GaN 기반의 빛 방출 다이오드 (LED) 에서, 대동성 성장과 장치 설계의 지속적인 발전은 내부 양자 효율 (IQE) 을 이론적 한계 가까이 밀어 넣었습니다.LED의 전체 빛 효율은 여전히 빛 추출 효율 (LEE) 에 의해 근본적으로 제한됩니다.사파이어는 GaN 에피택시의 지배적인 기판 물질로 남아 있기 때문에 표면 구조는 광적 손실을 결정하는 데 중요한 역할을합니다.이 기사에서는 평면과 평면 사이의 깊은 비교를 제공합니다.사피르 기판그리고 패턴된 사파이어 기판 (PSS), PSS가 잘 정립된 광학 및 결정학적 메커니즘을 통해 빛 추출 효율을 향상시키는 방법을 설명합니다.그리고 왜 그것은 고성능 LED 제조에서 사실상 표준이 되었는지.
LED의 전체 외부 양자 효율 (EQE) 은 두 가지 핵심 요소의 곱에 의해 결정됩니다.
EQE=IQE×LEE
IQE는 전자와 구멍이 얼마나 효율적으로 재결합하여 활성 영역 내부에서 광자를 생성하는지를 반영하지만, LEE는 그 광자가 장치에서 얼마나 효과적으로 빠져나가는지를 설명합니다.
가안 (GaN) 기반의 LED에서 사피르 기판에서 자라는 경우, LEE는 일반적으로 전통적인 설계에서 30~40%로 제한됩니다. 주요 이유는 다음과 같습니다:
GaN (n ≈ 2.4) 와 사파이어 (n ≈ 1.7) 와 공기 (n ≈ 1.0) 사이의 심각한 굴절 지수 불일치
평면 인터페이스에서 전체 내부 반사 (TIR)
광자 포획 (photon trapping) 에피타시얼 층과 기판
그 결과 생성된 광자의 많은 부분이 여러 번 반사되어 결국에는 유용한 빛보다는 흡수되거나 열으로 변환됩니다.
평평한 사파이어 기판은 평평하고 평평한 표면을 특징으로하며, 일반적으로 c 평면 (0001) 지향을 가지고 있습니다.
높은 결정성
우수한 열 및 화학 안정성
성숙하고 비용 효율적인 제조 프로세스
광학적 관점에서 평면 인터페이스는 예측 가능하고 매우 방향적인 광자 전파 경로를 도입합니다.GaN 활성 영역에서 생성된 광자가 GaN 윗면 또는 GaN 윗면으로 도달하면, 전체 내부 반사 현상이 발생합니다.
그 결과 는 다음과 같다.
장치 안의 광자 격리
전극 및 결함에 의한 흡수 증가
방출된 빛의 제한된 각 분포
본질적으로, 평평한 사파이어 기판은 광적 봉쇄를 극복하는 데 최소한의 도움을 제공합니다.
패턴화된 사파이어 기판 (PSS) 은 사파이어 표면에 주기적 또는 준 주기적 미세 또는 나노 규모 구조를 사진 리토그래피 및 발열 과정을 통해 도입하여 생성됩니다.
일반적인 PSS 기하학은 다음과 같습니다.
피침형 구조
반구 모양의 돔
피라미드
원통형 또는 줄인 피침형
전형적인 특징 크기는 미크론 이하에서 몇 미크로미터까지 다양하며 높이, 피치 및 작업 주기가 신중하게 제어됩니다.
PSS의 3차원 토폴로지는 인터페이스에서 지역 부각을 변경합니다.평평한 경계에서 완전히 내부 반사되는 광선은 탈출 피침 안에 있는 각로 다시 방향을 바꿉니다..
이것은 광자가 장치에서 빠져나가는 확률을 크게 증가시킵니다.
PSS 구조는 여러 가지 굴절 및 반사 이벤트를 도입하여 다음과 같습니다.
광자 궤도의 방향적 무작위화
탈출 인터페이스와의 상호 작용 증가
장치 안의 광자의 체류 시간이 줄어들기
통계적으로, 이것은 흡수가 일어나기 전에 광자의 추출의 가능성을 향상시킵니다.
광학 모델링 관점에서, PSS는 효과적인 굴절 지수 전환층으로 행동합니다. GaN에서 공기로 급격한 변화 대신에,패턴이 있는 영역은 점진적인 굴절 지수 변화를 만듭니다., 프레넬 반사 손실을 줄입니다.
이 메커니즘은 반사 방지 코팅과 개념적으로 유사하지만 얇은 필름 간섭보다는 기하학적 광학을 통해 작동합니다.
광자의 경로 길이를 단축하고 반복 반사를 줄임으로써, PSS는 흡수 가능성을 감소시킵니다.
금속 접촉기
결함 상태
GaN에서 자유로운 운반자 흡수
이것은 더 높은 효율과 더 나은 열행동에 기여합니다.
광학 이외에도 PSS는 측근 측근 부풀이 (LEO) 메커니즘을 통해 부풀이 질을 향상시킵니다.
사파이어 √ 가안 인터페이스에서 발생하는 변동이 다시 방향을 바꾸거나 종료됩니다.
스레딩 굴절 밀도가 감소합니다
향상 된 재료 품질은 장치의 신뢰성 및 수명을 향상시킵니다.
이 두 가지 혜택은 광학 및 구조적으로 PSS를 순수 광학 표면 처리에서 구별합니다.
| 매개 변수 | 평평한 사피어 기판 | 패턴이 있는 사파이어 기판 |
|---|---|---|
| 표면 토폴로지 | 평면 | 마이크로/나노 패턴 |
| 빛의 산란 | 최소 | 강한 |
| 전체 내부 반사 | 지배적 | 상당히 억제되었습니다. |
| 빛 추출 효율 | 기본 기준 | +20% ~ +40% (유례적으로) |
| 위장 밀도 | 더 높은 | 아래쪽 |
| 제조의 복잡성 | 낮은 | 중간 |
| 비용 | 아래쪽 | 더 높은 |
실제 성능 향상은 패턴 기하학, 파장, 칩 설계 및 포장에 달려 있습니다.
PSS의 장점에도 불구하고, PSS는 실용적인 과제를 제시합니다.
추가 리토그래피 및 에칭 단계 비용 증가
패턴의 균일성 및 발각 깊이는 엄격하게 통제되어야 합니다.
최저 패턴 디자인은 부피동맥 균일성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
따라서, PSS 최적화는 광학 모델링, 대동성 성장 및 장치 엔지니어링을 포함하는 다학제 작업입니다.
오늘날, PSS는 더 이상 선택적 인 향상으로 간주되지 않습니다. 일반 조명, 자동차 조명,그리고 디스플레이 백글라이트는 기본 기술이 되었습니다..
앞을 바라보고 있습니다.
미니 LED 및 마이크로 LED를 위한 고급 PSS 설계가 탐구되고 있습니다.
광성 결정 또는 나노 텍스처링과 PSS를 결합하는 하이브리드 접근 방식이 조사 중입니다.
비용 절감 및 패턴 확장성은 여전히 산업의 주요 목표입니다.
패턴화된 사피어 기판은 LED 장치의 수동 지원 재료에서 기능적인 광학 및 구조 구성 요소로 근본적인 전환을 나타냅니다.빛 추출 손실을 뿌리에서 해결하고 광적 격리 및 인터페이스 반사 PSS는 더 높은 효율을 가능하게합니다, 향상된 신뢰성, 그리고 더 나은 성능 일관성
반면 평면 사파이어 기판은 제조 가능하고 경제적이지만 차세대 고효율 LED를 지원하는 능력은 본질적으로 제한적입니다.LED 기술이 계속 발전함에 따라, PSS는 재료 공학이 시스템 수준의 성능 향상에 직접적으로 변환되는 방법에 대한 분명한 예입니다.
GaN 기반의 빛 방출 다이오드 (LED) 에서, 대동성 성장과 장치 설계의 지속적인 발전은 내부 양자 효율 (IQE) 을 이론적 한계 가까이 밀어 넣었습니다.LED의 전체 빛 효율은 여전히 빛 추출 효율 (LEE) 에 의해 근본적으로 제한됩니다.사파이어는 GaN 에피택시의 지배적인 기판 물질로 남아 있기 때문에 표면 구조는 광적 손실을 결정하는 데 중요한 역할을합니다.이 기사에서는 평면과 평면 사이의 깊은 비교를 제공합니다.사피르 기판그리고 패턴된 사파이어 기판 (PSS), PSS가 잘 정립된 광학 및 결정학적 메커니즘을 통해 빛 추출 효율을 향상시키는 방법을 설명합니다.그리고 왜 그것은 고성능 LED 제조에서 사실상 표준이 되었는지.
LED의 전체 외부 양자 효율 (EQE) 은 두 가지 핵심 요소의 곱에 의해 결정됩니다.
EQE=IQE×LEE
IQE는 전자와 구멍이 얼마나 효율적으로 재결합하여 활성 영역 내부에서 광자를 생성하는지를 반영하지만, LEE는 그 광자가 장치에서 얼마나 효과적으로 빠져나가는지를 설명합니다.
가안 (GaN) 기반의 LED에서 사피르 기판에서 자라는 경우, LEE는 일반적으로 전통적인 설계에서 30~40%로 제한됩니다. 주요 이유는 다음과 같습니다:
GaN (n ≈ 2.4) 와 사파이어 (n ≈ 1.7) 와 공기 (n ≈ 1.0) 사이의 심각한 굴절 지수 불일치
평면 인터페이스에서 전체 내부 반사 (TIR)
광자 포획 (photon trapping) 에피타시얼 층과 기판
그 결과 생성된 광자의 많은 부분이 여러 번 반사되어 결국에는 유용한 빛보다는 흡수되거나 열으로 변환됩니다.
평평한 사파이어 기판은 평평하고 평평한 표면을 특징으로하며, 일반적으로 c 평면 (0001) 지향을 가지고 있습니다.
높은 결정성
우수한 열 및 화학 안정성
성숙하고 비용 효율적인 제조 프로세스
광학적 관점에서 평면 인터페이스는 예측 가능하고 매우 방향적인 광자 전파 경로를 도입합니다.GaN 활성 영역에서 생성된 광자가 GaN 윗면 또는 GaN 윗면으로 도달하면, 전체 내부 반사 현상이 발생합니다.
그 결과 는 다음과 같다.
장치 안의 광자 격리
전극 및 결함에 의한 흡수 증가
방출된 빛의 제한된 각 분포
본질적으로, 평평한 사파이어 기판은 광적 봉쇄를 극복하는 데 최소한의 도움을 제공합니다.
패턴화된 사파이어 기판 (PSS) 은 사파이어 표면에 주기적 또는 준 주기적 미세 또는 나노 규모 구조를 사진 리토그래피 및 발열 과정을 통해 도입하여 생성됩니다.
일반적인 PSS 기하학은 다음과 같습니다.
피침형 구조
반구 모양의 돔
피라미드
원통형 또는 줄인 피침형
전형적인 특징 크기는 미크론 이하에서 몇 미크로미터까지 다양하며 높이, 피치 및 작업 주기가 신중하게 제어됩니다.
PSS의 3차원 토폴로지는 인터페이스에서 지역 부각을 변경합니다.평평한 경계에서 완전히 내부 반사되는 광선은 탈출 피침 안에 있는 각로 다시 방향을 바꿉니다..
이것은 광자가 장치에서 빠져나가는 확률을 크게 증가시킵니다.
PSS 구조는 여러 가지 굴절 및 반사 이벤트를 도입하여 다음과 같습니다.
광자 궤도의 방향적 무작위화
탈출 인터페이스와의 상호 작용 증가
장치 안의 광자의 체류 시간이 줄어들기
통계적으로, 이것은 흡수가 일어나기 전에 광자의 추출의 가능성을 향상시킵니다.
광학 모델링 관점에서, PSS는 효과적인 굴절 지수 전환층으로 행동합니다. GaN에서 공기로 급격한 변화 대신에,패턴이 있는 영역은 점진적인 굴절 지수 변화를 만듭니다., 프레넬 반사 손실을 줄입니다.
이 메커니즘은 반사 방지 코팅과 개념적으로 유사하지만 얇은 필름 간섭보다는 기하학적 광학을 통해 작동합니다.
광자의 경로 길이를 단축하고 반복 반사를 줄임으로써, PSS는 흡수 가능성을 감소시킵니다.
금속 접촉기
결함 상태
GaN에서 자유로운 운반자 흡수
이것은 더 높은 효율과 더 나은 열행동에 기여합니다.
광학 이외에도 PSS는 측근 측근 부풀이 (LEO) 메커니즘을 통해 부풀이 질을 향상시킵니다.
사파이어 √ 가안 인터페이스에서 발생하는 변동이 다시 방향을 바꾸거나 종료됩니다.
스레딩 굴절 밀도가 감소합니다
향상 된 재료 품질은 장치의 신뢰성 및 수명을 향상시킵니다.
이 두 가지 혜택은 광학 및 구조적으로 PSS를 순수 광학 표면 처리에서 구별합니다.
| 매개 변수 | 평평한 사피어 기판 | 패턴이 있는 사파이어 기판 |
|---|---|---|
| 표면 토폴로지 | 평면 | 마이크로/나노 패턴 |
| 빛의 산란 | 최소 | 강한 |
| 전체 내부 반사 | 지배적 | 상당히 억제되었습니다. |
| 빛 추출 효율 | 기본 기준 | +20% ~ +40% (유례적으로) |
| 위장 밀도 | 더 높은 | 아래쪽 |
| 제조의 복잡성 | 낮은 | 중간 |
| 비용 | 아래쪽 | 더 높은 |
실제 성능 향상은 패턴 기하학, 파장, 칩 설계 및 포장에 달려 있습니다.
PSS의 장점에도 불구하고, PSS는 실용적인 과제를 제시합니다.
추가 리토그래피 및 에칭 단계 비용 증가
패턴의 균일성 및 발각 깊이는 엄격하게 통제되어야 합니다.
최저 패턴 디자인은 부피동맥 균일성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
따라서, PSS 최적화는 광학 모델링, 대동성 성장 및 장치 엔지니어링을 포함하는 다학제 작업입니다.
오늘날, PSS는 더 이상 선택적 인 향상으로 간주되지 않습니다. 일반 조명, 자동차 조명,그리고 디스플레이 백글라이트는 기본 기술이 되었습니다..
앞을 바라보고 있습니다.
미니 LED 및 마이크로 LED를 위한 고급 PSS 설계가 탐구되고 있습니다.
광성 결정 또는 나노 텍스처링과 PSS를 결합하는 하이브리드 접근 방식이 조사 중입니다.
비용 절감 및 패턴 확장성은 여전히 산업의 주요 목표입니다.
패턴화된 사피어 기판은 LED 장치의 수동 지원 재료에서 기능적인 광학 및 구조 구성 요소로 근본적인 전환을 나타냅니다.빛 추출 손실을 뿌리에서 해결하고 광적 격리 및 인터페이스 반사 PSS는 더 높은 효율을 가능하게합니다, 향상된 신뢰성, 그리고 더 나은 성능 일관성
반면 평면 사파이어 기판은 제조 가능하고 경제적이지만 차세대 고효율 LED를 지원하는 능력은 본질적으로 제한적입니다.LED 기술이 계속 발전함에 따라, PSS는 재료 공학이 시스템 수준의 성능 향상에 직접적으로 변환되는 방법에 대한 분명한 예입니다.
