GaN bāzes gaismas diodēs (LED) nepārtraukta epitaksiālās augšanas metožu un ierīču arhitektūras attīstība ir novedusi iekšējo kvantu efektivitāti (IQE) arvien vairāk pie tās teorētiskā maksimuma. Neskatoties uz šiem sasniegumiem, LED kopējo gaismas veiktspēju joprojām būtiski ierobežo gaismas ekstrakcijas efektivitāte (LEE). Tā kā safīrs joprojām ir galvenais substrāta materiāls GaN epitaksijai, tā virsmas morfoloģijai ir izšķiroša loma optisko zudumu regulēšanā ierīcē.

Šajā rakstā sniegts visaptverošs plakano safīra substrātu un rakstaino materiālu salīdzinājums.safīra substrāti (PSS)Tas izskaidro optiskos un kristalogrāfiskos mehānismus, ar kuriem PSS uzlabo gaismas ieguves efektivitāti, un paskaidro, kāpēc PSS ir kļuvis par faktisku standartu augstas veiktspējas LED ražošanā.

1. Gaismas ekstrakcijas efektivitāte kā būtisks šķērslis

Gaismas diodes ārējo kvantu efektivitāti (EQE) nosaka divu primāro faktoru reizinājums:

$EQE=IQE\times LEE\backslash teksts\{EQE\}\; =\; \backslash teksts\{IQE\}\; \backslash reizes\; \backslash tekst\{LEE\}$

EQE=IQE×LEE

Lai gan IQE kvantificē radiatīvās rekombinācijas efektivitāti aktīvajā reģionā, LEE apraksta ģenerēto fotonu daļu, kas veiksmīgi izkļūst no ierīces.

GaN bāzes gaismas diodēm, kas audzētas uz safīra substrātiem, LEE tradicionālajos dizainos parasti ir ierobežota līdz aptuveni 30–40%. Šis ierobežojums galvenokārt rodas šādu iemeslu dēļ:

• Izteikta refrakcijas indeksa neatbilstība starp GaN (n ≈ 2,4), safīru (n ≈ 1,7) un gaisu (n ≈ 1,0)

• Spēcīga pilnīga iekšējā atstarošana (TIR) ​​plaknes saskarnēs

• Fotonu ieslodzījums epitaksiālajos slāņos un substrātā

Līdz ar to ievērojama daļa ģenerēto fotonu tiek pakļauti vairākkārtējai iekšējai atstarošanai un galu galā tiek absorbēti materiālā vai pārvērsti siltumā, nevis veicina lietderīgu gaismas jaudu.

2. Plakanie safīra substrāti: strukturāla vienkāršība ar optiskiem ierobežojumiem

2.1 Strukturālās īpašības

Plakanajiem safīra substrātiem parasti tiek izmantota c-plaknes (0001) orientācija ar gludu, plakanu virsmu. Tie ir plaši pieņemti, pateicoties:

• Augsta kristāliskā kvalitāte

• Lieliska termiskā un ķīmiskā stabilitāte

• Nobrieduši un izmaksu ziņā efektīvi ražošanas procesi

2.2 Optiskā uzvedība

No optiskā viedokļa plaknes saskarnes nodrošina ļoti virzītus un paredzamus fotonu izplatīšanās ceļus. Kad GaN aktīvajā apgabalā ģenerētie fotoni sasniedz GaN-gaisa vai GaN-safīra saskarni krišanas leņķos, kas pārsniedz kritisko leņķi, notiek pilnīga iekšējā atstarošanās.

Tā rezultātā rodas:

• Spēcīga fotonu ierobežošana ierīcē

• Palielināta absorbcija ar metāla elektrodiem un defektu stāvokļiem

• Ierobežots izstarotās gaismas leņķiskais sadalījums

Būtībā plakanie safīra substrāti maz palīdz pārvarēt optisko ierobežojumu.

3. Rakstaini safīra substrāti: koncepcija un konstrukcijas dizains

Rakstainu safīra substrātu (PSS) veido, ieviešot periodiskas vai kvaziperiodiskas mikro- vai nanoskalas struktūras uz safīra virsmas, izmantojot fotolitogrāfijas un kodināšanas metodes.

Izplatītākās PSS ģeometrijas ietver:

• Koniskas struktūras

• Puslodes formas kupoli

• Piramīdas iezīmes

• Cilindriskas vai nošķeltas konusa formas

Tipiski elementu izmēri ir no submikrometra līdz vairākiem mikrometriem, ar rūpīgi kontrolētu augstumu, soli un darba ciklu.

4. Gaismas ekstrakcijas uzlabošanas mehānismi PSS

4.1 Pilnīgas iekšējās atstarošanas slāpēšana

PSS trīsdimensiju topogrāfija maina lokālos krišanas leņķus materiālu saskarnēs. Fotoni, kas citādi piedzīvotu pilnīgu iekšējo atstarošanos no līdzenas robežas, tiek novirzīti leņķos izejas konusā, ievērojami palielinot to varbūtību iziet no ierīces.

4.2 Uzlabota optiskā izkliede un ceļa nejaušināšana

PSS struktūras ievieš vairākus refrakcijas un atstarošanas notikumus, kas noved pie:

• Fotonu izplatīšanās virzienu randomizācija

• Pastiprināta mijiedarbība ar gaismas ekstrakcijas saskarnēm

• Samazināts fotonu uzturēšanās laiks ierīcē

Statistiski šie efekti palielina fotonu ekstrakcijas iespējamību pirms absorbcijas.

4.3 Efektīvā refrakcijas indeksa gradācija

No optiskās modelēšanas viedokļa PSS darbojas kā efektīvs refrakcijas indeksa pārejas slānis. Tā vietā, lai pēkšņi mainītu refrakcijas indeksu no GaN uz gaisu, rakstītais apgabals nodrošina pakāpenisku refrakcijas indeksa variāciju, tādējādi samazinot Frenela atstarošanas zudumus.

Šis mehānisms konceptuāli ir analogs pretatstarošanās pārklājumiem, lai gan tas balstās uz ģeometrisko optiku, nevis plānslāņu interferenci.

4.4 Optisko absorbcijas zudumu netieša samazināšana

Saīsinot fotonu ceļa garumus un nomācot atkārtotus iekšējos atstarojumus, PSS samazina optiskās absorbcijas varbūtību:

• Metāla kontakti

• Kristāla defektu stāvokļi

• Brīvo nesēju absorbcija GaN

Šie efekti veicina gan lielāku efektivitāti, gan uzlabotu termisko veiktspēju.

5. Papildu priekšrocības: kristāla kvalitātes uzlabošana

Papildus optiskajai uzlabošanai PSS uzlabo arī epitaksiālā materiāla kvalitāti, izmantojot laterālās epitaksiālās aizaugšanas (LEO) mehānismus:

• Dislokācijas, kas rodas safīra un GaN saskarnē, tiek novirzītas vai pārtrauktas

• Vītņu dislokācijas blīvums ir ievērojami samazināts

• Uzlabota kristāla kvalitāte palielina ierīces uzticamību un kalpošanas laiku

Šī divējāda optiskā un strukturālā priekšrocība atšķir PSS no tīri optiskām virsmas teksturēšanas metodēm.

6. Kvantitatīvs salīdzinājums: plakanais safīrs pret PSS

Faktiskais veiktspējas pieaugums ir atkarīgs no raksta ģeometrijas, emisijas viļņa garuma, mikroshēmas arhitektūras un iepakošanas stratēģijas.

7. Kompromisi un inženiertehniskie apsvērumi

Neskatoties uz priekšrocībām, PSS rada vairākas praktiskas problēmas:

• Papildu litogrāfijas un kodināšanas soļi palielina ražošanas izmaksas

• Raksta vienmērīgumam un kodināšanas dziļumam nepieciešama precīza kontrole

• Slikti optimizēti raksti var negatīvi ietekmēt epitaksiālo vienmērīgumu

Tāpēc PSS optimizācija pēc savas būtības ir daudznozaru uzdevums, kas ietver optisko simulāciju, epitaksiālās augšanas inženieriju un ierīču dizainu.

8. Nozares perspektīva un nākotnes prognozes

Mūsdienu LED ražošanā PSS vairs netiek uzskatīta par papildu uzlabojumu. Vidējas un lielas jaudas LED lietojumos, tostarp vispārējā apgaismojumā, automobiļu apgaismojumā un displeju fona apgaismojumā, tā ir kļuvusi par pamata tehnoloģiju.

Nākotnes pētniecības un attīstības tendences ietver:

• Uzlaboti PSS dizaini, kas pielāgoti Mini-LED un Micro-LED lietojumprogrammām

• Hibrīda pieejas, apvienojot PSS ar fotoniskiem kristāliem vai nanoskalas virsmas teksturēšanu

• Pastāvīgi centieni izmaksu samazināšanas un mērogojamu rakstu veidošanas tehnoloģiju jomā

Secinājums

Rakstaini safīra substrāti ir būtiska pāreja no pasīviem mehāniskiem balstiem uz funkcionāliem optiskiem un strukturāliem komponentiem LED ierīcēs. Risinot gaismas ieguves zudumus to pamatā, proti, optisko ierobežošanu un saskarnes atstarošanu, PSS nodrošina augstāku efektivitāti, uzlabotu uzticamību un konsekventāku ierīces veiktspēju.

Turpretī, lai gan plakanie safīra substrāti joprojām ir pievilcīgi to ražojamības un zemāko izmaksu dēļ, to raksturīgie optiskie ierobežojumi ierobežo to piemērotību nākamās paaudzes augstas efektivitātes LED. LED tehnoloģijai turpinot attīstīties, PSS ir skaidrs piemērs tam, kā materiālu inženierija var tieši pārvērsties sistēmas līmeņa veiktspējas pieaugumā.