GaN pagrindu sukurtuose šviesos dioduose (LED) nuolatinė epitaksinio augimo metodų ir įrenginių architektūros pažanga priartino vidinį kvantinį efektyvumą (IQE) vis labiau artėdama prie teorinio maksimumo. Nepaisant šios pažangos, bendrą LED šviesinį našumą iš esmės riboja šviesos ištraukimo efektyvumas (LEE). Kadangi safyras ir toliau yra vyraujanti GaN epitaksijos substrato medžiaga, jo paviršiaus morfologija vaidina lemiamą vaidmenį reguliuojant optinius nuostolius įrenginyje.

Šiame straipsnyje pateikiamas išsamus plokščių safyro pagrindų ir raštuotų paviršių palyginimas.safyro substratai (PSS)Jame paaiškinami optiniai ir kristalografiniai mechanizmai, kuriais PSS pagerina šviesos ištraukimo efektyvumą, ir paaiškinama, kodėl PSS tapo faktiniu standartu didelio našumo šviesos diodų gamyboje.

1. Šviesos ištraukimo efektyvumas kaip esminis trūkumas

Šviesos diodo išorinį kvantinį efektyvumą (EQE) lemia dviejų pagrindinių veiksnių sandauga:

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

EQE=IQE×LEE

Nors IQE kiekybiškai įvertina radiacinės rekombinacijos efektyvumą aktyviojoje srityje, LEE apibūdina sugeneruotų fotonų, kurie sėkmingai išeina iš įrenginio, dalį.

GaN pagrindu pagamintų šviesos diodų, auginamų ant safyro pagrindų, LEE įprastiniuose projektuose paprastai yra apribota iki maždaug 30–40 %. Šis apribojimas kyla daugiausia dėl:

• Didelis lūžio rodiklio neatitikimas tarp GaN (n ≈ 2,4), safyro (n ≈ 1,7) ir oro (n ≈ 1,0)

• Stiprus visiškas vidinis atspindys (TIR) ​​plokštuminėse sąsajose

• Fotonų gaudymas epitaksiniuose sluoksniuose ir substrate

Dėl to didelė dalis sugeneruotų fotonų patiria daugkartinius vidinius atspindžius ir galiausiai yra sugeriami medžiagos arba paverčiami šiluma, o ne prisideda prie naudingos šviesos srauto.

2. Plokščios safyro plokštės: struktūrinis paprastumas su optiniais apribojimais

2.1 Struktūrinės charakteristikos

Plokšti safyro pagrindai paprastai yra c plokštumos (0001) orientacijos su lygiu, plokščiu paviršiumi. Jie buvo plačiai naudojami dėl:

• Aukšta kristalinė kokybė

• Puikus terminis ir cheminis stabilumas

• Subrendę ir ekonomiški gamybos procesai

2.2 Optinis elgesys

Optiniu požiūriu, plokštuminės sąsajos lemia labai kryptingus ir nuspėjamus fotonų sklidimo kelius. Kai GaN aktyviojoje srityje generuojami fotonai pasiekia GaN ir oro arba GaN ir safyro sąsają kritimo kampais, viršijančiais kritinį kampą, įvyksta visiškas vidinis atspindys.

Dėl to gaunama:

• Stiprus fotonų sulaikymas įrenginyje

• Padidėjusi metalinių elektrodų absorbcija ir defektų būsenos

• Ribotas skleidžiamos šviesos kampinis pasiskirstymas

Iš esmės, plokšti safyro pagrindai mažai padeda įveikti optinį apribojimą.

3. Raštuoti safyro pagrindai: koncepcija ir konstrukcinis projektavimas

Raštuotas safyro substratas (PSS) formuojamas į safyro paviršių įvedant periodines arba kvaziperiodines mikro- arba nanoskalės struktūras, naudojant fotolitografijos ir ėsdinimo metodus.

Įprastos PSS geometrijos apima:

• Kūginės struktūros

• Pusrutulio formos kupolai

• Piramidės formos ypatybės

• Cilindrinės arba nupjautinio kūgio formos

Tipiniai elementų matmenys svyruoja nuo submikrometro iki kelių mikrometrų, o aukštis, žingsnis ir darbo ciklas yra kruopščiai kontroliuojami.

4. Šviesos išskyrimo gerinimo mechanizmai PSS sistemoje

4.1 Visiško vidinio atspindžio slopinimas

Trimatė PSS topografija keičia vietinius kritimo kampus medžiagų sąsajose. Fotonai, kurie kitaip patirtų visišką vidinį atspindį plokščioje riboje, nukreipiami kampais išėjimo kūgyje, taip žymiai padidindami jų išėjimo iš įrenginio tikimybę.

4.2 Patobulinta optinė sklaida ir kelio atsitiktinė atranka

PSS struktūros sukelia daug refrakcijos ir atspindžio įvykių, dėl kurių:

• Fotonų sklidimo krypčių atsitiktinė atranka

• Padidėjusi sąveika su šviesos ištraukimo sąsajomis

• Sumažintas fotonų buvimo laikas įrenginyje

Statistiškai šie efektai padidina fotonų ekstrakcijos tikimybę prieš absorbciją.

4.3 Efektyvus lūžio rodiklio įvertinimas

Optinio modeliavimo požiūriu, PSS veikia kaip efektyvus lūžio rodiklio pereinamasis sluoksnis. Vietoj staigaus lūžio rodiklio pokyčio iš GaN į orą, raštuota sritis užtikrina laipsnišką lūžio rodiklio kitimą, taip sumažinant Frenelio atspindžio nuostolius.

Šis mechanizmas konceptualiai yra analogiškas antirefleksinėms dangoms, nors jis remiasi geometrine optika, o ne plonasluoksne interferencija.

4.4 Netiesioginis optinių sugerties nuostolių sumažinimas

Sutrumpindamas fotonų kelio ilgius ir slopindamas pasikartojančius vidinius atspindžius, PSS sumažina optinės sugerties tikimybę:

• Metaliniai kontaktai

• Kristalų defektų būsenos

• Laisvųjų nešėjų absorbcija GaN

Šie efektai prisideda prie didesnio efektyvumo ir geresnių šiluminių savybių.

5. Papildomi privalumai: kristalų kokybės gerinimas

Be optinio pagerinimo, PSS taip pat pagerina epitaksinės medžiagos kokybę per šoninio epitaksinio peraugimo (LEO) mechanizmus:

• Safyro ir GaN sąsajoje atsirandančios dislokacijos yra nukreipiamos arba nutraukiamos

• Sriegimo dislokacijos tankis yra žymiai sumažintas

• Pagerinta kristalų kokybė padidina įrenginio patikimumą ir eksploatavimo laiką

Šis dvigubas optinis ir struktūrinis pranašumas skiria PSS nuo grynai optinių paviršiaus tekstūravimo metodų.

6. Kiekybinis palyginimas: plokščiasis safyras ir PSS

Faktinis našumo padidėjimas priklauso nuo rašto geometrijos, emisijos bangos ilgio, lusto architektūros ir pakavimo strategijos.

7. Kompromisai ir inžineriniai aspektai

Nepaisant privalumų, PSS kelia keletą praktinių iššūkių:

• Papildomi litografijos ir ėsdinimo etapai padidina gamybos sąnaudas

• Rašto vienodumui ir ėsdinimo gyliui reikia tikslaus valdymo

• Prastai optimizuoti modeliai gali neigiamai paveikti epitaksinį vienodumą

Todėl PSS optimizavimas iš esmės yra daugiadisciplinė užduotis, apimanti optinį modeliavimą, epitaksinio augimo inžineriją ir įrenginių projektavimą.

8. Pramonės perspektyva ir ateities perspektyvos

Šiuolaikinėje LED gamyboje PSS nebėra laikoma pasirenkamu priedu. Vidutinės ir didelės galios LED taikymuose, įskaitant bendrą apšvietimą, automobilių apšvietimą ir ekranų foninį apšvietimą, ji tapo bazine technologija.

Būsimos mokslinių tyrimų ir plėtros tendencijos apima:

• Pažangūs PSS dizainai, pritaikyti mini LED ir mikro LED taikymams

• Hibridiniai metodai, jungiantys PSS su fotoniniais kristalais arba nanoskalės paviršiaus tekstūravimu

• Nuolatinės pastangos mažinti sąnaudas ir taikyti keičiamo mastelio modeliavimo technologijas

Išvada

Raštuoti safyro pagrindai yra esminis perėjimas nuo pasyvių mechaninių atramų prie funkcinių optinių ir konstrukcinių komponentų LED įrenginiuose. Sprendžiant šviesos ištraukimo nuostolių priežastis – optinį ribojimą ir sąsajos atspindį – PSS užtikrina didesnį efektyvumą, geresnį patikimumą ir nuoseklesnį įrenginio veikimą.

Priešingai, nors plokšti safyro pagrindai išlieka patrauklūs dėl savo gamybos paprastumo ir mažesnės kainos, dėl savo optinių apribojimų jie negali būti naudojami naujos kartos didelio efektyvumo šviesos diodams. Šviesos diodų technologijai toliau tobulėjant, PSS yra aiškus pavyzdys, kaip medžiagų inžinerija gali tiesiogiai padidinti sistemos našumą.