GaNベースの光発光二極管 (LED) では,上軸生長と装置設計の継続的な進歩により,内部量子効率 (IQE) は理論上限界に近づいています.LEDの全体的な照明効率は,Light Extraction Efficiency (LEE) によって根本的に制限されています.サファイアは,GaNの表質の主要な基質材料であり続けると,その表面構造は光学損失を決定する上で重要な役割を果たします.この記事では,フラットとサファイア基板模様付きのサファイア基板 (PSS) で,PSSが確立された光学および結晶学的メカニズムによって光抽出効率をどのように向上させるかを説明する.なぜ高性能LEDの製造における 標準になったのか.
LEDの総外部量子効率 (EQE) は,次の2つの主要因子の積によって決定される.
EQE=IQE×LEE
IQEは電子と穴が活性領域内で どれだけ効率的に再結合して 光子を生成するかを反映しますが LEEは 光子が装置から どれだけ効果的に逃れるかを表現します
サファイア基板で栽培されるGaNベースのLEDでは,LEEは通常,従来の設計では30~40%に制限されています.主な理由には以下の通りがあります:
GaN (n ≈ 2.4),サファイア (n ≈ 1.7) および空気 (n ≈ 1.0) の間の重度の屈折率不一致
平面インターフェースにおける全内反射 (TIR)
エピタキシアル層と基板内の光子捕獲
その結果,生成された光子の大きな部分は複数の反射を受け,最終的には有用な光ではなく熱に吸収または変換されます.
平らなサファイア基板は,平らで平らな表面を特徴とし,典型的にはc平面 (0001) の方向性を有する.
高度な結晶性
熱と化学の安定性が優れている
成熟したコスト効率の良い製造プロセス
光学的な観点から,平面インターフェースは予測可能で高度な方向性のある光子伝播経路を導入します.GaN活性領域で生成される光子が GaN 陽石または GaN 空気間接に到達すると,内部反射が起こります
影響は以下の通りです
装置内の光子の閉じ込め
電極による吸収と欠陥の増加
放出された光の角分布が限られている
基本的には,平らなサファイア基板は,光学的な閉じ込みを克服するのに最小限の支援を提供します.
パターン付きサファイア基板 (PSS) は,周期的または準周期的マイクロまたはナノスケール構造を写真リトグラフィーとエッチングプロセスを通してサファイア表面に導入することによって作成される.
一般的なPSS幾何学には,以下が含まれます.
円形構造物
半球型ドーム
ピラミッド
円筒形または切断形コーン
典型的な特徴のサイズは,微米以下から数マイクロメートルまであり,高度,ピッチ,作業サイクルが注意深く制御されています.
PSSの3次元トポロジーは,インターフェースのローカルインシデンスアングルを変化させる.平面の境界で完全な内部反射を受けることになる光子は,脱出角内の角に転向されます.
これは,光子が装置から出る確率を大幅に増加させます.
PSS構造は複数の屈折と反射の出来事を導入し,次のような結果をもたらす.
フォトン軌道の方向的なランダム化
エスケープインターフェイスとの相互作用が強化される
装置内での光子の滞在時間が短くなる
吸収が起こる前に光子の抽出の可能性を向上させる.
光学モデリングの観点から PSS は効果的な屈折率移行層として振る舞います.パターンの領域は,徐々に屈折率の変化を生成しますフレネルの反射損失を減らす.
このメカニズムは反射防止コーティングに概念的に類似しているが,薄膜干渉ではなく幾何学的光学によって動作する.
フォトン経路の長さを短縮し,反射を減らすことで,PSSは吸収の確率を以下のように低下させる.
メタルコンタクト
欠陥状態
自由キャリア吸収 GaN
効率が向上し 熱性能も向上します
光学以外にも,PSSは横側表頭過剰成長 (LEO) メカニズムを通じて表頭質も改善します.
サファイア・GaN インターフェースから発生する外れが,再方向化または終了されます.
糸の脱出密度が減る
改良された材料の質は,デバイスの信頼性と使用期間を向上させる
この二重のメリット (光学と構造) は,PSSを純粋に光学的な表面処理と区別します.
| パラメータ | 平らなサファイア基板 | パターン付きサファイア基板 |
|---|---|---|
| 表面トポロジー | 平面型 | マイクロ/ナノパターン |
| 光の散乱 | 最低限 | 強い |
| 総内反射 | 支配的 | 大幅に抑制されています |
| 光抽出効率 | ベースライン | +20%から+40% (典型) |
| 変位密度 | 高い | 下部 |
| 製造の複雑さ | 低い | 適度 |
| 費用 | 下部 | 高い |
実際の性能向上はパターン幾何学,波長,チップ設計,パッケージに依存します
PSS の 利点 に かかわらず,実践 的 な 課題 が あり ます.
さらにリトグラフィーとエッチングの手順がコストを増加させる
パターンの均一性とエッチ深さは厳格に制御されなければならない.
適正でないパターンのデザインは,表軸の均一性に悪影響を及ぼす可能性があります.
したがって,PSS最適化は,光学モデリング,表軸成長,およびデバイスエンジニアリングを含む多学科課題です.
今日では,PSSはもはやオプションの強化とみなされていません.一般照明,自動車照明を含む中高功率LEDアプリケーションでは,PSSはベースライン技術になりました.
未来を振り返る
ミニLEDとマイクロLEDのための先進的なPSS設計が調査されています
PSS と 光子結晶 や ナノ質感 を 組み合わせる 混合型 アプローチ が 検討 さ れ て い ます.
コスト削減とパターンのスケーラビリティは依然として主要な産業目標です
パターン付きサファイア基板は,LEDデバイスにおける受動的なサポート材料から機能的な光学および構造部品への根本的な変化を表しています.光抽出損失を根元に処理し,光学的な閉じ込めとインターフェース反射により,PSSはより高い効率を可能にします.信頼性が向上し,性能が一貫して向上します.
一方,平らなサファイア基板は製造可能で経済的なものの,次世代の高効率LEDをサポートする能力は固有の限界があります.LED技術が進化し続けるにつれて材料工学がシステムレベルでの性能向上に直接影響する明確な例です.
GaNベースの光発光二極管 (LED) では,上軸生長と装置設計の継続的な進歩により,内部量子効率 (IQE) は理論上限界に近づいています.LEDの全体的な照明効率は,Light Extraction Efficiency (LEE) によって根本的に制限されています.サファイアは,GaNの表質の主要な基質材料であり続けると,その表面構造は光学損失を決定する上で重要な役割を果たします.この記事では,フラットとサファイア基板模様付きのサファイア基板 (PSS) で,PSSが確立された光学および結晶学的メカニズムによって光抽出効率をどのように向上させるかを説明する.なぜ高性能LEDの製造における 標準になったのか.
LEDの総外部量子効率 (EQE) は,次の2つの主要因子の積によって決定される.
EQE=IQE×LEE
IQEは電子と穴が活性領域内で どれだけ効率的に再結合して 光子を生成するかを反映しますが LEEは 光子が装置から どれだけ効果的に逃れるかを表現します
サファイア基板で栽培されるGaNベースのLEDでは,LEEは通常,従来の設計では30~40%に制限されています.主な理由には以下の通りがあります:
GaN (n ≈ 2.4),サファイア (n ≈ 1.7) および空気 (n ≈ 1.0) の間の重度の屈折率不一致
平面インターフェースにおける全内反射 (TIR)
エピタキシアル層と基板内の光子捕獲
その結果,生成された光子の大きな部分は複数の反射を受け,最終的には有用な光ではなく熱に吸収または変換されます.
平らなサファイア基板は,平らで平らな表面を特徴とし,典型的にはc平面 (0001) の方向性を有する.
高度な結晶性
熱と化学の安定性が優れている
成熟したコスト効率の良い製造プロセス
光学的な観点から,平面インターフェースは予測可能で高度な方向性のある光子伝播経路を導入します.GaN活性領域で生成される光子が GaN 陽石または GaN 空気間接に到達すると,内部反射が起こります
影響は以下の通りです
装置内の光子の閉じ込め
電極による吸収と欠陥の増加
放出された光の角分布が限られている
基本的には,平らなサファイア基板は,光学的な閉じ込みを克服するのに最小限の支援を提供します.
パターン付きサファイア基板 (PSS) は,周期的または準周期的マイクロまたはナノスケール構造を写真リトグラフィーとエッチングプロセスを通してサファイア表面に導入することによって作成される.
一般的なPSS幾何学には,以下が含まれます.
円形構造物
半球型ドーム
ピラミッド
円筒形または切断形コーン
典型的な特徴のサイズは,微米以下から数マイクロメートルまであり,高度,ピッチ,作業サイクルが注意深く制御されています.
PSSの3次元トポロジーは,インターフェースのローカルインシデンスアングルを変化させる.平面の境界で完全な内部反射を受けることになる光子は,脱出角内の角に転向されます.
これは,光子が装置から出る確率を大幅に増加させます.
PSS構造は複数の屈折と反射の出来事を導入し,次のような結果をもたらす.
フォトン軌道の方向的なランダム化
エスケープインターフェイスとの相互作用が強化される
装置内での光子の滞在時間が短くなる
吸収が起こる前に光子の抽出の可能性を向上させる.
光学モデリングの観点から PSS は効果的な屈折率移行層として振る舞います.パターンの領域は,徐々に屈折率の変化を生成しますフレネルの反射損失を減らす.
このメカニズムは反射防止コーティングに概念的に類似しているが,薄膜干渉ではなく幾何学的光学によって動作する.
フォトン経路の長さを短縮し,反射を減らすことで,PSSは吸収の確率を以下のように低下させる.
メタルコンタクト
欠陥状態
自由キャリア吸収 GaN
効率が向上し 熱性能も向上します
光学以外にも,PSSは横側表頭過剰成長 (LEO) メカニズムを通じて表頭質も改善します.
サファイア・GaN インターフェースから発生する外れが,再方向化または終了されます.
糸の脱出密度が減る
改良された材料の質は,デバイスの信頼性と使用期間を向上させる
この二重のメリット (光学と構造) は,PSSを純粋に光学的な表面処理と区別します.
| パラメータ | 平らなサファイア基板 | パターン付きサファイア基板 |
|---|---|---|
| 表面トポロジー | 平面型 | マイクロ/ナノパターン |
| 光の散乱 | 最低限 | 強い |
| 総内反射 | 支配的 | 大幅に抑制されています |
| 光抽出効率 | ベースライン | +20%から+40% (典型) |
| 変位密度 | 高い | 下部 |
| 製造の複雑さ | 低い | 適度 |
| 費用 | 下部 | 高い |
実際の性能向上はパターン幾何学,波長,チップ設計,パッケージに依存します
PSS の 利点 に かかわらず,実践 的 な 課題 が あり ます.
さらにリトグラフィーとエッチングの手順がコストを増加させる
パターンの均一性とエッチ深さは厳格に制御されなければならない.
適正でないパターンのデザインは,表軸の均一性に悪影響を及ぼす可能性があります.
したがって,PSS最適化は,光学モデリング,表軸成長,およびデバイスエンジニアリングを含む多学科課題です.
今日では,PSSはもはやオプションの強化とみなされていません.一般照明,自動車照明を含む中高功率LEDアプリケーションでは,PSSはベースライン技術になりました.
未来を振り返る
ミニLEDとマイクロLEDのための先進的なPSS設計が調査されています
PSS と 光子結晶 や ナノ質感 を 組み合わせる 混合型 アプローチ が 検討 さ れ て い ます.
コスト削減とパターンのスケーラビリティは依然として主要な産業目標です
パターン付きサファイア基板は,LEDデバイスにおける受動的なサポート材料から機能的な光学および構造部品への根本的な変化を表しています.光抽出損失を根元に処理し,光学的な閉じ込めとインターフェース反射により,PSSはより高い効率を可能にします.信頼性が向上し,性能が一貫して向上します.
一方,平らなサファイア基板は製造可能で経済的なものの,次世代の高効率LEDをサポートする能力は固有の限界があります.LED技術が進化し続けるにつれて材料工学がシステムレベルでの性能向上に直接影響する明確な例です.
