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Nei diodi emettitori di luce (LED) a base di GaN, i continui progressi nella crescita epitaxiale e nella progettazione dei dispositivi hanno spinto l'efficienza quantistica interna (IQE) vicino al suo limite teorico.l'efficienza luminosa complessiva dei LED rimane sostanzialmente limitata dall'efficienza di estrazione della luce (LEE)Poiché lo zaffiro rimane il materiale di substrato dominante per l'epitaxia del GaN, la sua struttura superficiale svolge un ruolo fondamentale nel determinare le perdite ottiche.Questo articolo fornisce un confronto approfondito trasubstrati di zaffiroe dei substrati di zaffiro a modello (PSS), spiegando come il PSS migliora l'efficienza di estrazione della luce attraverso meccanismi ottici e cristallografici ben consolidati,e perché è diventato uno standard di fatto nella produzione di LED ad alte prestazioni.

1. Perché l' efficienza di estrazione della luce limita le prestazioni dei LED

L'efficienza quantistica esterna totale (EQE) di un LED è regolata dal prodotto di due fattori chiave:

EQE=IQE×LEE

Mentre IQE riflette l'efficienza con cui gli elettroni e i fori si ricombinano per generare fotoni all'interno della regione attiva, LEE descrive l'efficacia con cui quei fotoni sfuggono al dispositivo.

Nei LED a base di GaN coltivati su substrati di zaffiro, il LEE è tipicamente limitato al 30~40% nei progetti convenzionali.

• Disadattamento grave dell'indice di rifrazione tra GaN (n ≈ 2.4), zaffiro (n ≈ 1.7) e aria (n ≈ 1.0)

• Riflessione interna totale (TIR) alle interfacce piane

• intrappolamento dei fotoni all'interno degli strati epitaxiali e del substrato

Di conseguenza, una grande frazione dei fotoni generati subisce molteplici riflessioni e alla fine viene assorbita o convertita in calore piuttosto che luce utile.

2. Sottostrati di zaffiro piatto: semplicità strutturale, limitazioni ottiche

2.1 Caratteristiche strutturali

I substrati piatti di zaffiro presentano una superficie liscia e piana, in genere con un orientamento c-piano (0001).

• Alta qualità cristallina

• Ottima stabilità termica e chimica

• Processi di fabbricazione maturi ed economici

2.2 Comportamento ottico

Da una prospettiva ottica, le interfacce piane introducono percorsi di propagazione dei fotoni prevedibili e altamente direzionali.Quando i fotoni generati nella regione attiva del GaN raggiungono l'interfaccia GaN “aria” o GaN “saffiro” ad angoli superiori all'angolo critico, si verifica una riflessione interna totale.

Le conseguenze sono:

• Confinamento dei fotoni all'interno del dispositivo

• Aumento dell'assorbimento da parte degli elettrodi e difetti

• Distribuzione angolare limitata della luce emessa

In sostanza, i substrati piatti di zaffiro forniscono una minima assistenza nel superare il confinamento ottico.

3Sottostrato di zaffiro modellato (PSS): concetto e struttura

Un substrato di zaffiro modellato (PSS) viene creato introducendo strutture a micro o nano scala periodiche o quasi periodiche sulla superficie dello zaffiro attraverso processi di fotolitografia e incisione.

Le geometrie PSS comuni includono:

• Strutture coniche

• Cupole emisferiche

• Piramidi

• Coni cilindrici o troncati

Le dimensioni tipiche delle caratteristiche vanno da sotto-microne a diversi micrometri, con altezza, passo e ciclo di lavoro attentamente controllati.

4Come il PSS migliora l' efficienza di estrazione della luce

4.1 Suppressione del riflesso interno totale

La topologia tridimensionale di PSS altera l'angolo di incidenza locale alle interfacce.I fotoni che altrimenti subiranno una riflessione interna totale a un confine piatto vengono reindirizzati in angoli all'interno del cono di fuga.

Questo aumenta significativamente la probabilità che i fotoni escano dal dispositivo.

4.2 Diffusione ottica migliorata e randomizzazione del percorso

Le strutture PSS introducono più eventi di rifrazione e riflessione, portando a:

• Randomizzazione direzionale delle traiettorie dei fotoni

• Aumento dell'interazione con le interfacce di fuga

• Riduzione del tempo di permanenza del fotone all'interno del dispositivo

Statisticamente, questo migliora la probabilità di estrazione di fotoni prima che si verifichi l'assorbimento.

4.3 Classificazione efficace dell'indice di rifrazione

Dal punto di vista della modellazione ottica, il PSS si comporta come uno strato di transizione efficace dell'indice di rifrazione.la regione a modello crea una graduale variazione dell'indice di rifrazione, riducendo le perdite di riflessione di Fresnel.

Questo meccanismo è concettualmente simile ai rivestimenti antiriflesso, ma opera attraverso l'ottica geometrica piuttosto che l'interferenza a film sottile.

4.4 Riduzione indiretta delle perdite di assorbimento ottico

Accorciando le lunghezze del percorso dei fotoni e riducendo le riflessioni ripetute, il PSS riduce la probabilità di assorbimento:

• Contatti metallici

• Stati di difetto

• Assorbimento del vettore libero in GaN

Ciò contribuisce sia a una maggiore efficienza che a un miglior comportamento termico.

5- Ulteriori vantaggi: miglioramento della qualità dei cristalli

Oltre all'ottica, la PSS migliora anche la qualità epitaxiale attraverso meccanismi di crescita eccessiva epitaxiale laterale (LEO):

• Le lussazioni provenienti dall'interfaccia zaffiro-GaN vengono reindirizzate o terminate

• Diminuzione della densità di dislocazione del filo

• Una migliore qualità dei materiali migliora l'affidabilità e la durata del dispositivo

Questo duplice vantaggio, sia ottico che strutturale, distingue il PSS dai trattamenti superficiali puramente ottici.

6. Confronto quantitativo: PSS vs. Substrato di zaffiro piatto

I guadagni effettivi delle prestazioni dipendono dalla geometria del modello, dalla lunghezza d'onda, dalla progettazione del chip e dal packaging.

7- Compromessi e considerazioni ingegneristiche

Nonostante i suoi vantaggi, il PSS presenta delle sfide pratiche:

• Ulteriori fasi di litografia e incisione aumentano i costi

• L'uniformità del disegno e la profondità dell'incisione devono essere strettamente controllate

• Disegni di disegno subottimali possono avere un impatto negativo sull'uniformità epitaxiale

Pertanto, l'ottimizzazione del PSS è un compito multidisciplinare che coinvolge la modellazione ottica, la crescita epitaxiale e l'ingegneria dei dispositivi.

8Perspective dell'industria e prospettive future

Oggi, il PSS non è più considerato un miglioramento facoltativo.E' diventata una tecnologia di base..

Guardando avanti:

• Progetti PSS avanzati sono in fase di esplorazione per Mini LED e Micro LED

• Sono in fase di indagine approcci ibridi che combinano PSS con cristalli fotonici o nano-texturazione

• La riduzione dei costi e la scalabilità dei modelli rimangono obiettivi chiave del settore

Conclusioni

I substrati di zaffiro modellati rappresentano un cambiamento fondamentale dai materiali di supporto passivi ai componenti ottici e strutturali funzionali nei dispositivi a LED.Il PSS consente di aumentare l'efficienza, affrontando le perdite di estrazione luminosa alla radice del loro confinamento ottico e la riflessione dell'interfaccia, una maggiore affidabilità e una migliore coerenza delle prestazioni.

Al contrario, i substrati piatti di zaffiro, sebbene fabbricabili ed economici, sono intrinsecamente limitati nella loro capacità di supportare i LED ad alta efficienza di prossima generazione.Mentre la tecnologia LED continua ad evolversi, PSS è un chiaro esempio di come l'ingegneria dei materiali si traduca direttamente in miglioramenti delle prestazioni a livello di sistema.