顶发射 QLED 出光耦合

Li 等（2023）：底发射与顶发射的模式分配及 IZO 腔厚扫描

Highly Efficient Top-Emitting Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with Record-Breaking External Quantum Efficiency of over 44.5%

作者： Haotao Li、Shiming Zhou、Shuming Chen

期刊： Laser & Photonics Reviews 17(8), 2300371（2023） · 对照目标： Figure 1b-d

本案例复现 Li 等 Figure 1b-d 的光学模型：626 nm 下底发射与顶发射红光 QLED 的模式分配、功率耗散谱，以及两层 IZO 相位调节层的二维厚度扫描。两种基线器件的 Air 比例与论文相差不超过 0.42 个百分点，扫描最优点的顶部 IZO 厚度与论文相差一个 5 nm 网格步长。

Li Figure 1——器件膜系，以及本案例复现的模式分配、功率耗散和两层 IZO 厚度图。Li 等，Laser & Photonics Reviews 17, 2300371（2023），Figure 1

Figure 1b 显示顶发射消除了 Substrate 通道并略微提高 Air 比例，Figure 1c 给出重新分配后的光学模式，Figure 1d 则把高效率腔体区域定位在底部/顶部 IZO 约 150/100 nm。

前置阅读：Emission 建模和参数扫描。案例提供三个导出模型：底发射基线、顶发射基线和完整的顶发射 IZO 扫描。

背景

底发射 QLED 会把一部分生成光耦合到厚玻璃衬底。顶发射器件改用金属反射镜上方的半透明电极，消除了衬底出光通道，但同时形成强微腔。两层 IZO 因而成为相位调节层，其厚度控制发射功率在空气、波导、吸收和倏逝通道之间的分配。

论文还报道了加入外部散射层后 44.5% 的实测 EQE。本次平面模型只验证腔体与模式分配，不包含该散射层。

论文参数与 TMM 模型映射

底发射基线（出光侧 → Ag）

膜层	厚度	层状态
Glass	`1 mm`	`Inco.`
IZO top	`110 nm`	—
PEDOT:PSS	`35 nm`	—
TFB	`25 nm`	—
红光 QD EML	`20 nm`	`Emis.`
ZnMgO	`70 nm`	—
IZO bottom	`150 nm`	—
Ag	`100 nm`	—

顶发射基线（出光侧 → Ag）

膜层	厚度	层状态
IZO top	`100 nm`	—
ZnMgO	`70 nm`	—
红光 QD EML	`20 nm`	`Emis.`
TFB	`25 nm`	—
PEDOT:PSS	`35 nm`	—
IZO bottom	`150 nm`	—
Ag	`100 nm`	—

共用设置	值
光学常数	数字化自补充信息
源光谱	红光 QD PL，峰值约 `626 nm`
发射体	各向同性 Probability 分布；相对位置 `0.5` 的 Delta
基线探测器	`Mode` 与 `Power Dissipation`，单波长 `626 nm`
功率耗散网格	面内坐标 `0–2`，步长 `0.002`
扫描探测器	光谱加权 `Mode`，`570–670 nm`，步长 `5 nm`
扫描发射体量子效率	`0.9059`
扫描变量	底部 IZO `5–200 nm`；顶部 IZO `5–200 nm`；步长均为 `5 nm`

复现目标与验收准则

底发射的 Top Outcoupling 比例与论文 41.42% Air 比例相差不超过一个百分点。
顶发射的 Top Outcoupling 比例与论文 45.74% Air 比例相差不超过一个百分点。
顶发射模型中衬底通道应消失，同时波导比例增大。
二维扫描的最强区域应位于底部 IZO 150 nm、顶部 IZO 100 nm 附近。
平面模型不要求复现实验器件加入外部散射层后的 44.5% EQE。

Dreapex TMM 建模路径

结构

底发射与顶发射分别使用上表两套基线，IZO 厚度扫描从顶发射模型出发。

光学设置

Figure 1b-c 使用单波长 626 nm。Mode 给出积分后的通道比例，Power Dissipation 显示这些通道在面内波矢上的分布。Figure 1d 则把 Mode 切换为 570–670 nm 的光谱加权模式。

本案例不使用 Optimize。页面下方若出现仅与 Optimize 有关的提示，可继续执行 Run 和 Sweep；该提示不会阻塞本案例。

示例配置

底发射模型

底发射 QLED 结构

Glass 构成底发射器件独有的 Substrate 通道；顶发射对照中没有这条通道。

底发射红光 QD 发射体设置

两种基线共用这一发射体设置，模式比例的差异只来自膜系。

626 nm 下的底发射 Mode 探测器

该页面对应 Figure 1b 的通道积分结果。

底发射 Power Dissipation 探测器

它与 Mode 共用 626 nm 输入，因此 Figure 1c 只改变结果表示方式。

顶发射模型与扫描

顶发射 QLED 结构

移除 Glass 通道后，顶发射基线的 Substrate 比例应为零。

IZO 扫描所用光谱加权 Mode 设置

Figure 1d 使用 PL 光谱加权结果，不沿用基线的单波长口径。

两变量 IZO 厚度扫描

热图的每个像素对应一组顶部与底部 IZO 厚度，共计算 1,600 个组合。

仿真结果与 Figure 1 对照

Figure 1b-d 分别给出下文对照使用的通道比例、功率耗散曲线和 IZO 厚度分布。

Li Figure 1——器件膜系，以及本案例复现的模式分配、功率耗散和两层 IZO 厚度图。Li 等，Laser & Photonics Reviews 17, 2300371（2023），Figure 1

Figure 1b：模式分配

626 nm 下的底发射 Mode 结果

底发射的 Substrate 表示进入 1 mm 玻璃但未逸出到空气的功率，与论文 Figure 1b 的 Air 通道分开计算。

626 nm 下的顶发射 Mode 结果

顶发射结构的 Substrate 降为零，功率主要转入 Waveguide，Top Outcoupling 仅小幅增加。

模式比例	底发射	顶发射
Top Outcoupling	`41.53%`	`45.32%`
Substrate	`19.02%`	`0%`
Waveguide	`29.78%`	`46.42%`
Absorption	`4.79%`	`3.59%`
Evanescent	`4.87%`	`4.65%`

论文给出的 Air 比例为 41.42% 和 45.74%，对应偏差分别为 +0.11 和 −0.42 个百分点。

Figure 1c：功率耗散

626 nm 下的底发射功率耗散谱

底发射曲线给出 TE、TM 与 Total 的峰形基准；图中未标出模式通道边界，各通道比例以 Mode 积分为准。

626 nm 下的顶发射功率耗散谱

顶发射腔改变了峰位、峰宽和曲线面积分布；两图纵轴独立缩放，精确通道比例仍以 Mode 结果为准。

Figure 1d：IZO 厚度扫描

两层 IZO 厚度对应的光谱加权 Top Outcoupling 热图

论文设计点与仿真最大点位于同一宽高值瓣，说明最优区对一个 5 nm 顶部 IZO 网格差异不敏感。

数量	论文	仿真
最优底部 IZO	`150 nm`	`150 nm`
最优顶部 IZO	`100 nm`	`105 nm`
峰值 EQE/γ	`41.4%`	`40.88%`
`150/100 nm` 处仿真值	—	`40.64%`

峰值指标相差 0.52 个百分点。

偏差分析

折射率和消光系数曲线数字化自补充信息，采样间距与插值会轻微移动腔体相位。
二维搜索采用 5 nm 网格；即使复现相同的宽峰，报告的最优点也可能移动一个网格。
发射体用 QD 层中央的单个各向同性 Delta 面表示。实测偶极取向比例或复合区剖面会改变各通道比例。
模型为平面结构，不包含最高 EQE 实验器件的外部散射层，也不包含粗糙度和横向散射。

后续扩展

在底部 IZO 140–160 nm、顶部 IZO 90–115 nm 范围内用 1 nm 步长加密扫描。
扫描偶极取向，评估不改变腔体时可从波导通道回收的功率。
增加 QD 位置或 ZnMgO 厚度变量，量化制造容差。
对比 626 nm 单波长 Mode 与光谱加权 Mode，区分峰值波长设计和宽谱设计。

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