Lumerical針對MicroLED的仿真實例

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 光學求解器獲得來自平面 LED 活性層的非相干、非偏振發射，可以快速表征和優化層的厚度和材料。優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射，包含構建疊層并從材料數據庫中提取材料屬性。

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。這些結果方便后續與 3D FDTD 仿真進行比較。

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。

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）

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的面積成正比的權重，將各位置的遠場加起來。

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。

以下也將在 34.4 度錐體中發射到空氣中的總功率計算出來,結果如下圖。

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。

審核編輯：湯梓紅