W diodach elektroluminescencyjnych (LED) na bazie GaN, ciągły postęp w technikach wzrostu epitaksjalnego i architekturze urządzeń doprowadził do tego, że wewnętrzna wydajność kwantowa (IQE) zbliża się do teoretycznego maksimum. Pomimo tych postępów, ogólna wydajność świetlna diod LED pozostaje zasadniczo ograniczona przez wydajność ekstrakcji światła (LEE). Ponieważ szafir nadal jest dominującym materiałem podłoża do epitaksji GaN, jego morfologia powierzchni odgrywa decydującą rolę w regulacji strat optycznych w urządzeniu.

W artykule tym przedstawiono kompleksowe porównanie płaskich podłoży szafirowych i wzorzystychpodłoża szafirowe (PSS)Wyjaśnia mechanizmy optyczne i krystalograficzne, dzięki którym PSS zwiększa wydajność ekstrakcji światła, a także tłumaczy, dlaczego PSS stał się de facto standardem w produkcji wysokowydajnych diod LED.

1. Wydajność ekstrakcji światła jako podstawowe wąskie gardło

Zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE) diody LED jest określana jako iloczyn dwóch podstawowych czynników:

$EQE=IQE\times LEE\backslash text\{EQE\}\; =\; \backslash text\{IQE\}\; \backslash times\; \backslash text\{LEE\}$

EQE=IQE×LEE

Podczas gdy IQE określa wydajność rekombinacji radiacyjnej w obszarze aktywnym, LEE opisuje ułamek wytworzonych fotonów, które skutecznie uciekają z urządzenia.

W przypadku diod LED na bazie GaN, wytwarzanych na podłożach szafirowych, LEE w konwencjonalnych projektach jest zazwyczaj ograniczony do około 30–40%. Ograniczenie to wynika głównie z:

• Znaczna niezgodność współczynnika załamania światła pomiędzy GaN (n ≈ 2,4), szafirem (n ≈ 1,7) i powietrzem (n ≈ 1,0)

• Silne całkowite wewnętrzne odbicie (TIR) ​​na interfejsach płaskich

• Pułapkowanie fotonów w warstwach epitaksjalnych i podłożu

W rezultacie znaczna część wytwarzanych fotonów ulega wielokrotnym wewnętrznym odbiciom i ostatecznie zostaje pochłonięta przez materiał lub zamieniona w ciepło, zamiast przyczyniać się do wytwarzania użytecznego światła.

2. Płaskie podłoża szafirowe: prostota konstrukcji z ograniczeniami optycznymi

2.1 Charakterystyka strukturalna

Płaskie podłoża szafirowe zazwyczaj wykorzystują orientację płaszczyzny c (0001) z gładką, płaską powierzchnią. Zostały one szeroko przyjęte ze względu na:

• Wysoka jakość krystaliczna

• Doskonała stabilność termiczna i chemiczna

• Dojrzałe i opłacalne procesy produkcyjne

2.2 Zachowanie optyczne

Z optycznego punktu widzenia, interfejsy planarne zapewniają wysoce kierunkowe i przewidywalne ścieżki propagacji fotonów. Gdy fotony generowane w aktywnym obszarze GaN docierają do interfejsu GaN–powietrze lub GaN–szafir pod kątem padania przekraczającym kąt krytyczny, następuje całkowite wewnętrzne odbicie.

W rezultacie otrzymujemy:

• Silne uwięzienie fotonów wewnątrz urządzenia

• Zwiększona absorpcja przez elektrody metalowe i stany defektowe

• Ograniczony kątowy rozkład emitowanego światła

Zasadniczo płaskie podłoża szafirowe nie pomagają w przezwyciężaniu ograniczeń optycznych.

3. Podłoża szafirowe o wzorach: koncepcja i projekt konstrukcyjny

Wzór podłoża szafirowego (PSS) powstaje poprzez nanoszenie na powierzchnię szafiru okresowych lub quasi-okresowych struktur mikro- lub nanometrycznych za pomocą technik fotolitografii i trawienia.

Do typowych geometrii PSS należą:

• Struktury stożkowe

• Kopuły półkuliste

• Cechy piramidalne

• Kształty cylindryczne lub stożkowo-ścięte

Typowe wymiary elementów mieszczą się w przedziale od submikronowych do kilku mikrometrów, przy czym wysokość, skok i współczynnik wypełnienia są starannie kontrolowane.

4. Mechanizmy poprawy ekstrakcji światła w PSS

4.1 Tłumienie całkowitego wewnętrznego odbicia

Trójwymiarowa topografia PSS modyfikuje lokalne kąty padania na stykach materiałów. Fotony, które w przeciwnym razie uległyby całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na płaskiej granicy, są przekierowywane pod kątem w stożku ucieczki, co znacznie zwiększa prawdopodobieństwo ich opuszczenia urządzenia.

4.2 Ulepszone rozpraszanie optyczne i losowość ścieżki

Struktury PSS wprowadzają wielokrotne zdarzenia refrakcji i odbicia, co prowadzi do:

• Randomizacja kierunków propagacji fotonów

• Zwiększona interakcja z interfejsami ekstrakcji światła

• Skrócony czas przebywania fotonów w urządzeniu

Statystycznie rzecz biorąc, efekty te zwiększają prawdopodobieństwo wydobycia fotonów przed ich absorpcją.

4.3 Klasyfikacja efektywnego współczynnika załamania światła

Z perspektywy modelowania optycznego, PSS działa jak efektywna warstwa przejściowa współczynnika załamania światła. Zamiast nagłej zmiany współczynnika załamania światła z GaN na powietrze, obszar wzorzysty zapewnia stopniową zmianę współczynnika załamania światła, zmniejszając w ten sposób straty odbicia Fresnela.

Mechanizm ten jest pod względem koncepcyjnym analogiczny do powłok antyrefleksyjnych, choć opiera się na optyce geometrycznej, a nie na interferencji cienkich warstw.

4.4 Pośrednia redukcja strat absorpcji optycznej

Skracając długość drogi fotonów i tłumiąc powtarzające się wewnętrzne odbicia, PSS zmniejsza prawdopodobieństwo absorpcji optycznej poprzez:

• Kontakty metalowe

• Stany defektów kryształu

• Absorpcja nośników swobodnych w GaN

Efekty te przyczyniają się zarówno do wyższej wydajności, jak i poprawy charakterystyki cieplnej.

5. Dodatkowe korzyści: poprawa jakości kryształu

Oprócz poprawy optycznej, PSS poprawia również jakość materiału epitaksjalnego poprzez mechanizmy bocznego przerostu epitaksjalnego (LEO):

• Dyslokacje pochodzące z interfejsu szafir–GaN są przekierowywane lub zakańczane

• Gęstość dyslokacji gwintowanych jest znacznie zmniejszona

• Lepsza jakość kryształu zwiększa niezawodność urządzenia i jego żywotność

Ta podwójna korzyść optyczna i strukturalna odróżnia metodę PSS od czysto optycznych metod teksturowania powierzchni.

6. Porównanie ilościowe: szafir płaski kontra PSS

Rzeczywisty wzrost wydajności zależy od geometrii wzoru, długości fali emisji, architektury układu scalonego i strategii pakowania.

7. Kompromisy i rozważania inżynieryjne

Pomimo swoich zalet, PSS stwarza kilka praktycznych wyzwań:

• Dodatkowe etapy litografii i trawienia zwiększają koszty produkcji

• Jednolitość wzoru i głębokość trawienia wymagają precyzyjnej kontroli

• Źle zoptymalizowane wzory mogą niekorzystnie wpływać na jednorodność epitaksjalną

Dlatego też optymalizacja PSS jest z natury zadaniem interdyscyplinarnym, obejmującym symulację optyczną, inżynierię wzrostu epitaksjalnego i projektowanie urządzeń.

8. Perspektywy branży i prognozy na przyszłość

W nowoczesnej produkcji diod LED technologia PSS nie jest już traktowana jako opcjonalne ulepszenie. W zastosowaniach diod LED średniej i dużej mocy – w tym w oświetleniu ogólnym, oświetleniu samochodowym i podświetlaniu wyświetlaczy – stała się technologią podstawową.

Przyszłe trendy w zakresie badań i rozwoju obejmują:

• Zaawansowane projekty PSS dostosowane do zastosowań Mini-LED i Micro-LED

• Podejścia hybrydowe łączące PSS z kryształami fotonicznymi lub teksturowaniem powierzchni w skali nano

• Ciągłe wysiłki na rzecz redukcji kosztów i skalowalnych technologii wzorowania

Wniosek

Wzorzyste podłoża szafirowe stanowią fundamentalne przejście od pasywnych podpór mechanicznych do funkcjonalnych elementów optycznych i strukturalnych w urządzeniach LED. Poprzez eliminację strat w ekstrakcji światła u ich źródła – a mianowicie ograniczenia optycznego i odbicia interfejsu – PSS zapewnia wyższą wydajność, lepszą niezawodność i bardziej spójną pracę urządzenia.

Z drugiej strony, choć płaskie podłoża szafirowe pozostają atrakcyjne ze względu na łatwość produkcji i niższy koszt, ich nieodłączne ograniczenia optyczne ograniczają ich przydatność w wysokowydajnych diodach LED nowej generacji. W miarę rozwoju technologii LED, PSS stanowi wyraźny przykład tego, jak inżynieria materiałowa może bezpośrednio przekładać się na wzrost wydajności na poziomie systemu.