦輻射在芯片腔內(nèi)傳播時，其衰減通常為每次往返7%。平均來說，8次光子跳躍就能提高85%左右的萃取效率。

　　這種吸收的最大原因是GaN-Ag界面。解決這個弱點(diǎn)的一種方法是切換到復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過在金屬和半導(dǎo)體之間插入足夠厚的低折射率氧化物層。選擇SiO 2會防止在大約40°臨界錐角內(nèi)的入射與金屬化相互作用。根據(jù)我們的模擬試驗，反射器損耗貢獻(xiàn)可以從50%下降到僅20%。

　　優(yōu)異的電流擴(kuò)展也是由復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，因為有可能確保注入有源區(qū)的電流絕大多數(shù)遠(yuǎn)離n-GaN通孔(見圖7)。這在高驅(qū)動條件下是特別有利的?！　?/p>

　　▲圖7：在700 mA和3000 mA驅(qū)動器操作下，常規(guī)和復(fù)合鏡面方案的歸一化模擬和實驗近場的表面亮

　　通過減少光子跳躍次數(shù)來增加光耦合的另一措施是優(yōu)化與圖案化藍(lán)寶石基底相關(guān)的散射特征。如果使用純藍(lán)寶石，在兩個方面會造成不利影響。首先，在最大入射輻射的角度范圍內(nèi)，出射面的光透射率將會降低。其次，導(dǎo)模的取消將會減少，因為光線被鏡面反射而非繞射。