Кај светлосните диоди (LED) базирани на GaN, континуираниот напредок во техниките на епитаксијален раст и архитектурата на уредот ја доведоа внатрешната квантна ефикасност (IQE) сè поблиску до нејзиниот теоретски максимум. И покрај овие напредоци, целокупните светлосни перформанси на LED диодите остануваат фундаментално ограничени од ефикасноста на екстракција на светлина (LEE). Бидејќи сафирот продолжува да биде доминантен материјал за подлога за GaN епитаксија, неговата површинска морфологија игра одлучувачка улога во регулирањето на оптичките загуби во уредот.

Оваа статија претставува сеопфатна споредба помеѓу рамни сафирни подлоги и шаренисафирни подлоги (PSS)Ги разјаснува оптичките и кристалографските механизми преку кои PSS ја подобрува ефикасноста на екстракција на светлина и објаснува зошто PSS стана де факто стандард во производството на високо-перформансни LED диоди.

1. Ефикасност на екстракција на светлина како фундаментално тесно грло

Надворешната квантна ефикасност (EQE) на LED диодата се определува со производот на два основни фактори:

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

EQE=IQE×LEE

Додека IQE ја квантифицира ефикасноста на радијативната рекомбинација во рамките на активниот регион, LEE го опишува делот од генерирани фотони кои успешно го напуштаат уредот.

За LED диоди базирани на GaN одгледувани на сафирни подлоги, LEE во конвенционалните дизајни е обично ограничен на приближно 30-40%. Ова ограничување произлегува првенствено од:

• Сериозно несовпаѓање на индексот на прекршување помеѓу GaN (n ≈ 2,4), сафир (n ≈ 1,7) и воздух (n ≈ 1,0)

• Силна вкупна внатрешна рефлексија (TIR) ​​на рамнински површини

• Заробување на фотони во епитаксијалните слоеви и подлогата

Следствено, значаен дел од генерираните фотони претрпуваат повеќекратни внатрешни рефлексии и на крајот се апсорбираат од материјалот или се претвораат во топлина, наместо да придонесуваат за корисен излез на светлина.

2. Рамни сафирни подлоги: Структурна едноставност со оптички ограничувања

2.1 Структурни карактеристики

Рамните сафирни подлоги обично користат ориентација во форма на C-рамнина (0001) со мазна, рамна површина. Тие се широко прифатени поради:

• Висок кристален квалитет

• Одлична термичка и хемиска стабилност

• Зрели и економични производствени процеси

2.2 Оптичко однесување

Од оптичка гледна точка, рамните интерфејси водат до високо насочени и предвидливи патеки на размножување на фотоните. Кога фотоните генерирани во активниот регион на GaN ќе стигнат до интерфејсот GaN-воздух или GaN-сафир под инцидентни агли што го надминуваат критичниот агол, се јавува целосна внатрешна рефлексија.

Ова резултира со:

• Силно ограничување на фотоните во уредот

• Зголемена апсорпција од метални електроди и дефектни состојби

• Ограничена аголна распределба на емитираната светлина

Во суштина, рамните сафирни подлоги нудат мала помош во надминувањето на оптичкото ограничување.

3. Подлоги со шари од сафир: Концепт и структурен дизајн

Шарена сафирна подлога (PSS) се формира со воведување периодични или квазипериодични микро- или наноразмерни структури на површината на сафирот со употреба на техники на фотолитографија и бакроење.

Вообичаените PSS геометрии вклучуваат:

• Конусни структури

• Хемисферични куполи

• Пирамидални карактеристики

• Цилиндрични или скратени конусни форми

Типичните димензии на карактеристиките се движат од подмикрометар до неколку микрометри, со внимателно контролирана висина, наклон и работен циклус.

4. Механизми за подобрување на екстракцијата на светлината во PSS

4.1 Потиснување на целосната внатрешна рефлексија

Тридимензионалната топографија на PSS ги модифицира локалните агли на инциденца на материјалните граничници. Фотоните кои инаку би доживеале целосно внатрешно одбивање на рамна граница се пренасочуваат во агли во рамките на конусот за бегство, значително зголемувајќи ја нивната веројатност за излегување од уредот.

4.2 Подобрено оптичко расејување и рандомизација на патеки

PSS структурите воведуваат повеќекратни настани на прекршување и рефлексија, што доведува до:

• Рандомизација на насоките на размножување на фотоните

• Зголемена интеракција со интерфејси за екстракција на светлина

• Намалено време на престој на фотони во уредот

Статистички, овие ефекти ја зголемуваат веројатноста за екстракција на фотони пред да се случи апсорпција.

4.3 Ефективно оценување на индексот на прекршување

Од перспектива на оптичко моделирање, PSS делува како ефективен слој на преоден индекс на прекршување. Наместо нагла промена на индексот на прекршување од GaN во воздух, шарениот регион обезбедува постепена варијација на индексот на прекршување, со што се намалуваат загубите на Френелова рефлексија.

Овој механизам е концептуално аналоген на антирефлексните премази, иако се потпира на геометриска оптика, а не на тенкофилмска интерференција.

4.4 Индиректно намалување на загубите на оптичка апсорпција

Со скратување на должините на патеките на фотоните и потиснување на повторените внатрешни рефлексии, PSS ја намалува веројатноста за оптичка апсорпција преку:

• Метални контакти

• Кристални дефектни состојби

• Апсорпција на слободни носители во GaN

Овие ефекти придонесуваат и за поголема ефикасност и за подобрени термички перформанси.

5. Дополнителни придобивки: Подобрување на квалитетот на кристалите

Освен оптичкото подобрување, PSS го подобрува и квалитетот на епитаксијалниот материјал преку механизми на латерален епитаксијален прекумерен раст (LEO):

• Дислокациите што потекнуваат од интерфејсот сафир-GaN се пренасочуваат или завршуваат

• Густината на дислокацијата на навојот е значително намалена

• Подобрениот квалитет на кристалите ја зголемува сигурноста на уредот и работниот век

Оваа двојна оптичка и структурна предност го разликува PSS од чисто оптичките пристапи за текстурирање на површината.

6. Квантитативна споредба: Рамен сафир наспроти PSS

Вистинските подобрувања во перформансите зависат од геометријата на шаблонот, брановата должина на емисијата, архитектурата на чипот и стратегијата за пакување.

7. Компромиси и инженерски размислувања

И покрај своите предности, PSS воведува неколку практични предизвици:

• Дополнителните чекори на литографија и гравирање ги зголемуваат трошоците за изработка

• Униформноста на моделот и длабочината на гравирање бараат прецизна контрола

• Лошо оптимизираните модели можат негативно да влијаат на епитаксијалната униформност

Затоа, оптимизацијата на PSS е по природа мултидисциплинарна задача што вклучува оптичка симулација, инженерство на епитаксијален раст и дизајн на уреди.

8. Перспектива на индустријата и идни перспективи

Во современото производство на LED диоди, PSS повеќе не се смета за опционално подобрување. Во LED апликациите со средна и висока моќност - вклучувајќи општо осветлување, осветлување на автомобили и позадинско осветлување на дисплеите - таа стана основна технологија.

Идните трендови во истражувањето и развојот вклучуваат:

• Напредни PSS дизајни прилагодени за Mini-LED и Micro-LED апликации

• Хибридни пристапи што комбинираат PSS со фотонски кристали или наноразмерно површинско текстурирање

• Континуирани напори за намалување на трошоците и скалабилни технологии за моделирање

Заклучок

Шарените сафирни супстрати претставуваат фундаментален премин од пасивни механички потпори кон функционални оптички и структурни компоненти кај LED уредите. Со справување со загубите на екстракција на светлина во нивниот корен - имено оптичкото ограничување и рефлексијата на интерфејсот - PSS овозможува поголема ефикасност, подобрена сигурност и поконзистентни перформанси на уредот.

Спротивно на тоа, додека рамните сафирни подлоги остануваат привлечни поради нивната производственост и пониска цена, нивните вродени оптички ограничувања ја ограничуваат нивната соодветност за високоефикасни LED диоди од следната генерација. Како што LED технологијата продолжува да се развива, PSS претставува јасен пример за тоа како инженерството на материјали може директно да се претвори во подобрувања на перформансите на ниво на систем.