Szczegóły bloga

W przypadku diod emitujących światło (LED) opartych na GaN ciągłe postępy w rozwoju epitaksyalnym i projektowaniu urządzeń doprowadziły do zbliżenia wewnętrznej efektywności kwantowej (IQE) do teoretycznego limitu.całkowita efektywność świetlna diod LED pozostaje zasadniczo ograniczona przez efektywność ekstrakcji światła (LEE)Ponieważ szafir pozostaje dominującym materiałem substratu do epitaxy GaN, jego struktura powierzchni odgrywa kluczową rolę w określeniu strat optycznych.W tym artykule przedstawiono szczegółowe porównanie pomiędzySubstraty szafirowei wzorowanych substratów szafirowych (PSS), wyjaśniając, w jaki sposób PSS poprawia wydajność ekstrakcji światła za pomocą dobrze ugruntowanych mechanizmów optycznych i kryształoograficznych,i dlaczego stał się de facto standardem w produkcji wysokiej wydajności diod LED.

1. Dlaczego wydajność ekstrakcji światła ogranicza wydajność LED

Całkowita zewnętrzna efektywność kwantowa (EQE) diody LED zależy od mnożenia dwóch kluczowych czynników:

EQE=IQE×LEE

Podczas gdy IQE odzwierciedla, jak skutecznie elektrony i dziury rekombinują się w celu generowania fotonów w obrębie aktywnego obszaru, LEE opisuje, jak skutecznie te fotony uciekają z urządzenia.

W przypadku diod LED na bazie GaN uprawianych na substratach szafirowych, LEE jest zazwyczaj ograniczona do 30~40% w konwencjonalnych projektach.

• Ciężkie niezgodności wskaźnika załamania pomiędzy GaN (n ≈ 2,4), szafirem (n ≈ 1,7) i powietrzem (n ≈ 1,0)

• Całkowite odbicie wewnętrzne (TIR) na płaskich interfejsach

• Uwięzienie fotonów w warstwach epitaksyalnych i podłożu

W rezultacie duża część wytworzonych fotonów podlega wielokrotnym odbijaniom i ostatecznie jest absorbowana lub przekształcana w ciepło, a nie w użyteczne światło.

2Płaskie substraty szafirowe: prostota strukturalna, ograniczenia optyczne

2.1 Cechy strukturalne

Płaskie substraty szafirowe charakteryzują się gładką, płaską powierzchnią, zazwyczaj z orientacją c-plan (0001).

• Wysoka jakość krystaliczna

• Doskonała stabilność termiczna i chemiczna

• Dojrzałe, opłacalne procesy produkcyjne

2.2 Zachowanie optyczne

Z perspektywy optycznej płaskie interfejsy wprowadzają przewidywalne i wysoko kierunkowe ścieżki rozprzestrzeniania fotonów.Kiedy fotony generowane w aktywnym regionie GaN osiągają interfejs GaN ę lub GaN ę szafiru pod kątem przekraczającym kąt krytyczny, występuje całkowite odbicie wewnętrzne.

Wyniki obejmują:

• Ograniczenie fotonów w urządzeniu

• Zwiększone wchłanianie przez elektrody i wady

• Ograniczone rozkład kątowy emitowanego światła

W istocie płaskie substraty szafirowe zapewniają minimalną pomoc w przezwyciężaniu zamknięcia optycznego.

3. Wzorcowy substrat szafirowy (PSS): koncepcja i struktura

Wzorcowy substrat szafiru (PSS) powstaje poprzez wprowadzenie na powierzchnię szafiru okresowych lub niemal okresowych struktur mikro- lub nano-skałowych poprzez procesy fotolitografii i etsu.

Powszechne geometrie PSS obejmują:

• Koniczne konstrukcje

• Kopuły półkuli

• Piramidy

• Pozostałe, o masie przekraczającej 10 kg

Typowe rozmiary funkcji wahają się od submikronu do kilku mikrometrów, z starannie kontrolowaną wysokością, wysokością i cyklem pracy.

4Jak PSS poprawia wydajność ekstrakcji światła

4.1 Stłumienie całkowitego odbicia wewnętrznego

Trójwymiarowa topologia PSS zmienia lokalny kąt uderzenia na interfejsach.Fotony, które w przeciwnym razie uległyby całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na płaskiej granicy, są przekierowywane pod kąty w stożku ucieczki.

To znacznie zwiększa prawdopodobieństwo wyjścia fotonów z urządzenia.

4.2 Zwiększone rozpraszanie optyczne i losowanie ścieżki

Struktury PSS wprowadzają wiele zdarzeń zachodzących w wyniku załamania i odbicia, co prowadzi do:

• Wyróżnienie kierunkowe trajektorii fotonów

• Zwiększona interakcja z interfejsami ucieczki

• Zmniejszony czas pobytu fotonu wewnątrz urządzenia

Statystycznie zwiększa to prawdopodobieństwo ekstrakcji fotonu przed wchłanianiem.

4.3 Skuteczne klasyfikowanie wskaźnika załamania

Z perspektywy optycznego modelowania, PSS zachowuje się jak skuteczna warstwa przejściowa wskaźnika załamania.Obszar wzorowany tworzy stopniową zmianę wskaźnika załamania, zmniejszając straty odbicia Fresnela.

Mechanizm ten jest koncepcyjnie podobny do powłok antyrefleksyjnych, ale działa poprzez optykę geometryczną, a nie interferencję cienkich folii.

4.4 pośrednie zmniejszanie strat w absorpcji optycznej

Dzięki skróceniu długości ścieżki fotonu i zmniejszeniu powtarzających się odbić, PSS obniża prawdopodobieństwo wchłaniania poprzez:

• Kontakty metalowe

• Stany wad

• Wchłanianie wolnego nośnika w GaN

Przyczynia się to zarówno do zwiększenia wydajności, jak i poprawy zachowania termicznego.

5Dodatkowe korzyści: Poprawa jakości kryształów

Oprócz optyki, PSS poprawia również jakość epitaksyalną poprzez mechanizmy bocznego przyrostu epitaksyalnego (LEO):

• Zwichnięcia pochodzące z interfejsu safira √ GaN są przekierowywane lub zakończone

• Gęstość zwichnięć nitkowania jest zmniejszona

• Poprawa jakości materiału zwiększa niezawodność urządzenia i jego żywotność

Ta podwójna korzyść optyczna i konstrukcyjna odróżnia PSS od czysto optycznych obróbek powierzchni.

6. Porównanie ilościowe: PSS vs. Substrat Sapphire Flat

Rzeczywiste zyski wydajności zależą od geometrii wzoru, długości fali, konstrukcji chipa i opakowania.

7Kompromisy i rozważania techniczne

Pomimo swoich zalet, PSS wiąże się z praktycznymi wyzwaniami:

• Dodatkowe etapy litografii i etsu zwiększają koszty

• Należy ściśle kontrolować jednolitość wzoru i głębokość grafikacji

• Nieoptymalne wzory wzoru mogą negatywnie wpływać na jednolitość epitaksjalną

Dlatego optymalizacja PSS jest multidyscyplinarnym zadaniem obejmującym modelowanie optyczne, wzrost epitaksowy i inżynierię urządzeń.

8Perspektywy przemysłu i perspektywy przyszłości

Obecnie PSS nie jest już uważany za opcjonalne uzupełnienie.i oświetlenie w tle ekranu stała się podstawową technologią.

Patrząc w przyszłość:

• Badania nad zaawansowanymi projektami PSS dla Mini LED i Micro LED

• Badania prowadzone są w zakresie podejść hybrydowych łączących PSS z kryształami fotonicznymi lub nano-teksturowaniem

• Redukcja kosztów i skalowalność wzorców pozostają kluczowymi celami branży

Wniosek

Substraty szafirowe wzorowane stanowią fundamentalną zmianę od pasywnych materiałów nośnych do funkcjonalnych elementów optycznych i strukturalnych w urządzeniach LED.Poprzez rozwiązywanie problemu strat w ekstrakcji światła w ich pierwiastku i odbiciu łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łączności łącz, zwiększona niezawodność i lepsza spójność wydajności.

W przeciwieństwie do tego płaskie substraty szafirowe, chociaż są wytwarzalne i ekonomiczne, są z natury ograniczone w swojej zdolności do obsługi nowej generacji wysokowydajnych diod LED.W miarę rozwoju technologii LED, PSS jest wyraźnym przykładem tego, w jaki sposób inżynieria materiałowa bezpośrednio przekłada się na wzrost wydajności na poziomie systemu.