GaN-põhistes valgusdioodides (LED-ides) on epitaksiaalsete kasvutehnikate ja seadmete arhitektuuri pidev areng viinud sisemise kvantefektiivsuse (IQE) üha lähemale teoreetilisele maksimumile. Vaatamata neile edusammudele piirab LED-ide üldist valgustugevust endiselt põhimõtteliselt valguse eraldamise efektiivsus (LEE). Kuna safiir on jätkuvalt GaN-i epitaksia peamine alusmaterjal, mängib selle pinnamorfoloogia otsustavat rolli seadme optiliste kadude reguleerimisel.

See artikkel annab põhjaliku võrdluse lamedate safiirpindade ja mustriliste aluspindade vahel.safiiralused (PSS)See selgitab optilisi ja kristalograafilisi mehhanisme, mille kaudu PSS suurendab valguse eraldamise efektiivsust, ning selgitab, miks PSS-ist on saanud de facto standard suure jõudlusega LED-ide tootmises.

1. Valguse ekstraheerimise efektiivsus kui peamine kitsaskoht

LED-i väline kvantefektiivsus (EQE) määratakse kahe peamise teguri korrutise abil:

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

EQE=IQE×LEE

Kuigi IQE kvantifitseerib kiirgusliku rekombinatsiooni efektiivsust aktiivses piirkonnas, kirjeldab LEE genereeritud footonite osakaalu, mis seadmest edukalt väljuvad.

Safiirpindadele kasvatatud GaN-põhiste LED-ide puhul on tavapäraste konstruktsioonide LEE tavaliselt piiratud umbes 30–40%-ga. See piirang tuleneb peamiselt järgmisest:

• GaN-i (n ≈ 2,4), safiiri (n ≈ 1,7) ja õhu (n ≈ 1,0) vahel on tõsine murdumisnäitaja erinevus.

• Tugev täielik sisemine peegeldus (TIR) ​​tasapinnalistel liidestel

• Fotonite püüdmine epitaksiaalsetes kihtides ja substraadis

Sellest tulenevalt läbib märkimisväärne osa tekitatud footonitest mitu sisemist peegeldust ja lõpuks neeldub materjalis või muundub soojuseks, selle asemel et panustada kasulikku valgusvoogu.

2. Lamedad safiirpinnad: struktuuriline lihtsus optiliste piirangutega

2.1 Struktuurilised omadused

Tasapinnalised safiirpinnad on tavaliselt c-tasapinna (0001) orientatsiooniga ja neil on sile, tasane pind. Neid on laialdaselt kasutusele võetud järgmistel põhjustel:

• Kõrge kristalliline kvaliteet

• Suurepärane termiline ja keemiline stabiilsus

• Küpsed ja kulutõhusad tootmisprotsessid

2.2 Optiline käitumine

Optilisest vaatenurgast viivad tasapinnalised liidesed väga suunatud ja prognoositavate footonite levikuteedeni. Kui GaN-i aktiivses piirkonnas genereeritud footonid jõuavad GaN-õhu või GaN-safiirliidesele langemisnurga all, mis ületab kriitilise nurga, toimub täielik sisemine peegeldus.

Selle tulemuseks on:

• Tugev footonite piiramine seadmes

• Suurem neeldumine metallelektroodide ja defektide poolt

• Kiirgava valguse piiratud nurkjaotus

Sisuliselt pakuvad lamedad safiirpinnad optilise piirangu ületamisel vähe abi.

3. Mustriga safiirpinnad: kontseptsioon ja konstruktsiooniline disain

Mustriga safiiraluspind (PSS) moodustatakse perioodiliste või kvaasiperioodiliste mikro- või nanoskaala struktuuride viimise teel safiirpinnale fotolitograafia ja söövitustehnikate abil.

Levinud PSS-geomeetriad hõlmavad järgmist:

• Koonilised struktuurid

• Poolkerakujulised kuplid

• Püramiidi omadused

• Silindrilised või kärbitud koonusekujulised

Tüüpilised omaduste mõõtmed jäävad vahemikku submikromeetrist kuni mitme mikromeetrini, hoolikalt kontrollitud kõrguse, sammu ja töötsükliga.

4. Valguse ekstraheerimise võimendamise mehhanismid PSS-is

4.1 Täieliku sisemise peegelduse summutamine

PSS-i kolmemõõtmeline topograafia muudab lokaalseid langemisnurki materjali piirpindadel. Fotonid, mis muidu kogeksid täielikku sisemist peegeldust tasasel piiril, suunatakse ümber põgenemiskoonuse nurkade alla, suurendades oluliselt nende seadmest väljumise tõenäosust.

4.2 Täiustatud optiline hajumine ja teekonna randomiseerimine

PSS-struktuurid põhjustavad mitmeid murdumise ja peegeldumise sündmusi, mis viivad:

• Fotonite levimissuundade randomiseerimine

• Suurem interaktsioon valguse ekstraheerimise liidestega

• Lühem footoni viibimisaeg seadmes

Statistiliselt suurendavad need efektid footonite ekstraheerimise tõenäosust enne neeldumist.

4.3 Efektiivse murdumisnäitaja gradatsioon

Optilise modelleerimise seisukohast toimib PSS efektiivse murdumisnäitaja üleminekukihina. GaN-ist õhuks muutumise asemel ei toimu järsku murdumisnäitaja muutust, vaid mustriline piirkond tagab murdumisnäitaja järkjärgulise varieerumise, vähendades seeläbi Fresneli peegelduskadusid.

See mehhanism on kontseptuaalselt analoogne peegeldusvastaste katetega, kuigi see tugineb pigem geomeetrilisele optikale kui õhukese kile interferentsile.

4.4 Optiliste neeldumiskadude kaudne vähendamine

Lühendades footonite teepikkusi ja summutades korduvaid sisemisi peegeldusi, vähendab PSS optilise neeldumise tõenäosust järgmiselt:

• Metallist kontaktid

• Kristalldefektide olekud

• Vabade elementide kandja neeldumine GaN-is

Need mõjud aitavad kaasa nii suuremale efektiivsusele kui ka paremale termilisele jõudlusele.

5. Lisahüved: kristallide kvaliteedi paranemine

Lisaks optilisele võimendusele parandab PSS ka epitaksiaalse materjali kvaliteeti külgmise epitaksiaalse ülekasvu (LEO) mehhanismide kaudu:

• Safiir-GaN liideselt pärinevad dislokatsioonid suunatakse ümber või lõpetatakse

• Keermestamise dislokatsiooni tihedus on oluliselt vähenenud

• Täiustatud kristallide kvaliteet suurendab seadme töökindlust ja tööiga

See kahekordne optiline ja struktuuriline eelis eristab PSS-i puhtalt optilistest pinnatekstureerimise lähenemisviisidest.

6. Kvantitatiivne võrdlus: lame safiir vs. PSS

Tegelik jõudluse kasv sõltub mustri geomeetriast, emissioonlainepikkusest, kiibi arhitektuurist ja pakendamisstrateegiast.

7. Kompromissid ja tehnilised kaalutlused

Vaatamata oma eelistele tekitab PSS mitmeid praktilisi väljakutseid:

• Täiendavad litograafia ja söövitusetapid suurendavad valmistamiskulusid

• Mustri ühtlus ja söövitussügavus nõuavad täpset kontrolli

• Halvasti optimeeritud mustrid võivad epitaksiaalset ühtlust negatiivselt mõjutada

Seetõttu on PSS-i optimeerimine oma olemuselt multidistsiplinaarne ülesanne, mis hõlmab optilist simulatsiooni, epitaksiaalse kasvu inseneriteadust ja seadme disaini.

8. Tööstusharu perspektiiv ja tulevikuväljavaated

Tänapäevases LED-tootmises ei peeta PSS-i enam valikuliseks täiustuseks. Keskmise ja suure võimsusega LED-rakendustes – sealhulgas üldvalgustuses, autovalgustuses ja ekraanide taustvalgustuses – on sellest saanud baastehnoloogia.

Tulevased teadus- ja arendustegevuse trendid hõlmavad järgmist:

• Täiustatud PSS-i disainid, mis on kohandatud Mini-LED- ja Micro-LED-rakenduste jaoks

• Hübriidmeetodid, mis ühendavad PSS-i footonkristallide või nanoskaala pinnatekstureerimisega

• Jätkuvad jõupingutused kulude vähendamise ja skaleeritavate mustritehnoloogiate suunas

Kokkuvõte

Mustriga safiirpinnad kujutavad endast olulist üleminekut passiivsetelt mehaanilistelt tugedelt funktsionaalsetele optilistele ja konstruktsioonikomponentidele LED-seadmetes. PSS võimaldab valguse väljatõmbekao algpõhjuse – nimelt optilise piiramise ja liidese peegelduse – lahendamist, suurendades efektiivsust, parandades töökindlust ja järjepidevamat seadme jõudlust.

Seevastu, kuigi lamedad safiirpinnad jäävad oma valmistatavuse ja madalama hinna tõttu atraktiivseks, piiravad nende loomupärased optilised piirangud nende sobivust järgmise põlvkonna suure efektiivsusega LED-ide jaoks. LED-tehnoloogia pideva arenguga on PSS selge näide sellest, kuidas materjalitehnoloogia saab otseselt kaasa tuua süsteemi tasemel jõudluse kasvu.