V prípade svetelných diód (LED) na báze GaN neustále napredovanie v technikách epitaxného rastu a architektúre zariadení priblížilo vnútornú kvantovú účinnosť (IQE) čoraz bližšie k jej teoretickému maximu. Napriek tomuto pokroku zostáva celkový svetelný výkon LED diód zásadne obmedzený účinnosťou extrakcie svetla (LEE). Keďže zafír je naďalej prevládajúcim substrátovým materiálom pre epitaxiu GaN, jeho povrchová morfológia zohráva rozhodujúcu úlohu pri riadení optických strát v zariadení.

Tento článok predstavuje komplexné porovnanie plochých zafírových substrátov a vzorovaných...zafírové substráty (PSS)Objasňuje optické a kryštalografické mechanizmy, prostredníctvom ktorých PSS zvyšuje účinnosť extrakcie svetla, a vysvetľuje, prečo sa PSS stal de facto štandardom vo výrobe vysokovýkonných LED diód.

1. Účinnosť extrakcie svetla ako základné úzke miesto

Externá kvantová účinnosť (EQE) LED diódy je určená súčinom dvoch primárnych faktorov:

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

EQE=IQE×LEE

Zatiaľ čo IQE kvantifikuje účinnosť radiačnej rekombinácie v aktívnej oblasti, LEE opisuje podiel generovaných fotónov, ktoré úspešne uniknú zo zariadenia.

Pre LED diódy na báze GaN vypestované na zafírových substrátoch je LEE v konvenčných konštrukciách typicky obmedzený na približne 30 – 40 %. Toto obmedzenie vyplýva predovšetkým z:

• Veľký nesúlad indexu lomu medzi GaN (n ≈ 2,4), zafírom (n ≈ 1,7) a vzduchom (n ≈ 1,0)

• Silný úplný vnútorný odraz (TIR) ​​na planárnych rozhraniach

• Zachytávanie fotónov v epitaxných vrstvách a substráte

V dôsledku toho významná časť generovaných fotónov prechádza viacnásobnými vnútornými odrazmi a je nakoniec absorbovaná materiálom alebo premenená na teplo, namiesto toho, aby prispievala k užitočnému svetelnému výkonu.

2. Ploché zafírové substráty: Štrukturálna jednoduchosť s optickými obmedzeniami

2.1 Štrukturálne charakteristiky

Ploché zafírové substráty zvyčajne používajú orientáciu v rovine c (0001) s hladkým, rovinným povrchom. Boli široko používané kvôli:

• Vysoká kryštalická kvalita

• Vynikajúca tepelná a chemická stabilita

• Zrelé a nákladovo efektívne výrobné procesy

2.2 Optické správanie

Z optického hľadiska vedú planárne rozhrania k vysoko smerovým a predvídateľným dráham šírenia fotónov. Keď fotóny generované v aktívnej oblasti GaN dosiahnu rozhranie GaN-vzduch alebo GaN-zafír pod uhlami dopadu presahujúcimi kritický uhol, dochádza k úplnému vnútornému odrazu.

Výsledkom je:

• Silné fotónové obmedzenie v zariadení

• Zvýšená absorpcia kovovými elektródami a defektné stavy

• Obmedzené uhlové rozloženie vyžarovaného svetla

V podstate ploché zafírové substráty ponúkajú len malú pomoc pri prekonávaní optického obmedzenia.

3. Vzorované zafírové substráty: Koncept a konštrukčný návrh

Vzorovaný zafírový substrát (PSS) sa vytvára zavedením periodických alebo kváziperiodických mikro- alebo nanoškálových štruktúr na povrch zafíru pomocou fotolitografie a leptacích techník.

Medzi bežné geometrie PSS patria:

• Kužeľové štruktúry

• Pologuľovité kupoly

• Pyramídové prvky

• Valcové alebo zrezané kužeľové tvary

Typické rozmery prvkov sa pohybujú od submikrometrov do niekoľkých mikrometrov, s starostlivo kontrolovanou výškou, rozstupom a pracovným cyklom.

4. Mechanizmy zvýšenia extrakcie svetla v PSS

4.1 Potlačenie úplného vnútorného odrazu

Trojrozmerná topografia PSS modifikuje lokálne uhly dopadu na materiálových rozhraniach. Fotóny, ktoré by inak zažili úplný vnútorný odraz na plochej hranici, sú presmerované do uhlov v rámci únikového kužeľa, čo podstatne zvyšuje ich pravdepodobnosť opustenia zariadenia.

4.2 Vylepšený optický rozptyl a randomizácia dráhy

Štruktúry PSS zavádzajú viacero refrakčných a odrazových udalostí, čo vedie k:

• Randomizácia smerov šírenia fotónov

• Zvýšená interakcia s rozhraniami na extrakciu svetla

• Skrátený čas zotrvania fotónov v zariadení

Štatisticky tieto účinky zvyšujú pravdepodobnosť extrakcie fotónov predtým, ako dôjde k absorpcii.

4.3 Stanovenie efektívneho indexu lomu

Z hľadiska optického modelovania funguje PSS ako účinná prechodová vrstva indexu lomu. Namiesto náhlej zmeny indexu lomu z GaN na vzduch poskytuje vzorovaná oblasť postupnú zmenu indexu lomu, čím sa znižujú straty odrazom Fresnelovho svetla.

Tento mechanizmus je koncepčne analogický s antireflexnými vrstvami, hoci sa spolieha skôr na geometrickú optiku než na interferenciu tenkých vrstiev.

4.4 Nepriame zníženie strát optickej absorpcie

Skrátením dráh fotónov a potlačením opakovaných vnútorných odrazov PSS znižuje pravdepodobnosť optickej absorpcie:

• Kovové kontakty

• Stavy kryštálových defektov

• Absorpcia voľných nosičov v GaN

Tieto účinky prispievajú k vyššej účinnosti aj k zlepšenému tepelnému výkonu.

5. Ďalšie výhody: Zlepšenie kvality kryštálov

Okrem optického vylepšenia PSS tiež zlepšuje kvalitu epitaxného materiálu prostredníctvom mechanizmov laterálneho epitaxného prerastania (LEO):

• Dislokácie vznikajúce na rozhraní zafír-GaN sú presmerované alebo ukončené

• Hustota dislokácií závitov je výrazne znížená

• Vylepšená kvalita kryštálov zvyšuje spoľahlivosť zariadenia a prevádzkovú životnosť

Táto dvojitá optická a štrukturálna výhoda odlišuje PSS od čisto optických prístupov k textúrovaniu povrchu.

6. Kvantitatívne porovnanie: Plochý zafír vs. PSS

Skutočné zvýšenie výkonu závisí od geometrie vzoru, vlnovej dĺžky emisie, architektúry čipu a stratégie balenia.

7. Kompromisy a technické aspekty

Napriek svojim výhodám prináša PSS niekoľko praktických výziev:

• Ďalšie kroky litografie a leptania zvyšujú výrobné náklady

• Rovnomernosť vzoru a hĺbka leptania vyžadujú presnú kontrolu

• Zle optimalizované vzory môžu nepriaznivo ovplyvniť epitaxnú uniformitu

Optimalizácia PSS je preto vo svojej podstate multidisciplinárna úloha zahŕňajúca optickú simuláciu, epitaxné rastové inžinierstvo a návrh zariadení.

8. Perspektíva odvetvia a výhľad do budúcnosti

V modernej výrobe LED diód sa PSS už nepovažuje za voliteľné vylepšenie. V aplikáciách LED diód so stredným a vysokým výkonom – vrátane všeobecného osvetlenia, osvetlenia automobilov a podsvietenia displejov – sa stala základnou technológiou.

Budúce trendy výskumu a vývoja zahŕňajú:

• Pokročilé návrhy PSS prispôsobené pre aplikácie Mini-LED a Micro-LED

• Hybridné prístupy kombinujúce PSS s fotonickými kryštálmi alebo textúrovaním povrchu v nanorozmeroch

• Neustále úsilie o znižovanie nákladov a škálovateľné technológie vytvárania vzorov

Záver

Vzorované zafírové substráty predstavujú zásadný prechod od pasívnych mechanických nosičov k funkčným optickým a štrukturálnym komponentom v LED zariadeniach. Riešením strát pri extrakcii svetla v ich základoch – konkrétne optického obmedzenia a odrazu rozhrania – PSS umožňuje vyššiu účinnosť, zlepšenú spoľahlivosť a konzistentnejší výkon zariadenia.

Naopak, zatiaľ čo ploché zafírové substráty zostávajú atraktívne vďaka svojej vyrobiteľnosti a nižším nákladom, ich inherentné optické obmedzenia obmedzujú ich vhodnosť pre vysokoúčinné LED diódy novej generácie. S neustálym vývojom LED technológie je PSS jasným príkladom toho, ako sa materiálové inžinierstvo môže priamo premietnuť do zvýšení výkonu na úrovni systému.