У світлодіодах (LED) на основі GaN, постійний прогрес у методах епітаксіального вирощування та архітектурі пристроїв призвів до того, що внутрішня квантова ефективність (IQE) все більше наближається до свого теоретичного максимуму. Незважаючи на ці досягнення, загальна світлова ефективність світлодіодів залишається принципово обмеженою ефективністю вилучення світла (LEE). Оскільки сапфір продовжує бути переважним матеріалом підкладки для епітаксії GaN, морфологія його поверхні відіграє вирішальну роль у регулюванні оптичних втрат у пристрої.

У цій статті представлено комплексне порівняння плоских сапфірових підкладок та підкладок із візерункомсапфірові підкладки (PSS)У ньому пояснюються оптичні та кристалографічні механізми, за допомогою яких PSS підвищує ефективність вилучення світла, і пояснюється, чому PSS став фактичним стандартом у виробництві високопродуктивних світлодіодів.

1. Ефективність вилучення світла як фундаментальне вузьке місце

Зовнішня квантова ефективність (ЗКК) світлодіода визначається добутком двох основних факторів:

$ЕКВ=ІКВ\times ЛІ\backslash текст\{ЕКВ\}\; =\; \backslash текст\{ІКВ\}\; \backslash тижнево\; до\; \backslash текст\{ЛІ\}$

EQE=IQE×LEE

У той час як IQE кількісно визначає ефективність радіаційної рекомбінації в активній області, LEE описує частку згенерованих фотонів, які успішно виходять з пристрою.

Для світлодіодів на основі GaN, вирощених на сапфірових підкладках, LEE у звичайних конструкціях зазвичай обмежений приблизно 30–40%. Це обмеження виникає головним чином через:

• Значна невідповідність показників заломлення між GaN (n ≈ 2,4), сапфіром (n ≈ 1,7) та повітрям (n ≈ 1,0)

• Сильне повне внутрішнє відбиття (ПВВ) на планарних інтерфейсах

• Захоплення фотонів в епітаксійних шарах та підкладці

Отже, значна частина генерованих фотонів зазнає багаторазових внутрішніх відбиттів і зрештою поглинається матеріалом або перетворюється на тепло, а не сприяє корисному світловому потоку.

2. Плоскі сапфірові підкладки: структурна простота з оптичними обмеженнями

2.1 Структурні характеристики

Плоскі сапфірові підкладки зазвичай використовують орієнтацію c-площини (0001) з гладкою, плоскою поверхнею. Вони отримали широке застосування завдяки:

• Висока кристалічна якість

• Відмінна термічна та хімічна стабільність

• Зрілі та економічно ефективні виробничі процеси

2.2 Оптична поведінка

З оптичної точки зору, планарні інтерфейси призводять до високонаправлених та передбачуваних шляхів поширення фотонів. Коли фотони, що генеруються в активній області GaN, досягають інтерфейсу GaN-повітря або GaN-сапфір під кутами падіння, що перевищують критичний кут, відбувається повне внутрішнє відбиття.

Це призводить до:

• Сильне обмеження фотонів всередині пристрою

• Підвищене поглинання металевими електродами та дефектні стани

• Обмежений кутовий розподіл випромінюваного світла

По суті, плоскі сапфірові підкладки мало допомагають у подоланні оптичного обмеження.

3. Візерунчасті сапфірові підкладки: концепція та структурний дизайн

Візерунчаста сапфірова підкладка (PSS) формується шляхом введення періодичних або квазіперіодичних мікро- або нанорозмірних структур на поверхню сапфіра за допомогою фотолітографії та методів травлення.

До поширених геометрій PSS належать:

• Конічні структури

• Напівсферичні куполи

• Пірамідальні риси

• Циліндричні або усічено-конусні форми

Типові розміри елементів варіюються від субмікрометра до кількох мікрометрів, з ретельно контрольованою висотою, кроком та робочим циклом.

4. Механізми посилення екстракції світла в PSS

4.1 Придушення повного внутрішнього відбиття

Тривимірна топографія PSS змінює локальні кути падіння на межі розділу матеріалів. Фотони, які в іншому випадку зазнали б повного внутрішнього відбиття на плоскій межі, перенаправляються під кути всередині конуса виходу, що суттєво збільшує їхню ймовірність виходу з пристрою.

4.2 Покращене оптичне розсіювання та рандомізація траєкторії

Структури PSS вводять численні події заломлення та відбиття, що призводить до:

• Рандомізація напрямків поширення фотонів

• Посилена взаємодія з інтерфейсами вилучення світла

• Зменшений час перебування фотонів у пристрої

Статистично, ці ефекти підвищують ймовірність вилучення фотонів до того, як відбудеться поглинання.

4.3 Класифікація ефективного показника заломлення

З точки зору оптичного моделювання, PSS діє як ефективний перехідний шар показника заломлення. Замість різкої зміни показника заломлення від GaN до повітря, візерунчаста область забезпечує поступову зміну показника заломлення, тим самим зменшуючи втрати на відбиття Френеля.

Цей механізм концептуально аналогічний антибліковим покриттям, хоча він спирається на геометричну оптику, а не на інтерференцію тонких плівок.

4.4 Непряме зменшення втрат оптичного поглинання

Скорочуючи довжину шляху фотонів та пригнічуючи повторювані внутрішні відбиття, PSS зменшує ймовірність оптичного поглинання шляхом:

• Металеві контакти

• Дефектні стани кристалів

• Поглинання вільних носіїв заряду в GaN

Ці ефекти сприяють як підвищенню ефективності, так і покращенню теплових характеристик.

5. Додаткові переваги: ​​Покращення якості кристалів

Окрім оптичного покращення, PSS також покращує якість епітаксіального матеріалу за допомогою механізмів латерального епітаксіального надмірного росту (LEO):

• Дислокації, що виникають на межі розділу сапфір-GaN, перенаправляються або обриваються

• Щільність дислокацій різьблення значно зменшується

• Покращена якість кристалів підвищує надійність пристрою та термін служби

Ця подвійна оптична та структурна перевага відрізняє PSS від суто оптичних підходів до текстурування поверхні.

6. Кількісне порівняння: плоский сапфір проти PSS

Фактичне підвищення продуктивності залежить від геометрії діаграми спрямованості, довжини хвилі випромінювання, архітектури мікросхеми та стратегії упаковки.

7. Компроміси та інженерні міркування

Незважаючи на свої переваги, PSS створює кілька практичних проблем:

• Додаткові етапи літографії та травлення збільшують вартість виготовлення

• Однорідність візерунка та глибина травлення вимагають точного контролю

• Погано оптимізовані шаблони можуть негативно вплинути на епітаксіальну однорідність

Таким чином, оптимізація PSS за своєю суттю є міждисциплінарним завданням, що включає оптичне моделювання, епітаксіальну інженерію росту та проектування пристроїв.

8. Перспективи галузі та перспективи на майбутнє

У сучасному виробництві світлодіодів PSS більше не розглядається як додаткове вдосконалення. У світлодіодних системах середньої та високої потужності, включаючи загальне освітлення, автомобільне освітлення та підсвічування дисплеїв, вона стала базовою технологією.

Майбутні тенденції досліджень та розробок включають:

• Удосконалені конструкції PSS, адаптовані для застосувань Mini-LED та Micro-LED

• Гібридні підходи, що поєднують PSS з фотонними кристалами або нанорозмірним текстуруванням поверхні

• Постійні зусилля щодо зниження витрат та масштабованих технологій формування шаблонів

Висновок

Візерунчасті сапфірові підкладки являють собою фундаментальний перехід від пасивних механічних опор до функціональних оптичних та структурних компонентів у світлодіодних пристроях. Усуваючи втрати світла в їх корені, а саме оптичне обмеження та відбиття на межі розділу, PSS забезпечує підвищення ефективності, покращену надійність та стабільнішу роботу пристрою.

На противагу цьому, хоча плоскі сапфірові підкладки залишаються привабливими завдяки своїй технологічності та низькій вартості, їхні властиві оптичні обмеження обмежують їх придатність для високоефективних світлодіодів наступного покоління. Оскільки світлодіодна технологія продовжує розвиватися, PSS є яскравим прикладом того, як матеріалознавство може безпосередньо призвести до підвищення продуктивності на системному рівні.