Код светлећих диода (LED) заснованих на GaN-у, континуирани напредак у техникама епитаксијалног раста и архитектури уређаја довео је унутрашњу квантну ефикасност (IQE) све ближе њеном теоријском максимуму. Упркос овом напретку, укупне светлосне перформансе LED диода остају фундаментално ограничене ефикасношћу екстракције светлости (LEE). Пошто сафир и даље представља доминантан материјал подлоге за GaN епитаксију, његова површинска морфологија игра одлучујућу улогу у управљању оптичким губицима унутар уређаја.

Овај чланак представља свеобухватно поређење између равних сафирних подлога и подлога са шарамасафирне подлоге (PSS)Разјашњава оптичке и кристалографске механизме путем којих PSS побољшава ефикасност екстракције светлости и објашњава зашто је PSS постао де факто стандард у производњи високоперформансних ЛЕД диода.

1. Ефикасност екстракције светлости као основно уско грло

Спољна квантна ефикасност (EQE) ЛЕД диоде одређена је производом два основна фактора:

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

EQE=IQE×LEE

Док IQE квантификује ефикасност радијативне рекомбинације унутар активног региона, LEE описује део генерисаних фотона који успешно излазе из уређаја.

За GaN ЛЕД диоде које се производе на сафирним подлогама, LEE у конвенционалним дизајнима је обично ограничен на приближно 30–40%. Ово ограничење првенствено произилази из:

• Озбиљно неслагање индекса преламања између GaN (n ≈ 2,4), сафира (n ≈ 1,7) и ваздуха (n ≈ 1,0)

• Јака тотална унутрашња рефлексија (TIR) ​​на планарним интерфејсима

• Хватање фотона унутар епитаксијалних слојева и подлоге

Сходно томе, значајан део генерисаних фотона пролази кроз вишеструке унутрашње рефлексије и на крају их материјал апсорбује или претвара у топлоту уместо да доприносе корисном светлосном излазу.

2. Равне сафирне подлоге: структурна једноставност са оптичким ограничењима

2.1 Структурне карактеристике

Равне сафирне подлоге обично користе оријентацију c-равни (0001) са глатком, равном површином. Широко су усвојене због:

• Висок кристални квалитет

• Одлична термичка и хемијска стабилност

• Зрели и исплативи производни процеси

2.2 Оптичко понашање

Са оптичког становишта, планарни интерфејси воде до веома усмерених и предвидљивих путања простирања фотона. Када фотони генерисани у активној области GaN достигну GaN-ваздух или GaN-сафир интерфејс под угловима упада који прелазе критични угао, долази до тоталне унутрашње рефлексије.

То резултира:

• Снажно ограничавање фотона унутар уређаја

• Повећана апсорпција металних електрода и дефектна стања

• Ограничена угаона расподела емитоване светлости

У суштини, равне сафирне подлоге пружају малу помоћ у превазилажењу оптичког ограничења.

3. Подлоге од сафира са шарама: концепт и структурни дизајн

Узоркована сафирна подлога (PSS) се формира уношењем периодичних или квази-периодичних микро- или наноразмерних структура на површину сафира коришћењем фотолитографије и техника нагризања.

Уобичајене геометрије PSS-а укључују:

• Коничне структуре

• Хемисферичне куполе

• Пирамидалне карактеристике

• Цилиндрични или облици скраћеног конуса

Типичне димензије карактеристика крећу се од субмикрометара до неколико микрометара, са пажљиво контролисаном висином, нагибом и радним циклусом.

4. Механизми побољшања екстракције светлости у PSS-у

4.1 Супресија тоталне унутрашње рефлексије

Тродимензионална топографија PSS-а модификује локалне углове упада на материјалним интерфејсима. Фотони који би иначе доживели потпуну унутрашњу рефлексију на равној граници преусмеравају се у углове унутар излазног конуса, што значајно повећава њихову вероватноћу изласка из уређаја.

4.2 Побољшано оптичко расејање и рандомизација путање

PSS структуре уводе вишеструке догађаје преламања и рефлексије, што доводи до:

• Рандомизација праваца простирања фотона

• Повећана интеракција са интерфејсима за екстракцију светлости

• Смањено време задржавања фотона у уређају

Статистички гледано, ови ефекти повећавају вероватноћу екстракције фотона пре него што дође до апсорпције.

4.3 Ефективно оцењивање индекса преламања

Са становишта оптичког моделирања, PSS делује као ефикасан прелазни слој индекса преламања. Уместо нагле промене индекса преламања од GaN до ваздуха, обликована област пружа постепену варијацију индекса преламања, чиме се смањују губици Френелове рефлексије.

Овај механизам је концептуално аналоган антирефлексним премазима, иако се ослања на геометријску оптику, а не на интерференцију танког филма.

4.4 Индиректно смањење губитака оптичке апсорпције

Скраћивањем путања фотона и сузбијањем поновљених унутрашњих рефлексија, PSS смањује вероватноћу оптичке апсорпције:

• Метални контакти

• Стања кристалних дефекта

• Апсорпција слободних носилаца у GaN

Ови ефекти доприносе и већој ефикасности и побољшаним термичким перформансама.

5. Додатне предности: Побољшање квалитета кристала

Поред оптичког побољшања, PSS такође побољшава квалитет епитаксијалног материјала путем механизама латералног епитаксијалног прекомерног раста (LEO):

• Дислокације које настају на граници сафир-GaN се преусмеравају или прекидају

• Густина дислокација навоја је значајно смањена

• Побољшани квалитет кристала повећава поузданост уређаја и век трајања рада

Ова двострука оптичка и структурна предност разликује PSS од чисто оптичких приступа текстурирању површине.

6. Квантитативно поређење: Равни сафир наспрам ПСС-а

Стварно повећање перформанси зависи од геометрије шаблона, таласне дужине емисије, архитектуре чипа и стратегије паковања.

7. Компромиси и инжењерска разматрања

Упркос својим предностима, PSS представља неколико практичних изазова:

• Додатни кораци литографије и нагризања повећавају трошкове израде

• Уједначеност шаре и дубина гравирања захтевају прецизну контролу

• Лоше оптимизовани обрасци могу негативно утицати на епитаксијалну униформност

Стога је оптимизација PSS-а по својој природи мултидисциплинарни задатак који укључује оптичку симулацију, инжењеринг епитаксијалног раста и дизајн уређаја.

8. Перспектива индустрије и будући изгледи

У модерној производњи ЛЕД диода, PSS се више не сматра опционим додатком. У ЛЕД применама средње и велике снаге – укључујући опште осветљење, аутомобилско осветљење и позадинско осветљење екрана – постао је основна технологија.

Будући трендови истраживања и развоја укључују:

• Напредни дизајни PSS-а прилагођени за Mini-LED и Micro-LED примене

• Хибридни приступи који комбинују PSS са фотонским кристалима или текстурирањем површине наноразмера

• Континуирани напори ка смањењу трошкова и скалабилним технологијама обликовања

Закључак

Сафирне подлоге са шарама представљају фундаментални прелаз са пасивних механичких носача на функционалне оптичке и структурне компоненте у ЛЕД уређајима. Решавањем губитака екстракције светлости у њиховом корену – наиме оптичког ограничења и рефлексије на површини – PSS омогућава већу ефикасност, побољшану поузданост и конзистентније перформансе уређаја.

Насупрот томе, иако равне сафирне подлоге остају атрактивне због своје производности и нижих трошкова, њихова инхерентна оптичка ограничења ограничавају њихову погодност за високоефикасне ЛЕД диоде следеће генерације. Како се ЛЕД технологија наставља развијати, PSS представља јасан пример како се инжењеринг материјала може директно претворити у побољшања перформанси на нивоу система.