光源与照明虚拟仿真实验-ilab实验网站

实验介绍
实验必读

实验目的
实验原理
实验过程与实验方法
实验步骤
实验结果与实验结论

照明科学与人们的生活密切相关，是解决人类在黑暗中对光和色彩认知的一种技术需求，贯穿人类文明的整个过程，并且随着科技的进步和人类对光生物效应研究认识的深入，照明科学已经从简单解决人类在黑暗中认识改造世界的一种功能性解决方案变为一种涉及多学科的交叉科学，涉及物理学，计算机科学、生物学、社会学等多学科。LED照明是现代照明科学的重要组成部分，也是目前第三代半导体科技前沿内容。LED外延生长实验属半导体照明产业上游，是光电信息科学与工程等专业必修教学内容；但是LED设计制造中设计MOCVD或MOVPE工艺，设备价格昂贵，每套设备约2500万，需超净环境，有毒性气体，高消耗（每生长一炉LED外延片耗费超万元、近十小时），因此不适应采用实验教学。本实验有效解决了国内外LED外延生长实体实验难以克服的教学问题。

在本项目中，我们将发挥课程与产业界结合比较密切的优势，围绕“芯片-器件-系统-应用”整个产业链，同时在实验设计时，遵守“能实不虚、虚实结合、以虚补实”原则，注重学生的参与度，LED芯片的外延生长采用虚拟仿真教学，器件的封装工艺实验与企业合作，采用实践教学的方式，照明光学系统的设计在实验室结合光学设计与3D打印技术实验完成，灯具的照明设计应用实验采用实验室灯光模拟实验，实验各部分相互配合，内容涵盖LED发光机理认知、器件封装工艺、照明系统设计及将LED应用于不同场景的照明设计等环节，使学生在沉浸式体验中学习光源的相关机理及照明设计的实践。

同时该实验后期还可以对公众开发，用于照明科学科普和认知，对于中学生和无专业背景学生来说，该实验室可以作为一个光与色彩认知的科普基地，可以扩大学科的影响力。对于有专业背景的大学生来说，本实验室将以实体场景的光影形式展现，可以使学生对自己设计有更直观感性的认知，激发学生的兴趣和想象力，充分调动学生的积极性。让学生通过实验室既能对照明学科有一个系统的认识，也能看到行业发展的趋势，同时培养学生动手设计的能力，成为有特色能力的专业技术人才。同时能够有利提升上海的公民科学素养，对践行习近平总书记关于新时代中国特色社会主义科技创新思想，弘扬科学精神，普及科学知识具有重要的意义。

通过本实验的学习，学生可以进一步掌握LED光源芯片、封装、灯具设计、照明设计相关知识，并对光源、灯具与照明场景有更深刻的认识。可以通过本实验的学习，学生能够掌握光源设计理论、灯具光学设计、散热设计以及室内外照明设计。

（1）实验原理(限1000字以内)

LED光源设计与制作。

LED芯片的结构如图1所示，分为正装、垂直和倒装三种结构。LED封装器件如图2所示，包括表面贴装(SMD)、集成封装(COB)和芯片级封装(CSP)。图3是表面贴装LED封装器件的三维示意图。通过本实验需学生虚拟建成LED光源。LED生产设计主要过程包括外延片制造、芯片制造、封装三个主要制造过程。

图3表面贴装LED封装器件的三维示意图

1) LED外延生长原理

低压MOVPE是生产型MOVPE的主流机型。它使用较低生长温度和较低蒸气压MO源，提高了外延层厚度和组分的均匀性、界面的陡峭程度源的选择范围。如图4所示，低压MOVPE由源材料输运系统、反应腔系统、控制系统、在线监测系统以及尾气处理系统等组成。MOVPE外延生长涉多相化学反应，金属有机化合物源和氢化物或有机化合物，由氢气和氮气运载携带到反应腔内。

图4 MOVPE生长流程

LED即发光二极管，其核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片。当它两端加上正向电压时，电流从LED阳极流向阴极时，注入少数载载流子复合把多余能量以光的形式释放出来，发出从紫外到红外不同颜色光线，光的强弱与电流有关。

以蓝宝石衬底LED外延为例，典型的LED生长结构为：蓝宝石基板氢化→低温GaN缓冲层→ 3D生长→ UGaN层→ n型GaN层→多量子阱→p型GaN层。

2) LED外延生长材料组分对能隙及发光波长的影响

对于多量子阱，In_xGa_1-xN的带隙E_g与原材料组分x的关系为：

E_g(x) = (1-x)E_g(GaN) +xE_g(InN) -bx(1-x)。

其中，x为In组分比例，E_g(GaN) = 3.4 eV，E_g(InN)=0.7 eV，b= 1.31 eV。发光波长λ与带隙E_g的关系为λ=1240/E_g。因此，改变组分x值，即可得到不同发光光谱和不同LED，获得“材料组分-带隙-峰值波长-发光颜色”的对应关系。改变组分x方法：在InGaN生长时，控制In组分x有两种方法：第一是改变生长温度，温度升高，In组分x降低，InGaN晶体质量提高；第二a的摩尔流量比，提高In/Ga摩尔比，In组分x可在一定范围内上升，但容易产生In相分凝。

图5 InGaN LED芯片外延生长实验

3) LED光引出效率的改进

对LED芯片来说，它是一个六面体，并非点光源，在不计电极挡光时，这个六面体的六个面均可有一个全发射临界角，共可有49.6%的出光区域。事实上，LED由于要引出电极，固定在引线框架上等原因，还做不到六个面出光，也就是达不到49.6%的全发射区域。目前LED外量子效率一般为30%~50%，还有很大的提升空间，需要从LED芯片结构、封装结构、材料折射系数等综合多方面因素加以解决，来提高外量子效率。

虚拟仿真实验教学流程如图6所示。

虚拟仿真实验主要包括外延材料设计、芯片结构设计、LED发光原理、与传统光源的对比和照明应用，涉及的知识点共7个：

(a) LED发光材料外延设计；

(b)芯片材料体系对发光波长的影响；

(c)光引出效率的提高；

(d) LED芯片结构设计；

(e) LED发光原理；

(f) LED相对传统光源的优势与缺点；

(g)照明应用。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

1) MOVCD装置：描述研究了喷淋头进气压强、流量、载片盘转速及反应室出口压力对反应室内部流场的影响。

2) LED芯片材料体系对发光波长的影响，改变组分，即可得到不同发光光谱和不同LED，获得“材料组分—带隙—峰值波长—发光颜色”的对应关系。

3) LED光引出效率的改进，通过模拟，理解倒装结构与量子阱对提高LED外量子效率的影响。

实验装置：VR研究+手柄

教学方法：

以照明设计相关实验为例：

第一步：老师通过理论课讲述照明设计相关理论基础，分析影响照明设计效果的因素及作用机理。

第二步：通过建模构筑标准照明场景——家居照明、室内商业照明、办公室/教室照明、博物馆/美术馆照明。

第三步：针对每个标准场景，学生可以根据自己方案设置室内的家居摆设、墙面颜色、天花板反射系数。

第四步：将前序实验设计好的灯具导入场中，通过调节灯具数量、灯具位置，安装角度等参数模拟照明效果，并结合沉浸式体验效果及测试数据调整设计方案。

（1）学生交互性操作步骤，共12步

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
1	LED与传统光源区别	10	理解理论知识	10
2	蓝宝石衬底氢化	5	满足理论模型	5
3	衬底结构设计	10	满足理论模型	5	■操作成绩 ■实验报告 £预习成绩 ■教师评价报告
4	GaN缓冲层生长	5	满足理论模型	5
5	3D生长	5	满足理论模型	5
6	UGaN层	5	满足理论模型	5
7	N型半导体外延	10	满足理论模型	5
8	多量子阱外延	15	改善外量子效率	10
9	P型GaN外延	10	满足理论模型	5
10	芯片制作	30	获得预期光度参数	10
11	性能测试	10	获得预期光度参数	10

（2）交互性步骤详细说明

1)衬底选择及衬底处理；

2)控制通入气体种类、流量和MOVPE室温度；

3)调整通入气体种类、流量和MOVPE室温度，以生成N型半导体；

4)调整通入气体种类、流量和MOVPE室温度，以生成多量子阱成；

5)调整通入气体种类、流量和MOVPE室温度，以生成P型半导体；

6)设计制造芯片结构，包括散热结构、光引出结构和电极等。

不同材料与工艺会影响整个器件光效、色温、显色指数等光源成品指标，可影响灯具及照明效果。实验可设定LED特定参数及照明需求，可根据学生完成情况对学生成绩进行评价。

用户操作系统要求
硬件要求

开发技术

■VR £AR £MR ■3D仿真 £二维动画£HTML5

£其他

开发工具

■Unity3D ■3D Studio Max £Maya

£ZBrush £SketchUp £Adobe Flash

£Unreal Development Kit £Animate CC

£Blender ■Visual Studio

£其他

服务器

CPU 32核、内存256 GB、磁盘2048GB、

显存8GB、GPU型号：RTX2060

操作系统

■Windows Server £Linux £其他

具体版本：

数据库

■Mysql £SQL Server £Oracle

£其他

备注说明（需要其他硬件设备或服务器数量多于1台时请说明）

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