Detalles del Blog

En los diodos emisores de luz (LED) basados en GaN, los continuos avances en el crecimiento epitaxial y el diseño del dispositivo han llevado la eficiencia cuántica interna (IQE) cerca de su límite teórico.la eficiencia luminosa general de los LED sigue estando fundamentalmente limitada por la eficiencia de extracción de luz (LEE)Como el zafiro sigue siendo el material de sustrato dominante para la epitaxia de GaN, su estructura superficial juega un papel crítico en la determinación de las pérdidas ópticas.Este artículo proporciona una comparación en profundidad entre el planosustratos de zafiroy sustratos de zafiro con patrón (PSS), explicando cómo el PSS mejora la eficiencia de extracción de luz mediante mecanismos ópticos y cristalográficos bien establecidos,y por qué se ha convertido en un estándar de facto en la fabricación de LED de alto rendimiento.

1. Por qué la eficiencia de extracción de luz limita el rendimiento de los LED

La eficiencia cuántica externa total (EQE) de un LED se rige por el producto de dos factores clave:

EQE=EQE×En el caso de las

Mientras que IQE refleja la eficiencia con la que los electrones y los agujeros se recombinan para generar fotones dentro de la región activa, LEE describe la eficacia con la que esos fotones escapan del dispositivo.

En los LEDs basados en GaN cultivados en sustratos de zafiro, el LEE está típicamente limitado a 30~40% en los diseños convencionales.

• Desajuste grave del índice de refracción entre GaN (n ≈ 2.4), zafiro (n ≈ 1.7) y aire (n ≈ 1.0)

• Reflexión interna total (TIR) en las interfaces planas

• Captura de fotones dentro de las capas epitaxiales y el sustrato

Como resultado, una gran fracción de los fotones generados experimentan múltiples reflejos y finalmente son absorbidos o convertidos en calor en lugar de luz útil.

2Substratos de zafiro plano: simplicidad estructural, limitaciones ópticas

2.1 Características estructurales

Los sustratos planos de zafiro presentan una superficie lisa y plana, típicamente con una orientación c-plano (0001).

• Alta calidad cristalina

• Excelente estabilidad térmica y química

• Procesos de fabricación maduros y rentables

2.2 Comportamiento óptico

Desde una perspectiva óptica, las interfaces planas introducen rutas de propagación de fotones predecibles y altamente direccionales.Cuando los fotones generados en la región activa de GaN llegan a la interfaz de GaN “aire” o GaN “zafiro” en ángulos superiores al ángulo crítico, se produce la reflexión interna total.

Las consecuencias incluyen:

• Confinamiento de fotones dentro del dispositivo

• Aumento de la absorción por electrodos y defectos

• Distribución angular limitada de la luz emitida

En esencia, los sustratos planos de zafiro proporcionan una asistencia mínima para superar el confinamiento óptico.

3Substrato de zafiro con patrón (PSS): concepto y estructura

Un sustrato de zafiro con patrón (PSS) se crea mediante la introducción de estructuras periódicas o cuasi-periódicas a micro o nanoescala en la superficie del zafiro a través de procesos de fotolitografía y grabado.

Las geometrías comunes del PSS incluyen:

• Estructuras cónicas

• Cúpulas hemisféricas

• Las pirámides

• Cones cilíndricos o truncados

Los tamaños típicos de las características van desde submicrones hasta varios micrómetros, con una altura, tono y ciclo de trabajo cuidadosamente controlados.

4Cómo el PSS mejora la eficiencia de la extracción de luz

4.1 Suprimción de la reflexión interna total

La topología tridimensional de PSS altera el ángulo de incidencia local en las interfaces.Los fotones que de otro modo sufrirían una reflexión interna total en un límite plano son redirigidos a ángulos dentro del cono de escape.

Esto aumenta significativamente la probabilidad de que los fotones salgan del dispositivo.

4.2 Dispersión óptica mejorada y aleatorización de trayectoria.

Las estructuras PSS introducen múltiples eventos de refracción y reflexión, lo que lleva a:

• Randomización direccional de las trayectorias de los fotones

• Aumento de la interacción con las interfaces de escape

• Reducción del tiempo de residencia del fotón dentro del dispositivo

Estadísticamente, esto mejora la probabilidad de extracción de fotones antes de que ocurra la absorción.

4.3 Calificación efectiva del índice de refracción

Desde una perspectiva de modelado óptico, el PSS se comporta como una capa de transición de índice de refracción eficaz.la región con patrón crea una variación gradual del índice de refracción, reduciendo las pérdidas de reflexión de Fresnel.

Este mecanismo es conceptualmente similar a los recubrimientos antirreflectores, pero opera a través de la óptica geométrica en lugar de la interferencia de película delgada.

4.4 Reducción indirecta de las pérdidas de absorción óptica

Al acortar las longitudes del camino del fotón y reducir las reflexiones repetidas, el PSS reduce la probabilidad de absorción:

• Contactos metálicos

• Estado de los defectos

• Absorción del portador libre en GaN

Esto contribuye tanto a una mayor eficiencia como a un mejor comportamiento térmico.

5- Beneficios adicionales: Mejora de la calidad de los cristales

Más allá de la óptica, PSS también mejora la calidad epitaxial a través de mecanismos de crecimiento excesivo epitaxial lateral (LEO):

• Las dislocaciones originadas en la interfaz zafiro-GaN se redirigen o terminan.

• Se reduce la densidad de dislocación del roscado

• La mejora de la calidad del material mejora la fiabilidad y la vida útil del dispositivo

Este doble beneficio óptico y estructural distingue el PSS de los tratamientos de superficie puramente ópticos.

6Comparación cuantitativa: PSS frente al sustrato de zafiro plano

Las ganancias reales de rendimiento dependen de la geometría del patrón, la longitud de onda, el diseño del chip y el embalaje.

7Compromiso y consideraciones de ingeniería

A pesar de sus ventajas, el PSS presenta desafíos prácticos:

• Los pasos adicionales de litografía y grabado aumentan el costo

• La uniformidad del patrón y la profundidad del grabado deben controlarse estrictamente.

• Los diseños de patrones subóptimos pueden afectar negativamente la uniformidad epitaxial

Por lo tanto, la optimización del PSS es una tarea multidisciplinaria que involucra el modelado óptico, el crecimiento epitaxial y la ingeniería de dispositivos.

8Perspectivas de la industria y perspectivas de futuro

Hoy en día, el PSS ya no se considera una mejora opcional.y la retroiluminación de la pantalla se ha convertido en una tecnología de base.

Mirando hacia adelante:

• Se están explorando diseños avanzados de PSS para Mini LED y Micro LED

• Se están investigando enfoques híbridos que combinan PSS con cristales fotónicos o nanotexturing

• La reducción de costes y la escalabilidad de patrones siguen siendo objetivos clave de la industria

Conclusión

Los sustratos de zafiro con patrón representan un cambio fundamental de los materiales de soporte pasivos a los componentes ópticos y estructurales funcionales en los dispositivos LED.Al abordar las pérdidas de extracción de luz en su confinamiento óptico de raíz y la reflexión de la interfaz, el PSS permite una mayor eficiencia, una mayor fiabilidad y una mayor consistencia de rendimiento.

Por el contrario, los sustratos planos de zafiro, aunque fabricables y económicos, son inherentemente limitados en su capacidad para soportar LEDs de alta eficiencia de próxima generación.A medida que la tecnología LED continúa evolucionando, PSS es un claro ejemplo de cómo la ingeniería de materiales se traduce directamente en mejoras de rendimiento a nivel del sistema.