Pri svetlečih diodah (LED) na osnovi GaN je nenehen napredek v tehnikah epitaksialne rasti in arhitekturi naprav potisnil notranjo kvantno učinkovitost (IQE) vse bližje njenemu teoretičnemu maksimumu. Kljub temu napredku ostaja celotna svetlobna zmogljivost LED diod bistveno omejena z učinkovitostjo ekstrakcije svetlobe (LEE). Ker safir še vedno ostaja prevladujoči substratni material za epitaksijo GaN, ima njegova površinska morfologija odločilno vlogo pri uravnavanju optičnih izgub znotraj naprave.

Ta članek predstavlja celovito primerjavo med ravnimi safirnimi substrati in vzorčastimisafirne podlage (PSS)Pojasnjuje optične in kristalografske mehanizme, s katerimi PSS izboljša učinkovitost ekstrakcije svetlobe, in pojasnjuje, zakaj je PSS postal dejanski standard v proizvodnji visokozmogljivih LED diod.

1. Učinkovitost ekstrakcije svetlobe kot temeljno ozko grlo

Zunanja kvantna učinkovitost (EQE) LED diode je določena z zmnožkom dveh primarnih dejavnikov:

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

EQE=IQE×LEE

Medtem ko IQE kvantificira učinkovitost sevalne rekombinacije znotraj aktivnega območja, LEE opisuje delež ustvarjenih fotonov, ki uspešno uidejo iz naprave.

Pri LED diodah na osnovi GaN, izdelanih na safirnih substratih, je LEE v konvencionalnih izvedbah običajno omejen na približno 30–40 %. Ta omejitev izhaja predvsem iz:

• Huda neskladnost lomnih količnikov med GaN (n ≈ 2,4), safirjem (n ≈ 1,7) in zrakom (n ≈ 1,0)

• Močan popolni notranji odboj (TIR) ​​na ravninskih vmesnikih

• Lovljenje fotonov znotraj epitaksialnih plasti in substrata

Posledično se znaten del ustvarjenih fotonov večkrat notranje odbije in jih material na koncu absorbira ali pretvori v toploto, namesto da bi prispevali k koristni svetlobni moči.

2. Ploski safirni substrati: strukturna preprostost z optičnimi omejitvami

2.1 Strukturne značilnosti

Ploski safirni substrati običajno uporabljajo orientacijo c-ravnine (0001) z gladko, ravno površino. Široko so bili sprejeti zaradi:

• Visoka kristalna kakovost

• Odlična toplotna in kemična stabilnost

• Zreli in stroškovno učinkoviti proizvodni procesi

2.2 Optično vedenje

Z optičnega vidika vodijo planarni vmesniki do zelo usmerjenih in predvidljivih poti širjenja fotonov. Ko fotoni, ki nastanejo v aktivnem območju GaN, dosežejo vmesnik GaN-zrak ali GaN-safir pod vpadnimi koti, ki presegajo kritični kot, pride do popolnega notranjega odboja.

To ima za posledico:

• Močna omejitev fotonov znotraj naprave

• Povečana absorpcija kovinskih elektrod in defektna stanja

• Omejena kotna porazdelitev oddane svetlobe

V bistvu ploščati safirni substrati ponujajo le malo pomoči pri premagovanju optične omejitve.

3. Vzorčaste safirne podlage: koncept in strukturna zasnova

Vzorec safirnega substrata (PSS) se oblikuje z vnosom periodičnih ali kvaziperiodičnih mikro- ali nanoskalnih struktur na površino safirja z uporabo fotolitografije in tehnik jedkanja.

Pogoste geometrije PSS vključujejo:

• Stožčaste strukture

• Polkrogelne kupole

• Piramidalne značilnosti

• Valjaste ali prisekane stožčaste oblike

Tipične dimenzije značilnosti segajo od submikrometrskih do več mikrometrskih, s skrbno nadzorovano višino, naklonom in delovnim ciklom.

4. Mehanizmi izboljšanja ekstrakcije svetlobe v PSS

4.1 Zmanjšanje popolnega notranjega odboja

Tridimenzionalna topografija PSS spreminja lokalne vpadne kote na materialnih vmesnikih. Fotoni, ki bi sicer doživeli popolni notranji odboj na ravni meji, so preusmerjeni v kote znotraj izstopnega stožca, kar znatno poveča njihovo verjetnost, da izstopijo iz naprave.

4.2 Izboljšano optično sipanje in randomizacija poti

Strukture PSS uvajajo več lomnih in odbojnih dogodkov, kar vodi do:

• Randomizacija smeri širjenja fotonov

• Povečana interakcija z vmesniki za ekstrakcijo svetlobe

• Zmanjšan čas zadrževanja fotonov v napravi

Statistično gledano ti učinki povečajo verjetnost ekstrakcije fotona, preden pride do absorpcije.

4.3 Določanje efektivnega lomnega količnika

Z vidika optičnega modeliranja PSS deluje kot učinkovita prehodna plast lomnega količnika. Namesto nenadne spremembe lomnega količnika iz GaN v zrak vzorčeno območje zagotavlja postopno spremembo lomnega količnika, s čimer se zmanjšajo Fresnelove odbojne izgube.

Ta mehanizem je konceptualno analogen antirefleksnim premazom, čeprav se opira na geometrijsko optiko in ne na interferenco tankih filmov.

4.4 Posredno zmanjšanje izgub zaradi optične absorpcije

S skrajšanjem dolžin poti fotonov in zaviranjem ponavljajočih se notranjih odbojev PSS zmanjša verjetnost optične absorpcije z:

• Kovinski kontakti

• Stanja kristalnih napak

• Absorpcija prostih nosilcev v GaN

Ti učinki prispevajo tako k večji učinkovitosti kot tudi k izboljšani toplotni učinkovitosti.

5. Dodatne prednosti: Izboljšanje kakovosti kristalov

Poleg optičnega izboljšanja PSS izboljša tudi kakovost epitaksialnega materiala z mehanizmi lateralne epitaksialne rasti (LEO):

• Dislokacije, ki izvirajo iz vmesnika safir-GaN, so preusmerjene ali prekinjene

• Gostota dislokacij navojev se znatno zmanjša

• Izboljšana kakovost kristalov poveča zanesljivost naprave in življenjsko dobo delovanja

Ta dvojna optična in strukturna prednost loči PSS od povsem optičnih pristopov teksturiranja površin.

6. Kvantitativna primerjava: ploščati safir proti PSS

Dejansko povečanje zmogljivosti je odvisno od geometrije vzorca, valovne dolžine emisije, arhitekture čipa in strategije pakiranja.

7. Kompromisi in inženirski vidiki

Kljub svojim prednostim PSS prinaša več praktičnih izzivov:

• Dodatni koraki litografije in jedkanja povečajo stroške izdelave

• Enakomernost vzorca in globina jedkanja zahtevata natančen nadzor

• Slabo optimizirani vzorci lahko negativno vplivajo na epitaksialno enakomernost

Zato je optimizacija PSS sama po sebi multidisciplinarna naloga, ki vključuje optično simulacijo, epitaksialno rastno inženirstvo in načrtovanje naprav.

8. Perspektiva industrije in obeti za prihodnost

V sodobni proizvodnji LED-diod se PSS ne obravnava več kot dodatna oprema. V aplikacijah LED-diod srednje in visoke moči – vključno s splošno razsvetljavo, avtomobilsko razsvetljavo in osvetlitvijo zaslonov – je postal osnovna tehnologija.

Prihodnji trendi raziskav in razvoja vključujejo:

• Napredne zasnove PSS, prilagojene za aplikacije Mini-LED in Micro-LED

• Hibridni pristopi, ki združujejo PSS s fotonskimi kristali ali teksturiranjem površin v nanometrskem merilu

• Nadaljnja prizadevanja za zmanjšanje stroškov in tehnologije za prilagodljivo oblikovanje vzorcev

Zaključek

Vzorčasti safirni substrati predstavljajo temeljni prehod od pasivnih mehanskih nosilcev k funkcionalnim optičnim in strukturnim komponentam v LED napravah. Z odpravljanjem izgub zaradi ekstrakcije svetlobe pri njihovem korenu – in sicer optične omejitve in odboja na vmesniku – PSS omogoča večjo učinkovitost, izboljšano zanesljivost in bolj dosledno delovanje naprave.

Nasprotno pa so ploščati safirni substrati, čeprav ostajajo privlačni zaradi svoje izdelovalnosti in nižjih stroškov, zaradi svojih inherentnih optičnih omejitev omejujejo njihovo primernost za visoko učinkovite LED diode naslednje generacije. Ker se tehnologija LED še naprej razvija, je PSS jasen primer, kako se lahko inženiring materialov neposredno prevede v izboljšave zmogljivosti na ravni sistema.