Детали блога

В светоизлучающих диодах (LED) на основе GaN непрерывный прогресс в эпитаксиальном росте и проектировании устройств приблизил внутреннюю квантовую эффективность (IQE) к теоретическому пределу.общая световая эффективность светодиодов остается в основном ограничена эффективностью извлечения света (LEE)Поскольку сапфир остается доминирующим субстратом для эпитаксии GaN, его поверхностная структура играет решающую роль в определении оптических потерь.В этой статье представлено подробное сравнение между плоскимсапфировые субстратыи узорированных сапфировых субстратов (PSS), объясняя, как PSS повышает эффективность экстракции света с помощью хорошо зарекомендовавших себя оптических и кристаллографических механизмов,и почему он стал де-факто стандартом в производстве высокопроизводительных светодиодов.

1. Почему эффективность извлечения света ограничивает производительность светодиодов

Общая внешняя квантовая эффективность (EQE) светодиода определяется произведением двух ключевых факторов:

ЕКВ=IQE×LEE

В то время как IQE отражает, насколько эффективно электроны и отверстия рекомбинируются, чтобы генерировать фотоны внутри активной области, LEE описывает, насколько эффективно эти фотоны выходят из устройства.

В светодиодах на основе GaN, выращенных на сапфировых субстратах, LEE обычно ограничивается 30~40% в обычных конструкциях.

• Сильное несоответствие индекса преломления между GaN (n ≈ 2.4), сапфиром (n ≈ 1.7) и воздухом (n ≈ 1.0)

• Общее внутреннее отражение (TIR) на плоских интерфейсах

• Захват фотонов внутри эпитаксиальных слоев и субстрата

В результате большая часть генерируемых фотонов подвергается множественному отражению и в конечном итоге поглощается или превращается в тепло, а не полезный свет.

2Плоские сапфировые субстраты: структурная простота, оптические ограничения

2.1 Структурные характеристики

Плоские сапфировые подложки имеют гладкую плоскую поверхность, обычно с ориентацией c-плоскости (0001).

• Кристаллическое качество

• Отличная тепловая и химическая устойчивость

• Зрелые, экономически эффективные производственные процессы

2.2 Оптическое поведение

С оптической точки зрения плоские интерфейсы представляют собой предсказуемые и высоконаправленные пути распространения фотонов.Когда фотоны, генерируемые в активной области GaN, достигают интерфейса GaN ′air или GaN ′sapphire под углами, превышающими критический угол, происходит полное внутреннее отражение.

Последствия включают:

• Ограничение фотонов внутри устройства

• Увеличение абсорбции электродами и дефекты

• Ограниченное угловое распределение излучаемого света

По сути, плоские сапфировые подложки оказывают минимальную помощь в преодолении оптического ограничения.

3. Схематизированный сапфировый субстрат (PSS): концепция и структура

Схематизированный сапфировый субстрат (PSS) создается путем введения периодических или квазипериодических микро- или наномасштабных структур на поверхность сапфира с помощью фотолитографии и процессов офорта.

Общие геометрии ПСС включают:

• Конические конструкции

• полусферные купола

• Пирамиды

• Конусы цилиндрические или обрезанные

Типичные размеры характеристик варьируются от субмикрона до нескольких микрометров, с тщательно контролируемой высотой, высотой и рабочим циклом.

4Как ПСС улучшает эффективность извлечения света

4.1 Устранение общего внутреннего отражения

Трёхмерная топология PSS изменяет местный угол воздействия на интерфейсах.Фотоны, которые в противном случае подвергались бы полному внутреннему отражению на плоской границе, перенаправляются в углы внутри конуса побега.

Это значительно увеличивает вероятность выхода фотонов из устройства.

4.2 Улучшенное оптическое рассеивание и рандомизация пути

Структуры ПСС вводят множество событий преломления и отражения, что приводит к:

• Направленная рандомизация траекторий фотонов

• Усиление взаимодействия с интерфейсами эскапа

• Сокращение времени пребывания фотона внутри устройства

Статистически это повышает вероятность экстракции фотонов до поглощения.

4.3 Эффективная классификация индекса преломления

С точки зрения оптического моделирования, PSS ведет себя как эффективный переходный слой показателя преломления.Указанная область создает постепенное изменение показателя преломления., уменьшая потери отражания Френеля.

Этот механизм концептуально схож с антиотражательными покрытиями, но работает через геометрическую оптику, а не интерференцию тонкой пленки.

4.4 Косвенное уменьшение потерь оптического поглощения

Сокращая длину пути фотонов и уменьшая повторяющиеся отражения, ПСС снижает вероятность поглощения:

• Контакты металлические

• Состояние дефекта

• Всасывание свободного носителя в GaN

Это способствует как более высокой эффективности, так и улучшенному тепловому поведению.

5Дополнительные преимущества: Улучшение качества кристаллов

Помимо оптики, ПСС также улучшает качество эпитаксии с помощью механизмов бокового эпитаксиального перерастания (LEO):

• Извержения, происходящие от интерфейса сапфира GaN, перенаправляются или прекращаются.

• Уменьшается плотность дислокации нитей

• Улучшенное качество материала повышает надежность и срок службы устройства

Эта двойная польза - оптическая и структурная - отличает ПСС от чисто оптической обработки поверхности.

6Количественное сравнение: ПСС против плоского сапфирового субстрата

Фактическая производительность зависит от геометрии шаблона, длины волны, конструкции чипа и упаковки.

7Компромисс и инженерные соображения

Несмотря на свои преимущества, ПСС вызывает практические проблемы:

• Дополнительные этапы литографии и гравировки увеличивают стоимость

• Однородность узора и глубина нанесения должны быть строго контролированы.

• Неоптимальные модели могут отрицательно повлиять на эпитаксиальную однородность

Таким образом, оптимизация ПСС является междисциплинарной задачей, включающей оптическое моделирование, эпитаксиальный рост и инженерию устройств.

8Промышленность и перспективы будущего

В настоящее время ПСС больше не считается необязательным дополнением.и дисплейное подсветка ≈ это стало базовой технологией.

Оглядываясь вперед:

• Исследуются передовые проекты ПСС для мини-ЛЕД и микро-ЛЕД

• Исследуются гибридные подходы, объединяющие ПСС с фотоническими кристаллами или нанотекстурой

• Снижение затрат и масштабируемость моделей остаются ключевыми целями отрасли

Заключение

Схематизированные сапфировые субстраты представляют собой фундаментальный сдвиг от пассивных материалов поддержки к функциональным оптическим и структурным компонентам в светодиодных устройствах.С помощью устранения потерь при извлечении света на их корне – оптическое ограничение и отражение интерфейса – ПСС обеспечивает более высокую эффективность, улучшенная надежность и лучшая последовательность производительности.

В отличие от этого, плоские сапфировые подложки, хотя и производятся и экономичны, по своей сути ограничены в способности поддерживать светодиоды следующего поколения с высокой эффективностью.Поскольку светодиодные технологии продолжают развиваться, PSS является ярким примером того, как материальная инженерия напрямую переводится в повышение производительности на уровне системы.