In i diodi emettitori di luce (LED) basati nantu à GaN, u prugressu cuntinuu in e tecniche di crescita epitassiale è in l'architettura di i dispositivi hà purtatu l'efficienza quantica interna (IQE) sempre più vicinu à u so massimu teoricu. Malgradu questi progressi, a prestazione luminosa generale di i LED ferma fundamentalmente limitata da l'efficienza di estrazione di a luce (LEE). Siccomu u zaffiro cuntinueghja à esse u materiale di substratu predominante per l'epitassia di GaN, a so morfologia superficiale ghjoca un rolu decisivu in u guvernu di e perdite ottiche in u dispositivu.

Questu articulu presenta una paragone cumpleta trà i substrati di zaffiro piatti è quelli modellati.substrati di zaffiro (PSS)Elucida i miccanismi ottici è cristallografichi per mezu di i quali u PSS migliora l'efficienza di l'estrazione di a luce è spiega perchè u PSS hè diventatu un standard de facto in a fabricazione di LED d'altu rendimentu.

1. L'efficienza di l'estrazione di a luce cum'è un ostaculu fundamentale

L'efficienza quantica esterna (EQE) di un LED hè determinata da u pruduttu di dui fattori principali:

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

EQE=IQE×LEE

Mentre chì IQE quantifica l'efficienza di a ricombinazione radiativa in a regione attiva, LEE descrive a frazione di fotoni generati chì riescenu à scappà da u dispusitivu.

Per i LED basati nantu à GaN cresciuti nantu à substrati di zaffiro, u LEE in i disinni cunvinziunali hè tipicamente limitatu à circa 30-40%. Questa limitazione deriva principalmente da:

• Disallineamentu severu di l'indice di rifrazione trà GaN (n ≈ 2,4), zaffiro (n ≈ 1,7) è aria (n ≈ 1,0)

• Forte riflessione interna tutale (TIR) ​​à l'interfacce planari

• Intrappola di fotoni in i strati epitassiali è u substratu

Di cunsiguenza, una parte significativa di i fotoni generati subisce parechje riflessioni interne è sò infine assorbite da u materiale o cunvertite in calore invece di cuntribuisce à una pruduzzione luminosa utile.

2. Substrati di zaffiro piatti: Simplicità strutturale cù vincoli ottici

2.1 Caratteristiche strutturali

I substrati di zaffiro piatti utilizanu tipicamente un'orientazione di u pianu c (0001) cù una superficia liscia è planare. Sò stati largamente aduttati per via di:

• Alta qualità cristallina

• Eccellente stabilità termica è chimica

• Prucessi di fabricazione maturi è rentabili

2.2 Cumportamentu otticu

Da un puntu di vista otticu, l'interfacce piane portanu à percorsi di propagazione di fotoni altamente direzionali è prevedibili. Quandu i fotoni generati in a regione attiva di GaN ghjunghjenu à l'interfaccia GaN-aria o GaN-zaffiro à anguli d'incidenza chì superanu l'angulu criticu, si verifica una riflessione interna tutale.

Questu dà cum'è risultatu:

• Forte cunfinamentu di fotoni in u dispusitivu

• Assorbimentu aumentatu da elettrodi metallichi è stati difettosi

• Una distribuzione angulare ristretta di a luce emessa

In sostanza, i substrati piatti di zaffiro offrenu pocu aiutu per superà u cunfinamentu otticu.

3. Substrati di zaffiro modellati: cuncettu è cuncepimentu strutturale

Un substratu di zaffiro modellatu (PSS) hè furmatu introducendu strutture micro- o nanoscala periodiche o quasi-periodiche nantu à a superficia di zaffiro utilizendu tecniche di fotolitografia è incisione.

E geometrie PSS cumuni includenu:

• Strutture còniche

• Cupole emisferiche

• Caratteristiche piramidali

• Forme cilindriche o troncoconiche

E dimensioni tipiche di e caratteristiche varianu da submicrometri à parechji micrometri, cù altezza, pitch è ciclu di travagliu attentamente cuntrullati.

4. Meccanismi di Migliurazione di l'Estrazione di Luce in PSS

4.1 Soppressione di a Riflessione Interna Totale

A topografia tridimensionale di PSS mudifica l'anguli lucali d'incidenza à l'interfacce di i materiali. I fotoni chì altrimenti sperimenterebbenu una riflessione interna tutale à un cunfine pianu sò ridiretti in anguli in u conu di fuga, aumentendu sustanzialmente a so probabilità di sorte da u dispusitivu.

4.2 Scattering Otticu Miglioratu è Randomizazione di u Percorsu

E strutture PSS introducenu parechji eventi di rifrazione è riflessione, chì portanu à:

• Randomizazione di e direzzioni di propagazione di i fotoni

• Interazione aumentata cù l'interfacce di estrazione di luce

• Tempu di residenza di i fotoni riduttu in u dispusitivu

Statisticamente, sti effetti aumentanu a probabilità di l'estrazione di fotoni prima chì si verifichi l'assorbimentu.

4.3 Classificazione efficace di l'indice di rifrazione

Da una perspettiva di modelizazione ottica, PSS agisce cum'è un stratu di transizione di l'indice di rifrazione efficace. Piuttostu chè un cambiamentu bruscu di l'indice di rifrazione da GaN à aria, a regione modellata furnisce una variazione graduale di l'indice di rifrazione, riducendu cusì e perdite di riflessione di Fresnel.

Stu mecanismu hè cuncettualmente analogu à i rivestimenti antiriflessu, ancu s'ellu si basa nantu à l'ottica geometrica piuttostu chè nantu à l'interferenza di film sottile.

4.4 Riduzione indiretta di e perdite di assorbimentu otticu

Accurtendu a lunghezza di i percorsi di i fotoni è supprimendu e riflessioni interne ripetute, PSS riduce a probabilità di assorbimentu otticu per via di:

• Cuntatti metallichi

• Stati di difetti di cristallu

• Assorbimentu di trasportatori liberi in GaN

Questi effetti cuntribuiscenu à una maggiore efficienza è à una migliore prestazione termica.

5. Benefici supplementari: Miglioramentu di a qualità di i cristalli

Oltre à u miglioramentu otticu, u PSS migliora ancu a qualità di u materiale epitassiale per via di meccanismi di crescita epitassiale laterale (LEO):

• E dislocazioni chì s'uriginanu à l'interfaccia zaffiro-GaN sò ridirette o terminate

• A densità di dislocazioni di filettatura hè significativamente ridutta

• A qualità di u cristallu migliorata aumenta l'affidabilità di u dispusitivu è a durata di vita operativa

Stu doppiu benefiziu otticu è strutturale distingue u PSS da l'approcci di texturizazione di a superficia puramente ottica.

6. Paragone quantitativu: Zaffiru pianu vs. PSS

I guadagni di prestazioni effettivi dipendenu da a geometria di u mudellu, a lunghezza d'onda di emissione, l'architettura di u chip è a strategia di imballaggio.

7. Cumpromessi è cunsiderazioni d'ingegneria

Malgradu i so vantaghji, PSS introduce parechje sfide pratiche:

• I passi supplementari di litografia è incisione aumentanu u costu di fabricazione

• L'uniformità di u mudellu è a prufundità di l'incisione richiedenu un cuntrollu precisu

• I mudelli mal ottimizzati ponu influenzà negativamente l'uniformità epitassiale

Dunque, l'ottimizazione PSS hè intrinsecamente un compitu multidisciplinariu chì implica a simulazione ottica, l'ingegneria di crescita epitassiale è a cuncepzione di dispositivi.

8. Prospettiva di l'industria è prospettive future

In a fabricazione muderna di LED, u PSS ùn hè più cunsideratu cum'è un miglioramentu opzionale. In l'applicazioni LED di media è alta putenza, cumprese l'illuminazione generale, l'illuminazione automobilistica è a retroilluminazione di i display, hè diventata una tecnulugia di basa.

E tendenze future di ricerca è sviluppu includenu:

• Disegni PSS avanzati adattati per applicazioni Mini-LED è Micro-LED

• Approcci ibridi chì combinanu PSS cù cristalli fotonici o testurizazione di superfici nanoscala

• Sforzi cuntinui versu a riduzione di i costi è e tecnulugie di modellazione scalabili

Cunclusione

I substrati di zaffiro modellati rapprisentanu una transizione fundamentale da i supporti meccanichi passivi à i cumpunenti ottici è strutturali funziunali in i dispositivi LED. Affrontendu e perdite di estrazione di luce à a so radice - vale à dì u cunfinamentu otticu è a riflessione di l'interfaccia - u PSS permette una maggiore efficienza, una migliore affidabilità è prestazioni di u dispositivu più consistenti.

À u cuntrariu, mentre i sustrati piatti di zaffiro restanu attrattivi per via di a so fabricabilità è di u so costu più bassu, e so limitazioni ottiche inerenti limitanu a so idoneità per i LED ad alta efficienza di prossima generazione. Cù a cuntinuazione di l'evoluzione di a tecnulugia LED, PSS hè un esempiu chjaru di cume l'ingegneria di i materiali pò traduce si direttamente in guadagni di prestazioni à livellu di sistema.