Blog -Details

Bei GaN-basierten Leuchtdioden (LEDs) haben kontinuierliche Fortschritte beim epitaktischen Wachstum und beim Gerätedesign die interne Quanteneffizienz (IQE) nahe an ihre theoretische Grenze gebracht. Allerdings wird die Gesamtlichtausbeute von LEDs grundsätzlich durch die Lichtextraktionseffizienz (LEE) begrenzt. Da Saphir nach wie vor das dominierende Substratmaterial für die GaN-Epitaxie ist, spielt seine Oberflächenstruktur eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung optischer Verluste. Dieser Artikel bietet einen ausführlichen Vergleich zwischen FlatSaphirsubstrateund strukturierte Saphirsubstrate (PSS) und erklärt, wie PSS die Lichtextraktionseffizienz durch gut etablierte optische und kristallografische Mechanismen verbessert und warum es zu einem De-facto-Standard in der Hochleistungs-LED-Herstellung geworden ist.

1. Warum die Lichtextraktionseffizienz die LED-Leistung einschränkt

Die gesamte externe Quanteneffizienz (EQE) einer LED wird durch das Produkt zweier Schlüsselfaktoren bestimmt:

EQE=IQE×LEE

Während IQE widerspiegelt, wie effizient Elektronen und Löcher rekombinieren, um Photonen innerhalb der aktiven Region zu erzeugen, beschreibt LEE, wie effektiv diese Photonen das Gerät verlassen.

Bei auf Saphirsubstraten gewachsenen GaN-basierten LEDs ist der LEE in herkömmlichen Designs typischerweise auf 30–40 % begrenzt. Zu den Hauptgründen gehören:

• Schwere Brechungsindex-Diskrepanz zwischen GaN (n ≈ 2,4), Saphir (n ≈ 1,7) und Luft (n ≈ 1,0)

• Totale interne Reflexion (TIR) ​​an flachen Grenzflächen

• Photoneneinfang innerhalb der Epitaxieschichten und des Substrats

Infolgedessen wird ein großer Teil der erzeugten Photonen mehrfach reflektiert und schließlich absorbiert oder in Wärme statt in nutzbares Licht umgewandelt.

2. Flache Saphirsubstrate: Strukturelle Einfachheit, optische Einschränkungen

2.1 Strukturmerkmale

Flache Saphirsubstrate weisen eine glatte, planare Oberfläche auf, typischerweise mit einer C-Ebenen-Ausrichtung (0001). Sie sind weit verbreitet, weil:

• Hohe kristalline Qualität

• Hervorragende thermische und chemische Stabilität

• Ausgereifte, kostengünstige Herstellungsprozesse

2.2 Optisches Verhalten

Aus optischer Sicht führen flache Grenzflächen zu vorhersagbaren und stark gerichteten Photonenausbreitungspfaden. Wenn im aktiven GaN-Bereich erzeugte Photonen die GaN-Luft- oder GaN-Saphir-Grenzfläche in Winkeln erreichen, die den kritischen Winkel überschreiten, kommt es zur Totalreflexion.

Zu den Folgen gehören:

• Photoneneinschluss innerhalb des Geräts

• Erhöhte Absorption durch Elektroden und Defekte

• Begrenzte Winkelverteilung des emittierten Lichts

Im Wesentlichen bieten flache Saphirsubstrate nur minimale Hilfe bei der Überwindung optischer Einschränkungen.

3. Gemustertes Saphirsubstrat (PSS): Konzept und Struktur

Ein gemustertes Saphirsubstrat (PSS) entsteht durch das Einbringen periodischer oder quasiperiodischer mikro- oder nanoskaliger Strukturen auf die Saphiroberfläche durch Fotolithographie und Ätzprozesse.

Zu den gängigen PSS-Geometrien gehören:

• Konische Strukturen

• Halbkugelförmige Kuppeln

• Pyramiden

• Zylindrische oder kegelstumpfförmige Formen

Typische Strukturgrößen reichen von Submikron bis zu mehreren Mikrometern, wobei Höhe, Abstand und Arbeitszyklus sorgfältig kontrolliert werden.

4. Wie PSS die Effizienz der Lichtextraktion verbessert

4.1 Unterdrückung der Totalreflexion

Die dreidimensionale Topologie von PSS verändert den lokalen Einfallswinkel an Grenzflächen. Photonen, die sonst an einer flachen Grenze einer Totalreflexion unterliegen würden, werden innerhalb des Austrittskegels in Winkel umgelenkt.

Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass Photonen das Gerät verlassen, erheblich.

4.2 Verbesserte optische Streuung und Pfadrandomisierung

PSS-Strukturen führen zu mehreren Brechungs- und Reflexionsereignissen, was zu Folgendem führt:

• Richtungsrandomisierung von Photonenbahnen

• Erhöhte Interaktion mit Escape-Schnittstellen

• Reduzierte Verweilzeit der Photonen im Gerät

Statistisch gesehen erhöht dies die Wahrscheinlichkeit einer Photonenextraktion, bevor eine Absorption auftritt.

4.3 Effektive Brechungsindex-Einstufung

Aus Sicht der optischen Modellierung verhält sich PSS wie eine Übergangsschicht mit effektivem Brechungsindex. Anstelle eines abrupten Übergangs von GaN zu Luft erzeugt der strukturierte Bereich eine allmähliche Variation des Brechungsindex, wodurch Fresnel-Reflexionsverluste reduziert werden.

Dieser Mechanismus ähnelt konzeptionell Antireflexbeschichtungen, funktioniert jedoch durch geometrische Optik und nicht durch Dünnschichtinterferenz.

4.4 Indirekte Reduzierung optischer Absorptionsverluste

Durch die Verkürzung der Photonenpfadlängen und die Reduzierung wiederholter Reflexionen verringert PSS die Absorptionswahrscheinlichkeit um:

• Metallkontakte

• Fehlerzustände

• Absorption freier Träger in GaN

Dies trägt sowohl zu einem höheren Wirkungsgrad als auch zu einem verbesserten thermischen Verhalten bei.

5. Zusätzliche Vorteile: Verbesserung der Kristallqualität

Über die Optik hinaus verbessert PSS auch die epitaktische Qualität durch Mechanismen des lateralen epitaktischen Überwachsens (LEO):

• Versetzungen, die an der Saphir-GaN-Grenzfläche entstehen, werden umgeleitet oder beendet

• Die Dichte der Gewindeversetzungen wird verringert

• Eine verbesserte Materialqualität erhöht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Geräts

Dieser doppelte Vorteil – optischer und struktureller – unterscheidet PSS von rein optischen Oberflächenbehandlungen.

6. Quantitativer Vergleich: PSS vs. flaches Saphirsubstrat

Die tatsächlichen Leistungssteigerungen hängen von der Mustergeometrie, der Wellenlänge, dem Chipdesign und der Verpackung ab.

7. Kompromisse und technische Überlegungen

Trotz seiner Vorteile bringt PSS praktische Herausforderungen mit sich:

• Zusätzliche Lithographie- und Ätzschritte erhöhen die Kosten

• Die Gleichmäßigkeit des Musters und die Ätztiefe müssen streng kontrolliert werden

• Suboptimale Musterdesigns können sich negativ auf die Gleichmäßigkeit der Epitaxie auswirken

Daher ist die PSS-Optimierung eine multidisziplinäre Aufgabe, die optische Modellierung, epitaktisches Wachstum und Gerätetechnik umfasst.

8. Branchenperspektive und Zukunftsaussichten

Heute gilt PSS nicht mehr als optionale Erweiterung. In LED-Anwendungen mittlerer und hoher Leistung – einschließlich Allgemeinbeleuchtung, Automobilbeleuchtung und Display-Hintergrundbeleuchtung – ist sie zu einer Basistechnologie geworden.

Ich freue mich auf:

• Für Mini-LED und Micro-LED werden fortschrittliche PSS-Designs untersucht

• Hybridansätze, die PSS mit photonischen Kristallen oder Nanotexturierung kombinieren, werden derzeit untersucht

• Kostenreduzierung und Musterskalierbarkeit bleiben wichtige Branchenziele

Abschluss

Gemusterte Saphirsubstrate stellen einen grundlegenden Wandel von passiven Trägermaterialien hin zu funktionellen optischen und strukturellen Komponenten in LED-Geräten dar. Durch die Beseitigung von Lichtextraktionsverlusten an der Wurzel – optischer Einschluss und Grenzflächenreflexion – ermöglicht PSS eine höhere Effizienz, verbesserte Zuverlässigkeit und bessere Leistungskonsistenz.

Im Gegensatz dazu sind flache Saphirsubstrate zwar herstellbar und wirtschaftlich, aber von Natur aus nur begrenzt in der Lage, hocheffiziente LEDs der nächsten Generation zu unterstützen. Da sich die LED-Technologie ständig weiterentwickelt, ist PSS ein klares Beispiel dafür, wie sich Materialtechnik direkt in Leistungssteigerungen auf Systemebene niederschlägt.