В светодиодах на основе нитрида галлия (GaN) непрерывный прогресс в технологиях эпитаксиального роста и архитектуре устройств привел к тому, что внутренняя квантовая эффективность (IQE) все больше приближается к своему теоретическому максимуму. Несмотря на эти достижения, общая световая эффективность светодиодов по-прежнему в основном ограничена эффективностью извлечения света (LEE). Поскольку сапфир остается преобладающим материалом подложки для эпитаксии GaN, морфология его поверхности играет решающую роль в определении оптических потерь внутри устройства.

В данной статье представлено всестороннее сравнение плоских сапфировых подложек и подложек с рисунком.сапфировые подложки (PSS)В нем разъясняются оптические и кристаллографические механизмы, посредством которых PSS повышает эффективность извлечения света, и объясняется, почему PSS стал фактическим стандартом в производстве высокоэффективных светодиодов.

1. Эффективность извлечения света как фундаментальное узкое место.

Внешняя квантовая эффективность (EQE) светодиода определяется произведением двух основных факторов:

$EQE\; =\; IQE\; \times \; LEE\; EQE\; =\; IQE\; \times \; LEE$

EQE = IQE × LEE

В то время как IQE количественно оценивает эффективность радиационной рекомбинации в активной области, LEE описывает долю сгенерированных фотонов, которые успешно покидают устройство.

В светодиодах на основе нитрида галлия (GaN), выращенных на сапфировых подложках, эффективность светоизлучения (LEE) в традиционных конструкциях обычно ограничена примерно 30–40%. Это ограничение возникает главным образом из-за:

• Значительное несоответствие показателей преломления между GaN (n ≈ 2,4), сапфиром (n ≈ 1,7) и воздухом (n ≈ 1,0).

• Сильное полное внутреннее отражение (ПВО) на плоских границах раздела

• Захват фотонов внутри эпитаксиальных слоев и подложки

В результате значительная часть генерируемых фотонов подвергается многократным внутренним отражениям и в конечном итоге поглощается материалом или преобразуется в тепло, а не вносит вклад в полезную светоотдачу.

2. Плоские сапфировые подложки: структурная простота с оптическими ограничениями

2.1 Структурные характеристики

Плоские сапфировые подложки обычно имеют ориентацию в плоскости c (0001) и гладкую, плоскую поверхность. Они получили широкое распространение благодаря:

• Высокое кристаллическое качество

• Превосходная термическая и химическая стабильность

• Отработанные и экономически эффективные производственные процессы.

2.2 Оптическое поведение

С оптической точки зрения, планарные интерфейсы обеспечивают высоконаправленные и предсказуемые пути распространения фотонов. Когда фотоны, генерируемые в активной области GaN, достигают границы раздела GaN–воздух или GaN–сапфир под углами падения, превышающими критический угол, происходит полное внутреннее отражение.

В результате получается:

• Сильное удержание фотонов внутри устройства

• Повышенное поглощение металлическими электродами и дефектными состояниями.

• Ограниченное угловое распределение излучаемого света

По сути, плоские сапфировые подложки мало помогают в преодолении оптического ограничения.

3. Сапфировые подложки с рисунком: концепция и структурный дизайн.

Структурированная сапфировая подложка (PSS) формируется путем нанесения периодических или квазипериодических микро- или наноструктур на поверхность сапфира с использованием методов фотолитографии и травления.

К распространенным геометрическим формам PSS относятся:

• Конические структуры

• Полусферические купола

• Пирамидальные формы

• Цилиндрические или усеченные конусообразные формы

Типичные размеры элементов варьируются от субмикрометра до нескольких микрометров, при этом тщательно контролируются высота, шаг и коэффициент заполнения.

4. Механизмы повышения эффективности извлечения света в PSS

4.1 Подавление полного внутреннего отражения

Трехмерная топография PSS изменяет локальные углы падения на границах раздела материалов. Фотоны, которые в противном случае испытали бы полное внутреннее отражение на плоской границе, перенаправляются в углы внутри конуса выхода, существенно увеличивая вероятность их выхода из устройства.

4.2 Усиленное оптическое рассеяние и рандомизация траектории

Структуры PSS вводят множественные события преломления и отражения, что приводит к следующим последствиям:

• Рандомизация направлений распространения фотонов

• Усиленное взаимодействие с интерфейсами извлечения света

• Сокращение времени пребывания фотонов внутри устройства.

Статистически эти эффекты повышают вероятность извлечения фотонов до того, как произойдет поглощение.

4.3 Эффективная классификация показателей преломления

С точки зрения оптического моделирования, PSS действует как эффективный слой перехода показателя преломления. Вместо резкого изменения показателя преломления от GaN к воздуху, структурированная область обеспечивает постепенное изменение показателя преломления, тем самым уменьшая потери на отражение Френеля.

Этот механизм концептуально аналогичен антиотражающим покрытиям, хотя он основан на геометрической оптике, а не на интерференции тонких пленок.

4.4 Косвенное снижение потерь на оптическое поглощение

Сокращая длину пути фотонов и подавляя многократные внутренние отражения, PSS уменьшает вероятность оптического поглощения за счет:

• Металлические контакты

• дефектные состояния кристалла

• Поглощение свободными носителями заряда в GaN

Эти эффекты способствуют как повышению эффективности, так и улучшению тепловых характеристик.

5. Дополнительные преимущества: улучшение качества кристаллов.

Помимо улучшения оптических свойств, PSS также повышает качество эпитаксиального материала за счет механизмов латерального эпитаксиального перероста (LEO):

• Дислокации, возникающие на границе раздела сапфир–GaN, перенаправляются или прекращают свое существование.

• Плотность дислокаций, пронизывающих структуру, значительно снижается.

• Улучшенное качество кристаллов повышает надежность устройства и срок его службы.

Это двойное оптическое и структурное преимущество отличает PSS от чисто оптических методов текстурирования поверхности.

6. Количественное сравнение: плоский сапфир против PSS

Фактическое повышение производительности зависит от геометрии рисунка, длины волны излучения, архитектуры чипа и стратегии упаковки.

7. Компромиссы и инженерные соображения

Несмотря на свои преимущества, PSS создает ряд практических проблем:

• Дополнительные этапы литографии и травления увеличивают стоимость изготовления.

• Для обеспечения однородности рисунка и глубины травления необходим точный контроль.

• Неправильно оптимизированные структуры могут негативно повлиять на однородность эпитаксиального слоя.

Таким образом, оптимизация PSS по своей сути является междисциплинарной задачей, включающей оптическое моделирование, инженерию эпитаксиального роста и проектирование устройств.

8. Перспективы развития отрасли и перспективы на будущее

В современном светодиодном производстве технология PSS больше не рассматривается как дополнительная опция. В приложениях для светодиодов средней и высокой мощности, включая общее освещение, автомобильное освещение и подсветку дисплеев, она стала базовой технологией.

К числу будущих тенденций в области исследований и разработок относятся:

• Усовершенствованные конструкции PSS, разработанные специально для применения в Mini-LED и Micro-LED устройствах.

• Гибридные подходы, сочетающие PSS с фотонными кристаллами или наноразмерной текстуризацией поверхности.

• Продолжаются усилия по снижению затрат и внедрению масштабируемых технологий нанесения рисунка.

Заключение

Сапфировые подложки с заданным рисунком представляют собой фундаментальный переход от пассивных механических опор к функциональным оптическим и структурным компонентам в светодиодных устройствах. Устраняя потери при извлечении света на самом их корне — а именно, оптическое ограничение и отражение на границе раздела — сапфировые подложки с заданным рисунком обеспечивают более высокую эффективность, улучшенную надежность и более стабильную работу устройств.

Напротив, плоские сапфировые подложки остаются привлекательными благодаря своей технологичности и более низкой стоимости, но присущие им оптические ограничения ограничивают их пригодность для высокоэффективных светодиодов следующего поколения. По мере развития светодиодных технологий PSS является наглядным примером того, как материаловедение может напрямую приводить к повышению производительности на системном уровне.