Lumerical針對(duì)MicroLED的仿真實(shí)例

01說(shuō)明

在此示例中，我們使用 STACK和 FDTD 光學(xué)求解器來(lái)表征圓柱形micro-LED 并提取其發(fā)射功率和輻射模式。

02綜述

在使用 FDTD 模擬全 3D 器件之前，使用 STACK 光學(xué)求解器獲得來(lái)自平面 LED 活性層的非相干、非偏振發(fā)射，可以快速表征和優(yōu)化層的厚度和材料。優(yōu)化之后我們使用一系列 FDTD 模擬來(lái)取樣 micro-LED 與孔徑邊緣不同距離下的非相干、非偏振發(fā)射，搭配后處理分析并使用 FDTD 確定光提取效率。

步驟1：使用 STACK 光學(xué)求解器表征 1D 疊層

在這一步中，我們搭配腳本使用 STACK 光學(xué)求解器來(lái)分析器件的平面發(fā)射，包含構(gòu)建疊層并從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中提取材料屬性。

腳本也使用 stackpurcell 指令計(jì)算 Purcell 因子(偶極子輻射功率在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中的萃取情況除以在均勻介質(zhì)中萃取情況的比值)，以及計(jì)算發(fā)射到藍(lán)寶石與空氣中功率密度與波長(zhǎng)、角度的分布關(guān)系。腳本還對(duì)功率密度進(jìn)行積分，計(jì)算總向上功率。如下圖所示。這些結(jié)果方便后續(xù)與 3D FDTD 仿真進(jìn)行比較。

此外，腳本也使用 stackdipole 來(lái)獲得作為給定偶極子光譜的角度函數(shù)的亮度和輻射度，以及 X、Y、Z 三刺激值。

步驟2：使用 3D FDTD 模擬圓柱形micro-LED

此步驟中使用“遠(yuǎn)場(chǎng)”分析組將計(jì)算流出盒子的總功率，以及遠(yuǎn)場(chǎng)（距離為 1 米）中的歸一化坡印廷矢量，歸一化條件為偶極子在與疊層具有相同折射率的均勻介質(zhì)中發(fā)射的功率。因是歸一化的， Poynting 矢量的積分等于在整個(gè)上半空間傳播的總功率，此外，分析組可以計(jì)算 P和角度或是與波長(zhǎng)的關(guān)系。

這些可以應(yīng)用于進(jìn)一步的計(jì)算, 例如，我們將總提取效率計(jì)算為 34.4 度的錐體（從藍(lán)寶石提取到空氣）

接著用掃描工具存儲(chǔ)“遠(yuǎn)場(chǎng)”分析組針對(duì)偶極子的各種位置和極化的所有結(jié)果。掃描設(shè)置為計(jì)算 3 個(gè)偶極極化,以及取樣 11 個(gè)位置代表與邊界不同距離的情況，總共進(jìn)行 33 次模擬。接著運(yùn)用腳本提取 P與角度的關(guān)系，將 3 個(gè)偶極方向的結(jié)果平均來(lái)計(jì)算非極化偶極發(fā)射的結(jié)果。然后，假設(shè)每單位面積的偶極子密度均勻，則可以將每個(gè)偶極子都乘以一個(gè)與其代表的環(huán)的面積成正比的權(quán)重，將各位置的遠(yuǎn)場(chǎng)加起來(lái)。

以下是計(jì)算功率密度與 625nm 附近單個(gè)波長(zhǎng)處的 theta 的關(guān)系，與在相同波長(zhǎng)附近約 10nm 寬的偶極子光譜上的光譜積分的比較。

以下也將在 34.4 度錐體中發(fā)射到空氣中的總功率計(jì)算出來(lái),結(jié)果如下圖。

從上面的仿真可以看到在微納仿真中考慮偏極的處理方法,以及孔徑尺寸對(duì)于整體器件光場(chǎng)的影響。我們可用類似的觀念,來(lái)變化應(yīng)用到各種LED或OLED有限尺寸的應(yīng)用，如有限大小的OLED顯示器像素或不同形狀的LED單元。

審核編輯：湯梓紅