Blog Ayrıntıları

GaN tabanlı ışık yayıcı diyotlarda (LED'ler), epitaksiyel büyüme ve cihaz tasarımındaki sürekli ilerlemeler, iç kuantum verimliliğini (IQE) teorik sınırına yaklaştırdı.LED'lerin genel ışık verimliliği temel olarak ışık çıkarma verimliliği (LEE) ile sınırlıdır.As sapphire remains the dominant substrate material for GaN epitaxy, its surface structure plays a critical role in determining optical losses. Saphir GaN epitaksi için baskın alt material olarak kalırken, yüzey yapısı optik kayıpları belirlemede kritik bir rol oynar.This article provides an in-depth comparison between flat (Devamını oku)Sapphire substratlarıve desenli safir substratları (PSS), PSS'nin iyi kurulmuş optik ve kristallografik mekanizmalar yoluyla ışık çıkarma verimliliğini nasıl arttırdığını açıklıyor.ve neden yüksek performanslı LED üretiminde de facto bir standart haline geldi..

1Neden Işık Aktarım Verimliliği LED Performansı'nı Sınırlıyor?

Bir LED'in toplam dış kuantum verimliliği (EQE) iki önemli faktörün ürünü ile yönetilir:

EQE.=IQE.- Evet.Lee!

IQE, aktif bölgenin içinde foton üretmek için elektronların ve deliklerin ne kadar verimli bir şekilde birleştiklerini yansıtırken, LEE, bu fotonların cihazdan ne kadar etkili bir şekilde kaçtığını açıklar.

GaN tabanlı LED'lerde safir altyapılarında yetiştirilen LEE tipik olarak konvansiyonel tasarımlarda %30-40'a sınırlıdır.

• GaN (n ≈ 2.4), safir (n ≈ 1.7), ve hava (n ≈ 1.0) arasında şiddetli yansıma endeksi uyuşmazlığı

• Total internal reflection (TIR) at flat interfaces (Düşük arayüzlerdeki toplam iç yansıma)

• Foton hapselenmesi epitaksiyel katmanlar ve substrat içinde.

Sonuç olarak, üretilen fotonların büyük bir kısmı birden fazla yansımaya maruz kalır ve sonunda kullanışlı ışık yerine ısıya emilir veya dönüştürülür.

2Flat Sapphire Substrates: Yapısal Basitlik, Optik Sınırlar.

2.1 Yapısal Özellikler

Flat sapphire substrates feature a smooth, planar surface, typically with a c-plane (0001) orientation. They have been widely used due to:

• Yüksek kristal kalitesi.

• Mükemmel termal ve kimyasal istikrar.

• Olgun, maliyetli üretim süreçleri.

2.2 Optik Davranış

Bir optik bakış açısından, düz arayüzler öngörülebilir ve yüksek yönlü foton yayılma yolları tanıtır.GaN aktif bölgesinde üretilen fotonlar kritik açıyı aşan açılarda GaN “air” veya GaN “sapphire” arayüzüne ulaştığındaToplam iç yansıma oluşur.

Sonuçları şunlardır:

• Cihazın içindeki foton kısıtlaması.

• Elektrotlar ve kusurlar tarafından artan emilim

• Yayılan ışığın sınırlı açısal dağılımı

Temel olarak, düz safir substratlar optik kısıtlamanın üstesinden gelmede minimal yardım sağlar.

3Patterned Sapphire Substrate (PSS): Kavram ve Yapı.

A Patterned Sapphire Substrate (PSS) is created by introducing periodic or quasi-periodic micro- or nano-scale structures onto the sapphire surface through photolithography and etching processes. Paternel safir substratı (PSS), safir yüzeyine periyodik veya yarı periyodik mikro veya nano ölçekli yapıları fotolitografi ve kazım işlemleri yoluyla ekleyerek oluşturulur.

Common PSS geometries include:

• Konik yapılar

• Yarım küre küpleri

• Piramitler.

• Silindrik veya kesik koni

Tipik özellik boyutları sub-mikron'dan birkaç mikrometreye kadar uzanır, dikkatlice kontrol edilen yükseklik, pitch ve görev döngüsü ile.

4PSS nasıl ışık çıkarma verimliliğini geliştirir?

4.1 Toplam Dahili Yansımanın Baskısı

PSS'nin üç boyutlu topolojisi, arayüzlerdeki yerel olay açısını değiştirir.Aksi takdirde düz bir sınırda toplam iç yansımaya maruz kalacak olan fotonlar, kaçış koni içindeki açılara yönlendirilir..

Bu, cihazdan çıkan fotonların olasılığını önemli ölçüde arttırır.

4.2 Geliştirilmiş Optik Scattering ve Path Randomization

PSS yapıları birden fazla kırılma ve yansıma olayı tanıtır.

• Foton yörüngelerinin yönsel rastgeleleştirilmesi.

• Kaçış arayüzleri ile daha fazla etkileşim

• Cihazın içinde foton ikamet süresi azalır.

İstatistiksel olarak, bu, emilmeden önce foton çıkarma olasılığını arttırır.

4.3 Effective Refractive Index Grading

Bir optik modelleme bakış açısından, PSS etkili bir kırılma endeksi geçiş katmanı olarak davranır.Şablonlu bölge, kademeli bir kırılma endeksi değişimi yaratır.Fresnel yansıması kaybını azaltır.

Bu mekanizma kavramsal olarak yansıma karşıtı kaplamalara benzer ancak ince film müdahalesi yerine geometrik optikler yoluyla çalışır.

4.4 Optik Absorpsiyon Kayıplarının Doğrudan Azaltılması

Foton yol uzunluklarını kısaltarak ve tekrarlanan yansımalar azaltarak, PSS absorpsiyon olasılığını aşağı indirir:

• Metal bağlantılar.

• Defect states

• GaN'de serbest taşıyıcı emilim

Bu hem daha yüksek verimliliğe hem de iyileştirilmiş termal davranışa katkıda bulunur.

5Ek faydalar: Kristal Kalite Geliştirme.

Optiklerin ötesinde, PSS ayrıca lateral epitaxial overgrowth (LEO) mekanizmaları yoluyla epitaxial kaliteyi iyileştirir:

• Sapphire GaN arayüzünden kaynaklanan dislokasyonlar yönlendirilir veya sona erdirilir.

• Threading dislokasyon yoğunluğu azalır.

• Geliştirilmiş malzeme kalitesi cihaz güvenilirliğini ve ömrünü artırır.

Bu çift fayda, PSS'yi tamamen optik yüzey tedavilerinden ayırır.

6Kvantitatif karşılaştırma: PSS vs. Flat Sapphire Substrate.

Gerçek performans kazançları patern geometrisine, dalga boyuna, çip tasarımına ve paketlemeye bağlıdır.

7Ticaret ve mühendislik bakımından.

Avantajlarına rağmen, PSS pratik zorluklar getirir:

• Ek litografi ve kazım adımları maliyeti artırır.

• Patern tekdüzeliği ve kazı derinliği sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir.

• Suboptimal desen tasarımları negatif olarak epitaksiyal tekdüzeliği etkileyebilir.

Bu nedenle, PSS optimizasyonu optik modelleme, epitaksiyel büyüme ve cihaz mühendisliği içeren çok disiplinli bir görevdir.

8Industry Perspective ve Future Outlook.

Günümüzde, PSS artık seçmeli bir geliştirme olarak kabul edilmiyor.ve ekran arka ışıklandırması “it has become a baseline technology”.

İleriye bakıyorum:

• Mini LED ve Micro LED için gelişmiş PSS tasarımları araştırılıyor.

• PSS'yi fotonik kristaller veya nano-tekstrürle birleştiren melez yaklaşımlar araştırılmaktadır.

• Maliyet azaltımı ve kalıp ölçeklenebilirliği kilit endüstri hedefleri olmaya devam ediyor.

Sonuçlar

Patterned Sapphire Substrates, LED cihazlardaki pasif destek malzemelerinden işlevsel optik ve yapısal bileşenlere temel bir kaymayı temsil eder.Köklerinde ışıktı çıkarma kayıplarını ele alarak “optical confinement” ve “interface reflection” “PSS” daha yüksek verimliliği sağlar., iyileştirilmiş güvenilirlik ve daha iyi performans tutarlılığı.

Buna karşılık, düz safir substratları, üretilebilir ve ekonomik iken, yeni nesil yüksek verimli LED'leri destekleme yeteneklerinde sınırlıdır.LED teknolojisi gelişmeye devam ederkenPSS, malzeme mühendisliğinin doğrudan sistem düzeyinde performans kazanımlarına nasıl dönüştüğünün açık bir örneğidir.