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Lumerical針對MicroLED的仿真實例

發(fā)布日期:
2022-12-09

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01

說明


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


Lumerical針對MicroLED的仿真實例



02

綜述


在使用 FDTD 模擬全 3D 器件之前,使用 STACK 光學求解器獲得來自平面 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。


Lumerical針對MicroLED的仿真實例



步驟1:使用 STACK 光學求解器表征 1D 疊層

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


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


Lumerical針對MicroLED的仿真實例


此外,腳本也使用 stackdipole 來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。


Lumerical針對MicroLED的仿真實例


步驟2:使用 3D FDTD 模擬圓柱形micro-LED

此步驟中使用“遠場”分析組將計算流出盒子的總功率,以及遠場(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中發(fā)射的功率。因是歸一化的, Poynting 矢量的積分等于在整個上半空間傳播的總功率,此外,分析組可以計算 P和角度或是與波長的關系。


Lumerical針對MicroLED的仿真實例

這些可以應用于進一步的計算, 例如,我們將總提取效率計算為 34.4 度的錐體(從藍寶石提取到空氣)


Lumerical針對MicroLED的仿真實例


接著用掃描工具存儲“遠場”分析組針對偶極子的各種位置和極化的所有結果。掃描設置為計算 3 個偶極極化,以及取樣 11 個位置代表與邊界不同距離的情況,總共進行 33 次模擬。接著運用腳本提取 P與角度的關系,將 3 個偶極方向的結果平均來計算非極化偶極發(fā)射的結果。然后,假設每單位面積的偶極子密度均勻,則可以將每個偶極子都乘以一個與其代表的環(huán)的面積成正比的權重,將各位置的遠場加起來。


Lumerical針對MicroLED的仿真實例


以下是計算功率密度與 625nm 附近單個波長處的 theta 的關系,與在相同波長附近約 10nm 寬的偶極子光譜上的光譜積分的比較。


Lumerical針對MicroLED的仿真實例


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


Lumerical針對MicroLED的仿真實例



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,以及孔徑尺寸對于整體器件光場的影響。我們可用類似的觀念,來變化應用到各種LED或OLED有限尺寸的應用,如有限大小的OLED顯示器像素或不同形狀的LED單元。


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