При светодиодите (LED) на базата на GaN, непрекъснатият напредък в техниките за епитаксиален растеж и архитектурата на устройствата е довел до все по-близо до вътрешната квантова ефективност (IQE) до теоретичния ѝ максимум. Въпреки тези постижения, общата светлинна производителност на светодиодите остава фундаментално ограничена от ефективността на извличане на светлина (LEE). Тъй като сапфирът продължава да бъде преобладаващият материал за подложка за GaN епитаксия, неговата повърхностна морфология играе решаваща роля в регулирането на оптичните загуби в устройството.

Тази статия представя цялостно сравнение между плоски сапфирени подложки и шарени...сапфирени подложки (PSS)В него се изясняват оптичните и кристалографските механизми, чрез които PSS подобрява ефективността на извличане на светлина, и се обяснява защо PSS се е превърнал в де факто стандарт в производството на високопроизводителни светодиоди.

1. Ефективността на извличане на светлина като основно пречка

Външната квантова ефективност (EQE) на един светодиод се определя от произведението на два основни фактора:

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

EQE=IQE×LEE

Докато IQE количествено определя ефективността на радиационната рекомбинация в активната област, LEE описва дела на генерираните фотони, които успешно излизат от устройството.

За GaN-базирани светодиоди, произведени върху сапфирени подложки, LEE в конвенционалните конструкции обикновено е ограничен до приблизително 30–40%. Това ограничение произтича главно от:

• Тежко несъответствие в коефициента на пречупване между GaN (n ≈ 2.4), сапфир (n ≈ 1.7) и въздух (n ≈ 1.0)

• Силно пълно вътрешно отражение (TIR) ​​на равнинни интерфейси

• Захващане на фотони в епитаксиалните слоеве и субстрата

Следователно, значителна част от генерираните фотони претърпяват множество вътрешни отражения и в крайна сметка се абсорбират от материала или се превръщат в топлина, вместо да допринасят за полезна светлинна мощност.

2. Плоски сапфирени подложки: структурна простота с оптични ограничения

2.1 Структурни характеристики

Плоските сапфирени подложки обикновено използват c-равнина (0001) ориентация с гладка, равнинна повърхност. Те са широко разпространени поради:

• Високо кристално качество

• Отлична термична и химическа стабилност

• Зрели и рентабилни производствени процеси

2.2 Оптично поведение

От оптична гледна точка, равнинните интерфейси водят до силно насочени и предвидими пътища на разпространение на фотоните. Когато фотоните, генерирани в активната област на GaN, достигнат интерфейса GaN-въздух или GaN-сапфир под ъгли на падане, надвишаващи критичния ъгъл, се получава пълно вътрешно отражение.

Това води до:

• Силно ограничаване на фотоните в устройството

• Повишена абсорбция от метални електроди и дефектни състояния

• Ограничено ъглово разпределение на излъчената светлина

По същество, плоските сапфирени подложки предлагат малка помощ за преодоляване на оптичното ограничение.

3. Моделирани сапфирени субстрати: концепция и структурен дизайн

Моделиран сапфирен субстрат (PSS) се формира чрез въвеждане на периодични или квазипериодични микро- или наномащабни структури върху сапфирената повърхност, използвайки фотолитография и техники на ецване.

Често срещаните геометрии на PSS включват:

• Конични структури

• Полусферични куполи

• Пирамидални характеристики

• Цилиндрични или пресечено-конусовидни форми

Типичните размери на характеристиките варират от субмикрометър до няколко микрометра, с внимателно контролирана височина, стъпка и работен цикъл.

4. Механизми за усилване на извличането на светлина в PSS

4.1 Потискане на пълното вътрешно отражение

Триизмерната топография на PSS променя локалните ъгли на падане на материалните интерфейси. Фотоните, които иначе биха претърпели пълно вътрешно отражение на плоска граница, се пренасочват към ъгли в рамките на конуса за излизане, което значително увеличава вероятността им да излязат от устройството.

4.2 Подобрено оптично разсейване и рандомизация на пътя

PSS структурите въвеждат множество събития на пречупване и отражение, водещи до:

• Рандомизация на посоките на разпространение на фотоните

• Повишено взаимодействие с интерфейси за извличане на светлина

• Намалено време на престой на фотоните в устройството

Статистически, тези ефекти увеличават вероятността за извличане на фотони преди да настъпи абсорбцията.

4.3 Оценка на ефективния индекс на пречупване

От гледна точка на оптичното моделиране, PSS действа като ефективен преходен слой за коефициент на пречупване. Вместо рязка промяна на коефициента на пречупване от GaN към въздух, шарената област осигурява постепенна промяна на коефициента на пречупване, като по този начин намалява загубите от отражение на Френел.

Този механизъм е концептуално аналогичен на антиотражателните покрития, въпреки че разчита на геометрична оптика, а не на тънкослойна интерференция.

4.4 Косвено намаляване на загубите от оптично поглъщане

Чрез скъсяване на дължините на пътя на фотоните и потискане на многократните вътрешни отражения, PSS намалява вероятността за оптично поглъщане чрез:

• Метални контакти

• Състояния на кристални дефекти

• Абсорбция на свободни носители в GaN

Тези ефекти допринасят както за по-висока ефективност, така и за подобрени топлинни характеристики.

5. Допълнителни предимства: Подобряване на качеството на кристалите

Освен оптичното подобрение, PSS подобрява и качеството на епитаксиалния материал чрез механизми на странично епитаксиално свръхрастеж (LEO):

• Дислокациите, произхождащи от интерфейса сапфир-GaN, се пренасочват или прекратяват

• Плътността на дислокациите в резбите е значително намалена

• Подобреното качество на кристалите повишава надеждността на устройството и експлоатационния живот

Това двойно оптично и структурно предимство отличава PSS от чисто оптичните подходи за текстуриране на повърхността.

6. Количествено сравнение: Плосък сапфир срещу PSS

Реалното подобрение на производителността зависи от геометрията на шаблона, дължината на вълната на излъчване, архитектурата на чипа и стратегията за опаковане.

7. Компромиси и инженерни съображения

Въпреки предимствата си, PSS въвежда няколко практически предизвикателства:

• Допълнителните стъпки на литография и ецване увеличават производствените разходи

• Еднородността на шарката и дълбочината на ецване изискват прецизен контрол

• Лошо оптимизираните модели могат да повлияят неблагоприятно на епитаксиалната еднородност

Следователно, оптимизацията на PSS е по своята същност мултидисциплинарна задача, включваща оптична симулация, епитаксиално растежно инженерство и проектиране на устройства.

8. Перспектива на индустрията и бъдещи перспективи

В съвременното производство на светодиоди, PSS вече не се разглежда като допълнително подобрение. В приложенията на светодиоди със средна и висока мощност – включително общо осветление, автомобилно осветление и подсветка на дисплеи – тя се е превърнала в базова технология.

Бъдещите тенденции в научноизследователската и развойна дейност включват:

• Усъвършенствани PSS дизайни, пригодени за Mini-LED и Micro-LED приложения

• Хибридни подходи, комбиниращи PSS с фотонни кристали или наномащабно текстуриране на повърхността

• Продължаващи усилия за намаляване на разходите и мащабируеми технологии за моделиране

Заключение

Моделираните сапфирени подложки представляват фундаментален преход от пасивни механични опори към функционални оптични и структурни компоненти в LED устройствата. Чрез справяне със загубите при извличане на светлина в основата им – а именно оптичното ограничение и отражението на интерфейса – PSS позволява по-висока ефективност, подобрена надеждност и по-постоянна производителност на устройството.

За разлика от това, макар плоските сапфирени подложки да остават привлекателни поради своята технологичност и по-ниска цена, присъщите им оптични ограничения ограничават пригодността им за високоефективни светодиоди от следващо поколение. Тъй като LED технологията продължава да се развива, PSS е ясен пример за това как инженерството на материалите може директно да се превърне в подобрения в производителността на системно ниво.