Monte Carlo Method is available on the Lighttools which provides us to perform 3D ray-tracing simulation. Ray-tracing conditions such as Snell’s law, total internal reflection, absorption coefficient and Fresnel’s coefficient can be verified to work properly in the Lighttools, which lead us to get the reliable result of light extraction efficiency for the LED chip we designed.
Increasing the sapphire substrate depth or the GaN substrate depth helped more rays escape from MQW layer in the LED chip. Eventually we figured out that replacing sapphire material into GaN is good for the better efficiency.
It was also proved that designing the LED chip base into the shape closer to the circle would work out. Finally applying the beveled side wall resulted in the increase of light extraction efficiency by 78.6% from the prior rectangular structure with vertical side wall.
LED의 광효율에 중요한 변수인 LED Chip의 광추출효율을 계산해보기 위해서는 삼차원 구조내에서 각각의 빛의 경로에 대해 다중반사, 흡수 등에 의한 효과를 추적할 수 있는 시뮬레이션 프로그램이 필요하다.
삼차원 광추적 시뮬레이션을 위해 몬테카를로 방법에 기초한 Lighttools를 이용하였다. 기본적 광추적조건을 실현하기 위해 스넬의 법칙과 전반사, 매질의 흡수, 굴절률이 다른 계면 사이의 프레넬 반사에 대해 간단한 구조를 적용하여 각각의 조건을 적절히 구현하는지 검증하였다.
이를 바탕으로 LED Chip의 광추출효율을 증가시킬 수 있는 방법을 모색하였는데, 사파이어 기판의 두께 증가와 GaN 기판의 두께 증가 및 경사구조를 측면에 적용하여 흡수층에 흡수되는 빛의 경로를 조절함으로써 광추출효율의 증가를 꾀할 수 있었다.
또한 밑면 구조를 원에 가까운 구조로 변화시킴으로써 전반사에 의한 빛의 갇힘현상을 완화하여 더 많은 빛이 추출됨을 확인할 수 있었다.
최종적으로 사파이어 기판을 GaN 기판으로 적절한 두께로 대체시키고, 정십이면체의 밑면구조에 45도 측면구조를 적용하였을 때 처음의 구조에 비해 78.6% 의 효율증가를 얻을 수 있었다.
