Λεπτομέρειες Blog

Σε διόδους εκπομπής φωτός (LED) με βάση το GaN, οι συνεχείς εξελίξεις στην επιταξιακή ανάπτυξη και τον σχεδιασμό συσκευών έχουν ωθήσει την εσωτερική κβαντική απόδοση (IQE) κοντά στο θεωρητικό της όριο.η συνολική φωτεινή απόδοση των λαμπτήρων LED παραμένει βασικά περιορισμένη από την απόδοση εκχύλισης φωτός (LEE)Καθώς το ζαφείρι παραμένει το κυρίαρχο υλικό υποστρώματος για την επιταγή του GaN, η δομή της επιφάνειας του διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στον καθορισμό των οπτικών απωλειών.Αυτό το άρθρο παρέχει μια σε βάθος σύγκριση μεταξύ των διαμερισμάτωνυποστρώματα ζαφείριουκαι υποστρώματα ζαφείριου με μοτίβα (PSS), εξηγώντας πώς το PSS βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης του φωτός μέσω καθιερωμένων οπτικών και κρυσταλλογραφικών μηχανισμών,και γιατί έχει γίνει de facto πρότυπο στην κατασκευή LED υψηλών επιδόσεων.

1. Γιατί η αποτελεσματικότητα εκχύλισης φωτός περιορίζει τις επιδόσεις των LED

Η συνολική εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) ενός LED διέπεται από το γινόμενο δύο βασικών παραγόντων:

ΕΠΕ=ΔΕΠ×ΛΕΙ

Ενώ το IQE αντικατοπτρίζει το πόσο αποτελεσματικά τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες επανασυνδυάζονται για να παράγουν φωτόνια μέσα στην ενεργό περιοχή, το LEE περιγράφει το πόσο αποτελεσματικά αυτά τα φωτόνια διαφεύγουν από τη συσκευή.

Στα LED με βάση το GaN που καλλιεργούνται σε υποστρώματα ζαφείρι, το LEE περιορίζεται συνήθως στο 30~40% στα συμβατικά σχέδια.

• Σοβαρή ασυμφωνία του δείκτη διάθλασης μεταξύ του GaN (n ≈ 2,4), του ζαφείριου (n ≈ 1,7) και του αέρα (n ≈ 1,0)

• Συνολική εσωτερική αντανάκλαση (TIR) σε επίπεδες διεπαφές

• Η παγίδευση φωτονίων μέσα στα επιταξιακά στρώματα και το υπόστρωμα

Ως αποτέλεσμα, ένα μεγάλο μέρος των φωτοδίων που παράγονται υποβάλλονται σε πολλαπλές αντανάκλασεις και τελικά απορροφώνται ή μετατρέπονται σε θερμότητα αντί για χρήσιμο φως.

2- Πλακά υποστρώματα σαφείριου: δομική απλότητα, οπτικοί περιορισμοί

2.1 Διαρθρωτικά χαρακτηριστικά

Τα επίπεδα υποστρώματα ζαφείρι έχουν μια ομαλή, επίπεδη επιφάνεια, συνήθως με προσανατολισμό σε επίπεδο c (0001).

• Υψηλή κρυσταλλική ποιότητα

• Εξαιρετική θερμική και χημική σταθερότητα

• Πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες παραγωγής

2.2 Οπτική συμπεριφορά

Από οπτική άποψη, οι επίπεδες διεπαφές εισάγουν προβλέψιμες και πολύ κατευθυνόμενες διαδρομές διάδοσης φωτονίων.Όταν τα φωτόνια που παράγονται στην ενεργό περιοχή του GaN φτάνουν στην διεπαφή του GaN·αέρα ή του GaN·σαφείρου σε γωνίες που υπερβαίνουν την κρίσιμη γωνία, εμφανίζεται ολική εσωτερική αντανάκλαση.

Οι συνέπειες περιλαμβάνουν:

• Εγκλεισμός φωτονίων εντός της συσκευής

• Αυξημένη απορρόφηση από ηλεκτρόδια και ελαττώματα

• Περιορισμένη γωνιακή κατανομή του εκπεμπόμενου φωτός

Στην ουσία, τα επίπεδα υποστρώματα ζαφείρου παρέχουν ελάχιστη βοήθεια στην αντιμετώπιση του οπτικού περιορισμού.

3- Σχεδιασμένο υποστρώμα ζαφείριου: έννοια και δομή

Ένα υποστρώμα σαφείρου με πρότυπα (PSS) δημιουργείται με την εισαγωγή περιοδικών ή σχεδόν περιοδικών μικρο- ή νανοβαθμικών δομών στην επιφάνεια του σαφείρου μέσω διαδικασιών φωτολιθογραφίας και χαρακτικής.

Οι κοινές γεωμετρίες PSS περιλαμβάνουν:

• Κωνικές δομές

• Ημισφαιρικοί θόλοι

• Πυραμίδες

• Κωνικά κυλινδρικά ή κομματιασμένα

Τα τυπικά μεγέθη των χαρακτηριστικών κυμαίνονται από τα υπομικρόνια έως αρκετά μικρομέτρα, με προσεκτικά ελεγχόμενο ύψος, κλίση και κύκλο εργασίας.

4Πώς το PSS βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της εκχύλισης φωτός

4.1 Καταστολή της συνολικής εσωτερικής αντανάκλασης

Η τρισδιάστατη τοπολογία του PSS αλλάζει την τοπική γωνία πρόσκρουσης στις διεπαφές.Τα φωτόνια που διαφορετικά θα υποβλήθηκαν σε πλήρη εσωτερική αντανάκλαση σε επίπεδο όριο ανακατευθύνονται σε γωνίες μέσα στον κώνο διαφυγής.

Αυτό αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα των φωτονίων να βγουν από τη συσκευή.

4.2 Βελτιωμένη οπτική διασπορά και τυχαιοποίηση πορείας

Οι δομές PSS εισάγουν πολλαπλά γεγονότα κάμψης και αντανάκλασης, οδηγώντας σε:

• Κατευθυντική τυχαιοποίηση των τροχιών των φωτονίων

• Αυξημένη αλληλεπίδραση με τις διεπαφές διαφυγής

• Μειωμένος χρόνος διαμονής φωτονίων μέσα στην συσκευή

Στατιστικά, αυτό βελτιώνει την πιθανότητα εξόρυξης φωτονίων πριν από την απορρόφηση.

4.3 Αποτελεσματική ταξινόμηση του δείκτη κάμψης

Από την οπτική άποψη της μοντελοποίησης, το PSS συμπεριφέρεται ως ένα αποτελεσματικό στρώμα μετάβασης δείκτη διάθλασης.η μορφωμένη περιοχή δημιουργεί μια σταδιακή μεταβολή του δείκτη διάθλασης, μειώνοντας τις απώλειες αντανάκλασης Fresnel.

Ο μηχανισμός αυτός είναι ιδεολογικά παρόμοιος με τις αντιαντανεκτικές επικάλυψεις, αλλά λειτουργεί μέσω γεωμετρικής οπτικής και όχι μέσω παρεμβολών λεπτών ταινιών.

4.4 Έμμεση μείωση των απωλειών οπτικής απορρόφησης

Μειώνοντας το μήκος της διαδρομής των φωτονίων και μειώνοντας τις επαναλαμβανόμενες αντανακλάσεις, το PSS μειώνει την πιθανότητα απορρόφησης με:

• Μεταλλικές επαφές

• Κατάσταση ελαττώματος

• Ελεύθερη απορρόφηση φορέα σε GaN

Αυτό συμβάλλει τόσο στην υψηλότερη αποδοτικότητα όσο και στη βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς.

5Επιπλέον οφέλη: Βελτίωση της ποιότητας των κρυστάλλων

Πέρα από την οπτική, το PSS βελτιώνει επίσης την επιταξιακή ποιότητα μέσω μηχανισμών πλευρικής επιταξιακής υπερέλιξης (LEO):

• Οι εκτοπίσεις που προέρχονται από την διασύνδεση ζαφείρι ∆ΑΝ ανακατευθύνονται ή τερματίζονται

• Μειώνεται η πυκνότητα εξάρθρωσης της πεταλούδας

• Η βελτίωση της ποιότητας του υλικού βελτιώνει την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής της συσκευής

Αυτό το διπλό οπτικό και δομικό όφελος διακρίνει το PSS από τις καθαρά οπτικές επεξεργασίες επιφάνειας.

6Ποσοτική σύγκριση: PSS έναντι επίπεδου υποστρώματος ζαφείριου

Τα πραγματικά κέρδη απόδοσης εξαρτώνται από τη γεωμετρία του μοτίβου, το μήκος κύματος, το σχεδιασμό του τσιπ και την συσκευασία.

7- Συμφωνίες και μηχανικές εκτιμήσεις

Παρά τα πλεονεκτήματα του, το PSS παρουσιάζει πρακτικές προκλήσεις:

• Πρόσθετα βήματα λιθογραφίας και χαρακτικής αυξάνουν το κόστος

• Η ομοιομορφία του σχεδίου και το βάθος χαρακτικής πρέπει να ελέγχονται αυστηρά

• Τα μη βέλτιστα σχέδια μοτίβων μπορεί να επηρεάσουν αρνητικά την επιταξιακή ομοιομορφία

Ως εκ τούτου, η βελτιστοποίηση PSS είναι ένα διεπιστημονικό έργο που περιλαμβάνει οπτική μοντελοποίηση, επιταξιακή ανάπτυξη και μηχανική συσκευών.

8Προοπτικές και προοπτικές για το μέλλον της βιομηχανίας

Σήμερα, το PSS δεν θεωρείται πλέον προαιρετική βελτίωση.και οθόνη φώτισης ̇ έχει γίνει μια βασική τεχνολογία.

Κοιτάζοντας προς τα εμπρός:

• Εξετάζονται προηγμένα σχέδια PSS για Mini LED και Micro LED

• Εξετάζονται υβριδικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν το PSS με φωτονικούς κρύσταλλους ή νανο-υπεργασία

• Η μείωση του κόστους και η κλιμακωτότητα των προτύπων παραμένουν βασικοί στόχοι της βιομηχανίας

Συμπεράσματα

Τα υποστρώματα ζαφείριου με μοτίβα αντιπροσωπεύουν μια θεμελιώδη μετατόπιση από παθητικά υλικά υποστήριξης σε λειτουργικά οπτικά και δομικά στοιχεία σε συσκευές LED.Με την αντιμετώπιση των απωλειών εκχύλισης του φωτός στη ρίζα τους και την αντανάκλαση της διεπαφής, το PSS επιτρέπει υψηλότερη απόδοση, βελτιωμένη αξιοπιστία και καλύτερη συνέπεια των επιδόσεων.

Αντίθετα, τα επίπεδα υποστρώματα ζαφείριου, ενώ είναι κατασκευαστικά και οικονομικά, είναι εγγενώς περιορισμένα στην ικανότητά τους να υποστηρίζουν την επόμενη γενιά LED υψηλής απόδοσης.Καθώς η τεχνολογία LED συνεχίζει να εξελίσσεταιΤο PSS αποτελεί ένα σαφές παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η μηχανική υλικών μεταφράζεται άμεσα σε βελτιώσεις της απόδοσης σε επίπεδο συστήματος.