Trong GaN dựa trên đèn diode phát sáng (LED), những tiến bộ liên tục trong sự phát triển epitaxial và thiết kế thiết bị đã đẩy hiệu quả lượng tử bên trong (IQE) gần với giới hạn lý thuyết của nó.hiệu suất ánh sáng tổng thể của đèn LED vẫn bị hạn chế cơ bản bởi hiệu suất khử ánh sáng (LEE)Vì sapphire vẫn là vật liệu nền thống trị cho GaN epitaxy, cấu trúc bề mặt của nó đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tổn thất quang học.Bài viết này cung cấp một so sánh sâu sắc giữa phẳngchất nền sapphirevà nền sapphire mô hình (PSS), giải thích cách PSS cải thiện hiệu quả chiết xuất ánh sáng thông qua các cơ chế quang học và tinh thể học đã được thiết lập tốt,và tại sao nó đã trở thành một tiêu chuẩn thực tế trong sản xuất đèn LED hiệu suất cao.
Tổng hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của đèn LED được điều chỉnh bởi sản phẩm của hai yếu tố chính:
EQE=IQE×LEE
Trong khi IQE phản ánh điện tử và lỗ kết hợp lại hiệu quả như thế nào để tạo ra các photon bên trong vùng hoạt động, LEE mô tả các photon thoát khỏi thiết bị hiệu quả như thế nào.
Trong các đèn LED dựa trên GaN được trồng trên nền sapphire, LEE thường giới hạn ở mức 30~40% trong thiết kế thông thường.
Sự không phù hợp chỉ số khúc xạ nghiêm trọng giữa GaN (n ≈ 2.4), sapphire (n ≈ 1.7) và không khí (n ≈ 1.0)
Tổng phản xạ bên trong (TIR) ở các giao diện phẳng
Photon bị mắc kẹt trong các lớp biểu trục và chất nền
Kết quả là, một phần lớn các photon được tạo ra trải qua nhiều phản xạ và cuối cùng được hấp thụ hoặc chuyển đổi thành nhiệt thay vì ánh sáng hữu ích.
Các chất nền sapphire phẳng có bề mặt mịn, phẳng, thường có định hướng c-plane (0001).
Chất lượng tinh thể cao
Sự ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời
Các quy trình sản xuất trưởng thành, hiệu quả về chi phí
Từ góc độ quang học, giao diện phẳng giới thiệu các con đường lan truyền photon có thể dự đoán và có hướng cao.Khi các photon được tạo ra trong khu vực hoạt động GaN đạt đến giao diện GaNN hoặc GaNN Sapphire ở góc vượt quá góc quan trọng, phản xạ nội bộ hoàn toàn xảy ra.
Các hậu quả bao gồm:
Sự giam giữ photon trong thiết bị
Tăng hấp thụ bằng điện cực và khiếm khuyết
Phân bố góc hạn chế của ánh sáng phát ra
Về cơ bản, nền sapphire phẳng cung cấp hỗ trợ tối thiểu trong việc vượt qua sự giam cầm quang học.
Một nền Sapphire được tạo ra bằng cách giới thiệu các cấu trúc quy mô vi mô hoặc nano định kỳ hoặc bán định kỳ trên bề mặt sapphire thông qua photolithography và quá trình khắc.
Các hình học PSS phổ biến bao gồm:
Các cấu trúc hình nón
Khu vòm bán cầu
Kim tự tháp
Các nón hình trụ hoặc cắt
Kích thước đặc trưng của các tính năng dao động từ sub-micron đến vài micrometer, với chiều cao, độ cao và chu kỳ làm việc được kiểm soát cẩn thận.
Bối hình ba chiều của PSS thay đổi góc ảnh hưởng địa phương tại các giao diện.Các photon mà nếu không sẽ trải qua phản xạ bên trong toàn bộ ở một ranh giới phẳng được chuyển hướng vào các góc bên trong nón thoát.
Điều này làm tăng đáng kể khả năng photon thoát ra khỏi thiết bị.
Các cấu trúc PSS giới thiệu nhiều sự kiện khúc xạ và phản xạ, dẫn đến:
Tiểu định ngẫu nhiên theo hướng của quỹ đạo photon
Tăng tương tác với giao diện thoát
Giảm thời gian cư trú của photon bên trong thiết bị
Tính thống kê, điều này cải thiện khả năng chiết xuất photon trước khi hấp thụ xảy ra.
Từ quan điểm mô hình quang học, PSS cư xử như một lớp chuyển đổi chỉ số khúc xạ hiệu quả.khu vực mô hình tạo ra một sự thay đổi chỉ số khúc xạ dần dần, giảm tổn thất phản xạ Fresnel.
Cơ chế này tương tự như lớp phủ chống phản xạ nhưng hoạt động thông qua quang học hình học chứ không phải can thiệp màng mỏng.
Bằng cách rút ngắn chiều dài đường đi của photon và giảm phản xạ lặp lại, PSS làm giảm xác suất hấp thụ bằng cách:
Máy liên lạc kim loại
Tình trạng lỗi
Sự hấp thụ chất mang tự do trong GaN
Điều này góp phần làm tăng hiệu quả và cải thiện hành vi nhiệt.
Ngoài quang học, PSS cũng cải thiện chất lượng biểu tràng qua các cơ chế phát triển quá mức biểu tràng bên (LEO):
Sự trật tự bắt nguồn từ giao diện sapphire GaN được chuyển hướng hoặc chấm dứt
mật độ trục trặc của sợi được giảm
Chất lượng vật liệu được cải thiện làm tăng độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị
Lợi ích kép này ư quang học và cấu trúc ư phân biệt PSS từ các phương pháp xử lý bề mặt quang học thuần túy.
| Parameter | Chất nền sapphire phẳng | Chất nền sapphire có hình mẫu |
|---|---|---|
| Topology bề mặt | Dòng | Mô hình vi mô hình / nano |
| Phân tán ánh sáng | Tối thiểu | Sức mạnh |
| Tổng phản xạ bên trong | Chủ yếu | Bị suy giảm đáng kể |
| Hiệu suất chiết xuất ánh sáng | Điểm khởi đầu | +20% đến +40% (thường) |
| Mật độ trật tự | cao hơn | Hạ |
| Sự phức tạp của sản xuất | Mức thấp | Trung bình |
| Chi phí | Hạ | cao hơn |
Lợi ích hiệu suất thực tế phụ thuộc vào hình học mẫu, bước sóng, thiết kế chip và bao bì.
Mặc dù có những lợi thế, PSS mang lại những thách thức thực tế:
Các bước lithography và khắc thêm tăng chi phí
Sự đồng nhất mô hình và độ sâu khắc phải được kiểm soát chặt chẽ
Thiết kế mô hình dưới tối ưu có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự đồng nhất epitaxial
Do đó, tối ưu hóa PSS là một nhiệm vụ đa ngành liên quan đến mô hình quang học, tăng trưởng biểu trục và kỹ thuật thiết bị.
Ngày nay, PSS không còn được coi là một cải tiến tùy chọn.và chiếu sáng màn hình ơi nó đã trở thành một công nghệ cơ bản.
Nhìn về phía trước:
Các thiết kế PSS tiên tiến đang được khám phá cho Mini LED và Micro LED
Các phương pháp tiếp cận lai kết hợp PSS với tinh thể quang tử hoặc kết cấu nano đang được nghiên cứu
Giảm chi phí và khả năng mở rộng mô hình vẫn là mục tiêu chính của ngành
Các chất nền Sapphire có mẫu đại diện cho một sự thay đổi cơ bản từ các vật liệu hỗ trợ thụ động sang các thành phần quang học và cấu trúc chức năng trong các thiết bị LED.Bằng cách giải quyết các mất mát chiết xuất ánh sáng ở chỗ gốc của chúng và phản xạ giao diện, PSS cho phép hiệu quả cao hơn, độ tin cậy được cải thiện và tính nhất quán hiệu suất tốt hơn.
Ngược lại, nền sapphire phẳng, mặc dù có thể sản xuất và kinh tế, vốn hạn chế trong khả năng hỗ trợ thế hệ LED hiệu quả cao tiếp theo.Khi công nghệ LED tiếp tục phát triển, PSS là một ví dụ rõ ràng về cách kỹ thuật vật liệu trực tiếp chuyển thành lợi ích hiệu suất ở cấp hệ thống.
Trong GaN dựa trên đèn diode phát sáng (LED), những tiến bộ liên tục trong sự phát triển epitaxial và thiết kế thiết bị đã đẩy hiệu quả lượng tử bên trong (IQE) gần với giới hạn lý thuyết của nó.hiệu suất ánh sáng tổng thể của đèn LED vẫn bị hạn chế cơ bản bởi hiệu suất khử ánh sáng (LEE)Vì sapphire vẫn là vật liệu nền thống trị cho GaN epitaxy, cấu trúc bề mặt của nó đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tổn thất quang học.Bài viết này cung cấp một so sánh sâu sắc giữa phẳngchất nền sapphirevà nền sapphire mô hình (PSS), giải thích cách PSS cải thiện hiệu quả chiết xuất ánh sáng thông qua các cơ chế quang học và tinh thể học đã được thiết lập tốt,và tại sao nó đã trở thành một tiêu chuẩn thực tế trong sản xuất đèn LED hiệu suất cao.
Tổng hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) của đèn LED được điều chỉnh bởi sản phẩm của hai yếu tố chính:
EQE=IQE×LEE
Trong khi IQE phản ánh điện tử và lỗ kết hợp lại hiệu quả như thế nào để tạo ra các photon bên trong vùng hoạt động, LEE mô tả các photon thoát khỏi thiết bị hiệu quả như thế nào.
Trong các đèn LED dựa trên GaN được trồng trên nền sapphire, LEE thường giới hạn ở mức 30~40% trong thiết kế thông thường.
Sự không phù hợp chỉ số khúc xạ nghiêm trọng giữa GaN (n ≈ 2.4), sapphire (n ≈ 1.7) và không khí (n ≈ 1.0)
Tổng phản xạ bên trong (TIR) ở các giao diện phẳng
Photon bị mắc kẹt trong các lớp biểu trục và chất nền
Kết quả là, một phần lớn các photon được tạo ra trải qua nhiều phản xạ và cuối cùng được hấp thụ hoặc chuyển đổi thành nhiệt thay vì ánh sáng hữu ích.
Các chất nền sapphire phẳng có bề mặt mịn, phẳng, thường có định hướng c-plane (0001).
Chất lượng tinh thể cao
Sự ổn định nhiệt và hóa học tuyệt vời
Các quy trình sản xuất trưởng thành, hiệu quả về chi phí
Từ góc độ quang học, giao diện phẳng giới thiệu các con đường lan truyền photon có thể dự đoán và có hướng cao.Khi các photon được tạo ra trong khu vực hoạt động GaN đạt đến giao diện GaNN hoặc GaNN Sapphire ở góc vượt quá góc quan trọng, phản xạ nội bộ hoàn toàn xảy ra.
Các hậu quả bao gồm:
Sự giam giữ photon trong thiết bị
Tăng hấp thụ bằng điện cực và khiếm khuyết
Phân bố góc hạn chế của ánh sáng phát ra
Về cơ bản, nền sapphire phẳng cung cấp hỗ trợ tối thiểu trong việc vượt qua sự giam cầm quang học.
Một nền Sapphire được tạo ra bằng cách giới thiệu các cấu trúc quy mô vi mô hoặc nano định kỳ hoặc bán định kỳ trên bề mặt sapphire thông qua photolithography và quá trình khắc.
Các hình học PSS phổ biến bao gồm:
Các cấu trúc hình nón
Khu vòm bán cầu
Kim tự tháp
Các nón hình trụ hoặc cắt
Kích thước đặc trưng của các tính năng dao động từ sub-micron đến vài micrometer, với chiều cao, độ cao và chu kỳ làm việc được kiểm soát cẩn thận.
Bối hình ba chiều của PSS thay đổi góc ảnh hưởng địa phương tại các giao diện.Các photon mà nếu không sẽ trải qua phản xạ bên trong toàn bộ ở một ranh giới phẳng được chuyển hướng vào các góc bên trong nón thoát.
Điều này làm tăng đáng kể khả năng photon thoát ra khỏi thiết bị.
Các cấu trúc PSS giới thiệu nhiều sự kiện khúc xạ và phản xạ, dẫn đến:
Tiểu định ngẫu nhiên theo hướng của quỹ đạo photon
Tăng tương tác với giao diện thoát
Giảm thời gian cư trú của photon bên trong thiết bị
Tính thống kê, điều này cải thiện khả năng chiết xuất photon trước khi hấp thụ xảy ra.
Từ quan điểm mô hình quang học, PSS cư xử như một lớp chuyển đổi chỉ số khúc xạ hiệu quả.khu vực mô hình tạo ra một sự thay đổi chỉ số khúc xạ dần dần, giảm tổn thất phản xạ Fresnel.
Cơ chế này tương tự như lớp phủ chống phản xạ nhưng hoạt động thông qua quang học hình học chứ không phải can thiệp màng mỏng.
Bằng cách rút ngắn chiều dài đường đi của photon và giảm phản xạ lặp lại, PSS làm giảm xác suất hấp thụ bằng cách:
Máy liên lạc kim loại
Tình trạng lỗi
Sự hấp thụ chất mang tự do trong GaN
Điều này góp phần làm tăng hiệu quả và cải thiện hành vi nhiệt.
Ngoài quang học, PSS cũng cải thiện chất lượng biểu tràng qua các cơ chế phát triển quá mức biểu tràng bên (LEO):
Sự trật tự bắt nguồn từ giao diện sapphire GaN được chuyển hướng hoặc chấm dứt
mật độ trục trặc của sợi được giảm
Chất lượng vật liệu được cải thiện làm tăng độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị
Lợi ích kép này ư quang học và cấu trúc ư phân biệt PSS từ các phương pháp xử lý bề mặt quang học thuần túy.
| Parameter | Chất nền sapphire phẳng | Chất nền sapphire có hình mẫu |
|---|---|---|
| Topology bề mặt | Dòng | Mô hình vi mô hình / nano |
| Phân tán ánh sáng | Tối thiểu | Sức mạnh |
| Tổng phản xạ bên trong | Chủ yếu | Bị suy giảm đáng kể |
| Hiệu suất chiết xuất ánh sáng | Điểm khởi đầu | +20% đến +40% (thường) |
| Mật độ trật tự | cao hơn | Hạ |
| Sự phức tạp của sản xuất | Mức thấp | Trung bình |
| Chi phí | Hạ | cao hơn |
Lợi ích hiệu suất thực tế phụ thuộc vào hình học mẫu, bước sóng, thiết kế chip và bao bì.
Mặc dù có những lợi thế, PSS mang lại những thách thức thực tế:
Các bước lithography và khắc thêm tăng chi phí
Sự đồng nhất mô hình và độ sâu khắc phải được kiểm soát chặt chẽ
Thiết kế mô hình dưới tối ưu có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự đồng nhất epitaxial
Do đó, tối ưu hóa PSS là một nhiệm vụ đa ngành liên quan đến mô hình quang học, tăng trưởng biểu trục và kỹ thuật thiết bị.
Ngày nay, PSS không còn được coi là một cải tiến tùy chọn.và chiếu sáng màn hình ơi nó đã trở thành một công nghệ cơ bản.
Nhìn về phía trước:
Các thiết kế PSS tiên tiến đang được khám phá cho Mini LED và Micro LED
Các phương pháp tiếp cận lai kết hợp PSS với tinh thể quang tử hoặc kết cấu nano đang được nghiên cứu
Giảm chi phí và khả năng mở rộng mô hình vẫn là mục tiêu chính của ngành
Các chất nền Sapphire có mẫu đại diện cho một sự thay đổi cơ bản từ các vật liệu hỗ trợ thụ động sang các thành phần quang học và cấu trúc chức năng trong các thiết bị LED.Bằng cách giải quyết các mất mát chiết xuất ánh sáng ở chỗ gốc của chúng và phản xạ giao diện, PSS cho phép hiệu quả cao hơn, độ tin cậy được cải thiện và tính nhất quán hiệu suất tốt hơn.
Ngược lại, nền sapphire phẳng, mặc dù có thể sản xuất và kinh tế, vốn hạn chế trong khả năng hỗ trợ thế hệ LED hiệu quả cao tiếp theo.Khi công nghệ LED tiếp tục phát triển, PSS là một ví dụ rõ ràng về cách kỹ thuật vật liệu trực tiếp chuyển thành lợi ích hiệu suất ở cấp hệ thống.
