Bloggegevens

In GaN-gebaseerde lichtemitterende dioden (LED's) hebben continue vooruitgang in epitaxiale groei en apparaatontwerp de interne kwantumefficiëntie (IQE) dicht bij zijn theoretische limiet gebracht.de totale lichtdoeltreffendheid van LED's blijft fundamenteel beperkt door de lichtextractie-efficiëntie (LEE)Aangezien saffier het dominante substraatmateriaal blijft voor GaN-epitaxie, speelt de oppervlakte structuur een cruciale rol bij het bepalen van optische verliezen.In dit artikel wordt een diepgaande vergelijking gemaakt tussensaffirafelsubstratenen gemodelleerde saffiersubstraten (PSS), waarin wordt uitgelegd hoe PSS de licht-extractie-efficiëntie verbetert door middel van gevestigde optische en kristallografische mechanismen,en waarom het een de facto standaard is geworden in de productie van hoogwaardige LED's.

1. Waarom het licht-extractie-efficiëntie beperkt LED-prestaties

De totale externe kwantumdoeltreffendheid (EQE) van een LED wordt bepaald door het product van twee belangrijke factoren:

EQE=IQE×LEE

Terwijl IQE weerspiegelt hoe efficiënt elektronen en gaten zich combineren om fotonen binnen het actieve gebied te genereren, beschrijft LEE hoe effectief die fotonen het apparaat ontvluchten.

Bij GaN-gebaseerde LED's die op saffiersubstraten worden geteeld, is LEE meestal beperkt tot 30~40% in conventionele ontwerpen.

• Ernstige afwijking van de brekingsindex tussen GaN (n ≈ 2.4), saffier (n ≈ 1.7) en lucht (n ≈ 1.0)

• Totale interne reflectie (TIR) bij vlakke interfaces

• Fotonenvangst in de epitaxiale lagen en het substraat

Als gevolg hiervan ondergaat een groot deel van de gegenereerde fotonen meerdere reflecties en worden ze uiteindelijk geabsorbeerd of omgezet in warmte in plaats van in nuttig licht.

2Platte saffiersubstraten: structurele eenvoud, optische beperkingen

2.1 Structurele kenmerken

Vlakte saffiersubstraten hebben een glad, vlak oppervlak, meestal met een c-vlak (0001) oriëntatie.

• Hoge kristallijne kwaliteit

• Uitstekende thermische en chemische stabiliteit

• Volwassen, kosteneffectieve productieprocessen

2.2 Optisch gedrag

Vanuit optisch oogpunt introduceren vlakke interfaces voorspelbare en zeer directionele fotonverspreidingspaden.Wanneer fotonen gegenereerd in het GaN-actieve gebied de GaN-lucht- of GaN-zafirinterface bereiken met hoeken die de kritieke hoek overschrijden, voltal interne reflectie optreedt.

De gevolgen zijn onder meer:

• Beperking van fotonen in het apparaat

• Verhoogde absorptie door elektroden en defecten

• Beperkte hoekverdeling van het uitgezonden licht

In wezen bieden platte saffiersubstraten minimale hulp bij het overwinnen van optische beperking.

3Patroon Sapphire Substrate (PSS): concept en structuur

Een Patterned Sapphire Substrate (PSS) wordt gecreëerd door middel van het introduceren van periodieke of quasi-periodieke micro- of nanoschaalstructuren op het saffieroppervlak door middel van fotolithografie en etsen.

Gewone PSS-geometrieën omvatten:

• Kegelvormige structuren

• Hemisferische koepels

• Pyramiden

• met een gewicht van niet meer dan 50 kg

Typische functiegroottes variëren van submicron tot enkele micrometers, met zorgvuldig gecontroleerde hoogte, toonhoogte en werkcyclus.

4. Hoe PSS de licht-extractie-efficiëntie verbetert

4.1 Onderdrukking van totale interne reflectie

De driedimensionale topologie van PSS verandert de lokale inslaghoek bij interfaces.Photonen die anders een totale interne reflectie op een vlakke grens ondergaan, worden omgeleid naar hoeken binnen de ontsnappingsconus.

Dit verhoogt de kans dat fotonen het apparaat verlaten.

4.2 Verbeterde optische verstrooiing en padrandomisatie

PSS-structuren introduceren meerdere brekings- en reflectiegebeurtenissen, wat leidt tot:

• Richtingsrandomisatie van fotonbanen

• Verhoogde interactie met escape-interfaces

• Verminderde verblijfstijd van fotonen in het apparaat

Statistisch gezien verbetert dit de waarschijnlijkheid van foton-extractie voordat absorptie plaatsvindt.

4.3 Effectieve indeling van de brekingsindex

Vanuit optisch modelperspectief gedraagt PSS zich als een effectieve overgangslaag van de brekingsindex.het gemodelleerde gebied creëert een geleidelijke variatie van de brekingsindex, waardoor de Fresnel-reflectieverliezen worden verminderd.

Dit mechanisme is conceptueel vergelijkbaar met antireflexcoatings, maar werkt via geometrische optica in plaats van dunnefilminterferentie.

4.4 Indirecte vermindering van optische absorptieverliezen

Door fotonpadlengtes te verkorten en herhaalde reflecties te verminderen, verlaagt PSS de kans op absorptie door:

• metalen contacten

• Defecttoestanden

• Vrije drager absorptie in GaN

Dit draagt bij aan zowel een hogere efficiëntie als een verbeterd thermisch gedrag.

5- Extra voordelen: verbetering van de kristalkwaliteit

Naast optica verbetert PSS ook de epitaxiale kwaliteit door middel van laterale epitaxiale overgroei (LEO) -mechanismen:

• Verplaatsingen die afkomstig zijn van de sapphire GaN-interface worden doorgestuurd of beëindigd.

• De dichtheid van de draadverwijzing wordt verminderd

• Verbeterde materiaalkwaliteit verbetert de betrouwbaarheid en levensduur van het apparaat

Dit dubbele voordeel optisch en structureel onderscheidt PSS van puur optische oppervlaktebehandelingen.

6. kwantitatieve vergelijking: PSS vs. platte saffiersubstraat

De werkelijke prestatiewinst is afhankelijk van patroongeometrie, golflengte, chipontwerp en verpakking.

7. Compromissen en technische overwegingen

Ondanks zijn voordelen brengt PSS praktische uitdagingen met zich mee:

• Aanvullende lithografie- en etseringsstappen verhogen de kosten

• De uniformiteit van het patroon en de diepte van de etsen moeten strikt worden gecontroleerd.

• Suboptimale patroonontwerpen kunnen een negatieve invloed hebben op de epitaxiale uniformiteit

Daarom is PSS-optimalisatie een multidisciplinaire taak met betrekking tot optische modellering, epitaxiale groei en apparaatengineering.

8Industrieperspectief en toekomstvooruitzichten

In de huidige tijd wordt PSS niet langer als een optionele verbetering beschouwd.Het is een basistechnologie geworden..

Ik kijk vooruit:

• Geavanceerde PSS-ontwerpen worden onderzocht voor Mini LED en Micro LED

• Hybride benaderingen waarbij PSS wordt gecombineerd met fotonische kristallen of nano-texturing worden onderzocht

• Kostenreductie en schaalbaarheid van patronen blijven belangrijke doelstellingen van de industrie

Conclusies

Patterned Sapphire Substrates vertegenwoordigen een fundamentele verschuiving van passieve dragermaterialen naar functionele optische en structurele componenten in LED-apparaten.Door het aanpakken van lichtextractieverliezen bij de wortel van de lichtextractie en de interfacepreflectie zorgt PSS voor een hogere efficiëntie., verbeterde betrouwbaarheid en betere prestatieconsistentie.

Daarentegen zijn platte saffiersubstraten, hoewel ze vervaardigbaar en economisch zijn, inherent beperkt in hun vermogen om de volgende generatie hoogwaardige LED's te ondersteunen.Als LED-technologie blijft evolueren, PSS is een duidelijk voorbeeld van hoe materiaaltechniek rechtstreeks vertaald kan worden in prestatieverbeteringen op systeemniveau.