У святлодыёдах (LED) на аснове GaN пастаянны прагрэс у тэхналогіях эпітаксіяльнага росту і архітэктуры прылад прывёў да таго, што ўнутраная квантавая эфектыўнасць (IQE) усё больш набліжаецца да свайго тэарэтычнага максімуму. Нягледзячы на ​​гэтыя дасягненні, агульная светлавая эфектыўнасць святлодыёдаў застаецца фундаментальна абмежаванай эфектыўнасцю святлоадводу (LEE). Паколькі сапфір працягвае заставацца пераважным матэрыялам падкладкі для эпітаксіі GaN, яго марфалогія паверхні адыгрывае вырашальную ролю ў рэгуляванні аптычных страт у прыладзе.

У гэтым артыкуле прадстаўлена поўнае параўнанне плоскіх сапфіравых падложак і падложак з узорамсапфіравыя падкладкі (PSS)У ім тлумачацца аптычныя і крышталяграфічныя механізмы, з дапамогай якіх PSS павышае эфектыўнасць святлоадводу, і чаму PSS стаў фактычным стандартам у вытворчасці высокапрадукцыйных святлодыёдаў.

1. Эфектыўнасць экстракцыі святла як фундаментальнае вузкае месца

Знешняя квантавая эфектыўнасць (EQE) святлодыёда вызначаецца здабыткам двух асноўных фактараў:

$ЭКВ=ІКВ\times ЛІ\backslash тэкст\{ЭКВ\}\; =\; \backslash тэкст\{ІКВ\}\; \backslash тэкст\{ЛІ\}\; \backslash тэкст\{ЛІ\}$

ЭКВ=ІКВ×ЛІ

У той час як IQE колькасна вызначае эфектыўнасць радыяцыйнай рэкамбінацыі ў актыўнай вобласці, LEE апісвае долю згенераваных фатонаў, якія паспяхова пакідаюць прыладу.

Для святлодыёдаў на аснове GaN, вырабленых на сапфіравых падкладках, LEE ў традыцыйных канструкцыях звычайна абмежаваны прыблізна 30-40%. Гэта абмежаванне ў асноўным звязана з:

• Сур'ёзная розніца паказчыкаў праламлення паміж GaN (n ≈ 2,4), сапфірам (n ≈ 1,7) і паветрам (n ≈ 1,0)

• Моцнае поўнае ўнутранае адлюстраванне (ПУА) на планарных інтэрфейсах

• Захоп фатонаў у эпітаксіяльных пластах і падкладцы

Такім чынам, значная частка генераваных фатонаў падвяргаецца шматразовым унутраным адлюстраванням і ў канчатковым выніку паглынаецца матэрыялам або пераўтвараецца ў цяпло, а не спрыяе карыснаму святловому патоку.

2. Плоскія сапфіравыя падкладкі: структурная прастата з аптычнымі абмежаваннямі

2.1 Структурныя характарыстыкі

Плоскія сапфіравыя падложкі звычайна маюць арыентацыю c-плоскасці (0001) з гладкай, плоскай паверхняй. Яны атрымалі шырокае распаўсюджванне дзякуючы:

• Высокая крышталічная якасць

• Выдатная тэрмічная і хімічная стабільнасць

• Дасканалыя і рэнтабельныя вытворчыя працэсы

2.2 Аптычныя паводзіны

З аптычнага пункту гледжання, планарныя інтэрфейсы прыводзяць да высоканакіраваных і прадказальных шляхоў распаўсюджвання фатонаў. Калі фатоны, якія генеруюцца ў актыўнай вобласці GaN, дасягаюць інтэрфейсу GaN-паветра або GaN-сапфір пад вугламі падзення, якія перавышаюць крытычны вугал, адбываецца поўнае ўнутранае адлюстраванне.

У выніку атрымліваецца:

• Моцнае ўтрыманне фатонаў унутры прылады

• Павышанае паглынанне металічнымі электродамі і дэфектныя станы

• Абмежаванае вуглавое размеркаванне выпраменьванага святла

Па сутнасці, плоскія сапфіравыя падложкі мала дапамагаюць пераадолець аптычныя абмежаванні.

3. Узорныя сапфіравыя падкладкі: канцэпцыя і структурны дызайн

Узорчатая сапфіравая падложка (PSS) фармуецца шляхам увядзення перыядычных або квазіперыядычных мікра- або нанамаштабных структур на паверхню сапфіра з выкарыстаннем фоталітаграфіі і метадаў травлення.

Звычайныя геаметрыі PSS ўключаюць:

• Канічныя структуры

• Паўсферычныя купалы

• Пірамідальныя асаблівасці

• Цыліндрычная або ўсечаная конічная форма

Тыповыя памеры элементаў вар'іруюцца ад субмікрометра да некалькіх мікраметраў, з старанна кантраляванай вышынёй, крокам і каэфіцыентам запаўнення.

4. Механізмы ўзмацнення экстракцыі святла ў PSS

4.1 Падаўленне поўнага ўнутранага адлюстравання

Трохмерная тапаграфія PSS змяняе лакальныя вуглы падзення на матэрыяльных мяжах. Фатоны, якія ў адваротным выпадку адчулі б поўнае ўнутранае адлюстраванне на плоскай мяжы, перанакіроўваюцца ў вуглы ўнутры конусу выхаду, што істотна павялічвае іх верагоднасць выхаду з прылады.

4.2 Палепшанае аптычнае рассейванне і рандомізацыя шляху

Структуры PSS уводзяць некалькі падзей праламлення і адлюстравання, што прыводзіць да:

• Рандомізацыя напрамкаў распаўсюджвання фатонаў

• Палепшанае ўзаемадзеянне з інтэрфейсамі для экстракцыі святла

• Скарачэнне часу знаходжання фатонаў у прыладзе

Статыстычна, гэтыя эфекты павялічваюць верагоднасць экстракцыі фатонаў да таго, як адбудзецца паглынанне.

4.3 Эфектыўная класіфікацыя паказчыка праламлення

З пункту гледжання аптычнага мадэлявання, PSS дзейнічае як эфектыўны пераходны пласт паказчыка праламлення. Замест рэзкай змены паказчыка праламлення ад GaN да паветра, узорчатая вобласць забяспечвае паступовае змяненне паказчыка праламлення, тым самым памяншаючы страты на адлюстраванне Фрэнеля.

Гэты механізм канцэптуальна аналагічны антыблікавым пакрыццям, хоць ён абапіраецца на геаметрычную оптыку, а не на інтэрферэнцыю тонкай плёнкі.

4.4 Ускоснае зніжэнне страт аптычнага паглынання

Скарачаючы даўжыню шляху фатонаў і падаўляючы паўторныя ўнутраныя адлюстраванні, PSS зніжае верагоднасць аптычнага паглынання шляхам:

• Металічныя кантакты

• Дэфектныя станы крышталяў

• Паглынанне свабодных носьбітаў у GaN

Гэтыя эфекты спрыяюць як павышэнню эфектыўнасці, так і паляпшэнню цеплавых характарыстык.

5. Дадатковыя перавагі: паляпшэнне якасці крышталяў

Акрамя аптычнага паляпшэння, PSS таксама паляпшае якасць эпітаксіяльнага матэрыялу праз механізмы бакавога эпітаксіяльнага росту (LEO):

• Дыслакацыі, якія ўзнікаюць на мяжы сапфір-GaN, перанакіроўваюцца або абрываюцца

• Шчыльнасць дыслакацый пры разьбе значна зніжаецца

• Палепшаная якасць крышталя павялічвае надзейнасць прылады і тэрмін службы

Гэтая падвойная аптычная і структурная перавага адрознівае PSS ад чыста аптычных падыходаў да тэкстуравання паверхні.

6. Колькаснае параўнанне: плоскі сапфір супраць PSS

Фактычны прырост прадукцыйнасці залежыць ад геаметрыі малюнка, даўжыні хвалі выпраменьвання, архітэктуры чыпа і стратэгіі ўпакоўкі.

7. Кампрамісы і інжынерныя меркаванні

Нягледзячы на ​​свае перавагі, PSS стварае некалькі практычных праблем:

• Дадатковыя этапы літаграфіі і травлення павялічваюць кошт вырабу

• Аднастайнасць малюнка і глыбіня травлення патрабуюць дакладнага кантролю

• Дрэнна аптымізаваныя шаблоны могуць негатыўна паўплываць на эпітаксіяльную аднастайнасць

Такім чынам, аптымізацыя PSS па сваёй сутнасці з'яўляецца міждысцыплінарнай задачай, якая ўключае аптычнае мадэляванне, інжынерыю эпітаксіяльнага росту і распрацоўку прылад.

8. Перспектывы галіны і будучыя перспектывы

У сучаснай вытворчасці святлодыёдаў PSS больш не разглядаецца як дадатковае ўдасканаленне. У прымяненні святлодыёдаў сярэдняй і высокай магутнасці, у тым ліку ў агульным асвятленні, аўтамабільным асвятленні і падсветцы дысплеяў, яна стала базавай тэхналогіяй.

Будучыя тэндэнцыі даследаванняў і распрацовак ўключаюць:

• Пашыраныя канструкцыі PSS, адаптаваныя для прымянення Mini-LED і Micro-LED

• Гібрыдныя падыходы, якія спалучаюць PSS з фатоннымі крышталямі або нанамаштабным тэкстуравальным павярхоўным матэрыялам

• Пастаянныя намаганні па скарачэнні выдаткаў і выкарыстанні маштабуемых тэхналогій мадэлявання

Выснова

Узорчатыя сапфіравыя падложкі ўяўляюць сабой фундаментальны пераход ад пасіўных механічных апор да функцыянальных аптычных і структурных кампанентаў у святлодыёдных прыладах. PSS дазваляе павысіць эфектыўнасць, надзейнасць і стабільнасць працы прылады, вырашаючы праблемы страт святла ў аснове, а менавіта аптычнага абмежавання і адлюстравання на мяжы падзелу.

У адрозненне ад гэтага, хоць плоскія сапфіравыя падложкі застаюцца прывабнымі дзякуючы сваёй тэхналагічнасці і больш нізкай кошту, іх уласцівыя аптычныя абмежаванні абмяжоўваюць іх прыдатнасць для высокаэфектыўных святлодыёдаў наступнага пакалення. Па меры таго, як святлодыёдныя тэхналогіі працягваюць развівацца, PSS з'яўляецца наглядным прыкладам таго, як матэрыялазнаўства можа непасрэдна прывесці да павышэння прадукцыйнасці на ўзроўні сістэмы.