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Dans les diodes électroluminescentes (LED) à base de GaN, les progrès continus dans la croissance épitaxielle et la conception des dispositifs ont poussé l'efficacité quantique interne (IQE) à se rapprocher de sa limite théorique.l'efficacité lumineuse globale des LED reste fondamentalement limitée par l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE)Comme le saphir reste le matériau de substrat dominant pour l'épitaxie du GaN, sa structure de surface joue un rôle essentiel dans la détermination des pertes optiques.Cet article fournit une comparaison approfondie entreSubstrats de saphiret des substrats de saphir à motifs (PSS), en expliquant comment le PSS améliore l'efficacité de l'extraction de la lumière grâce à des mécanismes optiques et cristallographiques bien établis,et pourquoi il est devenu une norme de facto dans la fabrication de LED haute performance.

1Pourquoi l'efficacité de l'extraction lumineuse limite les performances des LED

L'efficacité quantique externe totale (EQE) d'une LED est régie par le produit de deux facteurs clés:

EQE=Intellectuel×L'équipement

Alors que l'IQE reflète l'efficacité avec laquelle les électrons et les trous se recombinent pour générer des photons à l'intérieur de la région active, LEE décrit l'efficacité avec laquelle ces photons échappent à l'appareil.

Dans les LED à base de GaN cultivées sur des substrats de saphir, LEE est généralement limitée à 30 à 40% dans les conceptions conventionnelles.

• Décalage grave de l'indice de réfraction entre le GaN (n ≈ 2,4), le saphir (n ≈ 1,7) et l'air (n ≈ 1,0)

• Réflexion interne totale (RIT) aux interfaces planes

• Capture de photons dans les couches épitaxiennes et le substrat

En conséquence, une grande fraction des photons générés subissent de multiples réflexions et sont finalement absorbés ou convertis en chaleur plutôt qu'en lumière utile.

2Substrats de saphir plat: simplicité structurelle, limites optiques

2.1 Caractéristiques structurelles

Les substrats de saphir plat présentent une surface plane et lisse, généralement avec une orientation c-plan (0001).

• Qualité cristalline élevée

• Excellente stabilité thermique et chimique

• Des procédés de fabrication matures et rentables

2.2 Comportement optique

D'un point de vue optique, les interfaces plates introduisent des voies de propagation de photons prévisibles et très directionnelles.Lorsque les photons générés dans la région active de GaN atteignent l'interface de GaN ′air ou de GaN ′saphir à des angles supérieurs à l'angle critique, une réflexion interne totale se produit.

Les conséquences sont les suivantes:

• Confinement des photons à l'intérieur du dispositif

• Augmentation de l'absorption par les électrodes et défauts

• Distribution angulaire limitée de la lumière émise

En substance, les substrats plats en saphir fournissent une assistance minimale pour surmonter le confinement optique.

3Substrate de saphir à motifs (PSS): concept et structure

Un substrat de saphir à motifs (PSS) est créé en introduisant des structures périodiques ou quasi périodiques à l'échelle micro ou nano sur la surface du saphir par des processus de photolithographie et de gravure.

Les géométries communes du PSS comprennent:

• Structures coniques

• Dôme hémisphérique

• Les pyramides

• D'une épaisseur n'excédant pas 10 mm

Les tailles typiques des caractéristiques varient de sous-microne à plusieurs micromètres, avec une hauteur, une hauteur et un cycle de travail soigneusement contrôlés.

4Comment le PSS améliore l'efficacité de l'extraction de la lumière

4.1 Suppression de la réflexion interne totale

La topologie tridimensionnelle du PSS modifie l'angle d'incidence local aux interfaces.Les photons qui subiraient autrement une réflexion interne totale à une limite plane sont redirigés vers des angles à l'intérieur du cône d'échappement.

Cela augmente considérablement la probabilité que des photons sortent de l'appareil.

4.2 Diffusion optique améliorée et randomisation du parcours

Les structures PSS introduisent plusieurs événements de réfraction et de réflexion, conduisant à:

• Randomisation directionnelle des trajectoires des photons

• Interaction accrue avec les interfaces d'échappement

• Réduction du temps de séjour du photon à l'intérieur du dispositif

Statistiquement, cela améliore la probabilité d'extraction de photons avant l'absorption.

4.3 Classement efficace de l'indice de réfraction

D'un point de vue de modélisation optique, le PSS se comporte comme une couche de transition efficace de l'indice de réfraction.la région à motif crée une variation graduelle de l'indice de réfraction, réduisant les pertes de réflexion de Fresnel.

Ce mécanisme est conceptuellement similaire aux revêtements antireflet, mais fonctionne par optique géométrique plutôt que par interférence de film mince.

4.4 Réduction indirecte des pertes d'absorption optique

En raccourcissant les longueurs de trajectoire des photons et en réduisant les réflexions répétées, le PSS réduit la probabilité d'absorption par:

• Contacts métalliques

• États de défaut

• Absorption du transporteur libre en GaN

Cela contribue à la fois à une efficacité accrue et à un comportement thermique amélioré.

5- Avantages supplémentaires: amélioration de la qualité des cristaux

Au-delà de l'optique, le PSS améliore également la qualité épitaxienne grâce à des mécanismes de surcroissance épitaxienne latérale (LEO):

• Les dislocations provenant de l'interface saphir GaN sont redirigées ou arrêtées.

• La densité de dislocation du filetage est réduite

• L'amélioration de la qualité des matériaux améliore la fiabilité et la durée de vie des appareils

Ce double avantage optique et structurel distingue le PSS des traitements de surface purement optiques.

6Comparaison quantitative: PSS par rapport au substrat plat de saphir

Les gains de performance réels dépendent de la géométrie du motif, de la longueur d'onde, de la conception de la puce et de l'emballage.

7Compromises et considérations techniques

Malgré ses avantages, le PSS présente des défis pratiques:

• Des étapes supplémentaires de lithographie et de gravure augmentent les coûts

• L'uniformité du motif et la profondeur de gravure doivent être strictement contrôlées.

• Des modèles sous-optimaux peuvent avoir un impact négatif sur l'uniformité épitaxienne

Par conséquent, l'optimisation du PSS est une tâche multidisciplinaire impliquant la modélisation optique, la croissance épitaxielle et l'ingénierie des dispositifs.

8Perspectives de l'industrie et perspectives futures

Aujourd'hui, le PSS n'est plus considéré comme une amélioration facultative.Il est devenu une technologie de base..

En regardant vers l' avant:

• Des conceptions avancées de PSS sont explorées pour les mini-LED et les micro-LED

• Des approches hybrides combinant PSS avec des cristaux photoniques ou la nano-texturation sont à l'étude.

• La réduction des coûts et l'évolutivité des modèles demeurent des objectifs clés de l'industrie

Conclusion

Les substrats en saphir à motifs représentent un changement fondamental des matériaux de support passifs vers des composants optiques et structurels fonctionnels dans les appareils LED.En s'attaquant aux pertes d'extraction de la lumière à leur racine, la réflexion optique et l'interface permettent une plus grande efficacité, une meilleure fiabilité et une meilleure cohérence des performances.

En revanche, les substrats plats en saphir, bien qu'ils puissent être fabriqués et économiques, sont par nature limités dans leur capacité à prendre en charge les LED de nouvelle génération à haut rendement.La technologie LED continue d'évoluer, le PSS est un exemple clair de la manière dont l'ingénierie des matériaux se traduit directement par des gains de performance au niveau du système.