Rincian Blog

Dalam GaN-based light-emitting diodes (LED), kemajuan berkelanjutan dalam pertumbuhan epitaxial dan desain perangkat telah mendorong efisiensi kuantum internal (IQE) mendekati batas teorinya.efisiensi cahaya keseluruhan LED tetap dibatasi secara mendasar oleh efisiensi ekstraksi cahaya (LEE)Karena safir tetap menjadi bahan substrat dominan untuk epitaksi GaN, struktur permukaannya memainkan peran penting dalam menentukan kerugian optik.Artikel ini memberikan perbandingan yang mendalam antara flatsubstrat safirdan substrat safir berpola (PSS), menjelaskan bagaimana PSS meningkatkan efisiensi ekstraksi cahaya melalui mekanisme optik dan kristallografi yang mapan,dan mengapa telah menjadi standar de facto dalam pembuatan LED berkinerja tinggi.

1. Mengapa Efisiensi Ekstraksi Cahaya Batasi Kinerja LED

Efisiensi kuantum eksternal total (EQE) dari LED diatur oleh produk dari dua faktor kunci:

EQE=IQE×LEE

Sementara IQE mencerminkan seberapa efisien elektron dan lubang menggabungkan kembali untuk menghasilkan foton di dalam wilayah aktif, LEE menggambarkan seberapa efektif foton tersebut melarikan diri dari perangkat.

Dalam LED berbasis GaN yang tumbuh pada substrat safir, LEE biasanya terbatas pada 30~40% dalam desain konvensional.

• Ketidaksesuaian indeks refraksi yang parah antara GaN (n ≈ 2.4), safir (n ≈ 1.7) dan udara (n ≈ 1.0)

• Total refleksi internal (TIR) pada antarmuka datar

• Penangkapan foton dalam lapisan epitaxial dan substrat

Akibatnya, sebagian besar foton yang dihasilkan mengalami refleksi ganda dan akhirnya diserap atau diubah menjadi panas daripada cahaya yang berguna.

2Substrat Safir Lempeng: Kesederhanaan Struktural, Batasan Optik

2.1 Karakteristik Struktural

Substrat safir datar memiliki permukaan yang halus dan rata, biasanya dengan orientasi c-plane (0001).

• Kualitas kristal yang tinggi

• Stabilitas termal dan kimia yang sangat baik

• Proses manufaktur yang matang dan hemat biaya

2.2 Perilaku optik

Dari perspektif optik, antarmuka datar memperkenalkan jalur penyebaran foton yang dapat diprediksi dan sangat berarah.Ketika foton yang dihasilkan di daerah aktif GaN mencapai antarmuka GaN ATAU GaN ATAU safir pada sudut yang melebihi sudut kritis, refleksi internal total terjadi.

Konsekuensi termasuk:

• Penangkapan foton di dalam perangkat

• Peningkatan penyerapan oleh elektroda dan cacat

• Distribusi sudut terbatas dari cahaya yang dipancarkan

Pada dasarnya, substrat safir datar memberikan bantuan minimal dalam mengatasi keterbatasan optik.

3Substrat Sapphire Patterned (PSS): Konsep dan Struktur

Sebuah Substrat Safir Berpola (PSS) dibuat dengan memperkenalkan struktur berskala mikro atau nano berkala periodik atau kuasi periodik ke permukaan safir melalui proses fotolitografi dan etching.

Geometri PSS umum meliputi:

• Struktur kerucut

• Kubah hemisferik

• Piramida

• Kerucut berbentuk silinder atau terpotong

Ukuran fitur khas berkisar dari sub-mikron hingga beberapa mikrometer, dengan ketinggian, pitch, dan siklus tugas yang dikontrol dengan cermat.

4Bagaimana PSS Meningkatkan Efisiensi Ekstraksi Cahaya

4.1 Penindasan Pencerminan Internal Total

Topologi tiga dimensi PSS mengubah sudut kejadian lokal di antarmuka.Foton yang sebaliknya akan mengalami refleksi internal total di batas datar diarahkan kembali ke sudut dalam kerucut pelarian.

Hal ini secara signifikan meningkatkan kemungkinan foton keluar dari perangkat.

4.2 Pemancar Optik yang ditingkatkan dan Randomisasi Jalur

Struktur PSS memperkenalkan beberapa peristiwa refraksi dan refleksi, yang menyebabkan:

• Randomisasi arah lintasan foton

• Peningkatan interaksi dengan antarmuka escape

• Mengurangi waktu tinggal foton di dalam perangkat

Secara statistik, ini meningkatkan kemungkinan ekstraksi foton sebelum penyerapan terjadi.

4.3 Pengelompokan Indeks Refraksi yang Efektif

Dari perspektif pemodelan optik, PSS berperilaku sebagai lapisan transisi indeks refraksi yang efektif.daerah berpola menciptakan variasi indeks bias bertahap, mengurangi kerugian refleksi Fresnel.

Mekanisme ini secara konseptual mirip dengan lapisan anti-refleksi tetapi beroperasi melalui optik geometris daripada interferensi film tipis.

4.4 Pengurangan tidak langsung dari kerugian penyerapan optik

Dengan memperpendek panjang jalur foton dan mengurangi refleksi berulang, PSS menurunkan probabilitas penyerapan dengan:

• Kontak logam

• Keadaan cacat

• Absorpsi pembawa bebas dalam GaN

Hal ini berkontribusi pada efisiensi yang lebih tinggi dan perilaku termal yang lebih baik.

5Manfaat tambahan: Peningkatan kualitas kristal

Di luar optik, PSS juga meningkatkan kualitas epitaxial melalui mekanisme overgrowth epitaxial lateral (LEO):

• Dislokasi yang berasal dari antarmuka sapphire GaN dialihkan atau diakhiri

• Densitas dislokasi benang berkurang

• Kualitas material yang lebih baik meningkatkan keandalan dan umur perangkat

Manfaat ganda ini, baik secara optik maupun struktural, membedakan PSS dari perawatan permukaan yang murni optik.

6Perbandingan kuantitatif: PSS vs Substrat Sapphire Flat

Keuntungan kinerja yang sebenarnya tergantung pada geometri pola, panjang gelombang, desain chip, dan kemasan.

7. Trade-offs dan Pertimbangan Teknik

Meskipun memiliki keuntungan, PSS membawa tantangan praktis:

• Litografi tambahan dan langkah-langkah etching meningkatkan biaya

• Keseragaman pola dan kedalaman ukiran harus dikontrol dengan ketat

• Desain pola suboptimal dapat berdampak negatif pada keseragaman epitaxial

Oleh karena itu, optimasi PSS adalah tugas multidisiplin yang melibatkan pemodelan optik, pertumbuhan epitaxial, dan rekayasa perangkat.

8Perspektif Industri dan Prospek Masa Depan

Saat ini, PSS tidak lagi dianggap sebagai peningkatan opsional.dan pencahayaan latar layar telah menjadi teknologi dasar.

Menatap ke depan:

• Desain PSS canggih sedang dieksplorasi untuk Mini LED dan Micro LED

• Pendekatan hibrida yang menggabungkan PSS dengan kristal fotonik atau tekstur nano sedang diselidiki

• Pengurangan biaya dan skalabilitas pola tetap menjadi tujuan utama industri

Kesimpulan

Substrat Sapphire berpola mewakili pergeseran mendasar dari bahan pendukung pasif ke komponen optik dan struktural fungsional dalam perangkat LED.Dengan mengatasi kehilangan ekstraksi cahaya di akar mereka ̇ pengekang optik dan interfaces refleksi ̇ PSS memungkinkan efisiensi yang lebih tinggi, peningkatan keandalan, dan konsistensi kinerja yang lebih baik.

Sebaliknya, substrat safir datar, meskipun dapat diproduksi dan ekonomis, secara inheren terbatas dalam kemampuan mereka untuk mendukung generasi LED efisiensi tinggi berikutnya.Sebagai teknologi LED terus berkembang, PSS adalah contoh yang jelas tentang bagaimana rekayasa bahan secara langsung diterjemahkan ke dalam peningkatan kinerja tingkat sistem.