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Em diodos emissores de luz (LED) baseados em GaN, os avanços contínuos no crescimento epitaxial e no design do dispositivo levaram a eficiência quântica interna (IQE) perto de seu limite teórico.A eficiência luminosa global dos LEDs continua a ser fundamentalmente limitada pela eficiência de extracção da luz (LEE).Como o safiro continua a ser o material substrato dominante para a epitaxia de GaN, a sua estrutura superficial desempenha um papel crítico na determinação das perdas ópticas.Este artigo fornece uma comparação aprofundada entre o planosubstratos de safirae substratos de safira desenhados (PSS), explicando como o PSS melhora a eficiência da extracção da luz através de mecanismos ópticos e cristalográficos bem estabelecidos,e por que se tornou um padrão de facto na fabricação de LEDs de alto desempenho.

1. Por que a eficiência de extração de luz limita o desempenho do LED

A eficiência quântica externa total (EQE) de um LED é regida pelo produto de dois fatores-chave:

EQE=IQE×LEE

Enquanto o IQE reflete a eficiência com que elétrons e buracos se recombinam para gerar fótons dentro da região ativa, o LEE descreve a eficiência com que esses fótons escapam do dispositivo.

Em LEDs baseados em GaN cultivados em substratos de safira, o LEE é tipicamente limitado a 30~40% em projetos convencionais.

• Incongruência grave do índice de refração entre GaN (n ≈ 2,4), safira (n ≈ 1,7) e ar (n ≈ 1,0)

• Reflexão interna total (TIR) em interfaces planas

• Captura de fótons dentro das camadas epitaxiais e do substrato

Como resultado, uma grande fração dos fótons gerados sofre reflexões múltiplas e é finalmente absorvida ou convertida em calor em vez de luz útil.

2Substratos de safira plana: Simplicidade estrutural, limitações ópticas

2.1 Características estruturais

Os substratos planos de safira possuem uma superfície lisa e plana, tipicamente com uma orientação c-plano (0001).

• Alta qualidade cristalina

• Excelente estabilidade térmica e química

• Processos de fabrico maduros e rentáveis

2.2 Comportamento óptico

De uma perspectiva óptica, as interfaces planas introduzem caminhos de propagação de fótons previsíveis e altamente direcionais.Quando os fótons gerados na região ativa de GaN atingem a interface de GaN “ar” ou GaN “safiros em ângulos superiores ao ângulo crítico, ocorre a reflexão interna total.

As consequências incluem:

• Confinamento dos fótons no interior do dispositivo

• Aumento da absorção por eletrodos e defeitos

• Distribuição angular limitada da luz emitida

Em essência, substratos planos de safira fornecem uma assistência mínima para superar o confinamento óptico.

3Substrato de safira padronizado (PSS): conceito e estrutura

Um substrato de safira padronizado (PSS) é criado através da introdução de estruturas periódicas ou quase periódicas de micro ou nanoescala na superfície de safira através de processos de fotolitografia e gravação.

As geometrias PSS comuns incluem:

• Estruturas cônicas

• Cúpulas hemisféricas

• Pirâmides

• De forma cilíndrica

Os tamanhos típicos das características variam de sub-micrônio a vários micrômetros, com altura, inclinação e ciclo de trabalho cuidadosamente controlados.

4Como o PSS melhora a eficiência da extracção de luz

4.1 Supressão da reflexão interna total

A topologia tridimensional do PSS altera o ângulo de incidência local nas interfaces.Os fótons que de outra forma sofreriam reflexão interna total em um limite plano são redirecionados para ângulos dentro do cone de escape.

Isso aumenta significativamente a probabilidade de os fótons saírem do dispositivo.

4.2 Propagação óptica reforçada e aleatorização do percurso

As estruturas PSS introduzem vários eventos de refração e reflexão, levando a:

• Randomização direcional das trajetórias dos fótons

• Aumentar a interação com as interfaces de escape

• Redução do tempo de residência do fóton no interior do dispositivo

Estatisticamente, isso melhora a probabilidade de extração de fótons antes da absorção ocorrer.

4.3 Classificação efetiva do índice de refração

De uma perspectiva de modelagem óptica, o PSS se comporta como uma camada de transição efetiva do índice de refração.a região desenhada cria uma variação gradual do índice de refração, reduzindo as perdas de reflexão de Fresnel.

Este mecanismo é conceitualmente semelhante aos revestimentos anti-reflexo, mas opera através de óptica geométrica em vez de interferência de filme fino.

4.4 Redução indirecta das perdas de absorção óptica

Ao encurtar os comprimentos do caminho do fóton e reduzir as reflexões repetidas, o PSS diminui a probabilidade de absorção:

• Contactos metálicos

• Estados de defeito

• Absorção do transportador livre em GaN

Isto contribui para uma maior eficiência e para um melhor comportamento térmico.

5- Benefícios adicionais: Melhoria da qualidade dos cristais

Além da óptica, o PSS também melhora a qualidade epitaxial através de mecanismos de crescimento excessivo epitaxial lateral (LEO):

• Dislocações originárias da interface safira-GaN são redirecionadas ou terminadas

• A densidade de deslocação do fio é reduzida

• Melhoria da qualidade do material aumenta a fiabilidade e a vida útil do dispositivo

Este duplo benefício, óptico e estrutural, distingue o PSS dos tratamentos de superfície puramente ópticos.

6. Comparação quantitativa: PSS vs Substrato de safira plana

Os ganhos reais de desempenho dependem da geometria do padrão, comprimento de onda, design do chip e embalagem.

7Compromissos e considerações de engenharia

Apesar das suas vantagens, o PSS apresenta desafios práticos:

• A litografia e a gravação adicionais aumentam os custos

• A uniformidade do padrão e a profundidade de gravação devem ser rigorosamente controladas

• Desenhos de padrão subóptimos podem afetar negativamente a uniformidade epitaxial

Portanto, a otimização do PSS é uma tarefa multidisciplinar que envolve modelagem óptica, crescimento epitaxial e engenharia de dispositivos.

8Perspectivas da indústria e perspectivas futuras

Hoje em dia, o PSS já não é considerado uma melhoria opcional.e iluminação de fundo do ecrã tornou-se uma tecnologia de base.

Olhando para a frente:

• Estão a ser explorados projetos PSS avançados para Mini LED e Micro LED

• As abordagens híbridas que combinam PSS com cristais fotónicos ou nanotexturagem estão em investigação

• A redução de custos e a escalabilidade dos padrões continuam a ser objectivos-chave da indústria

Conclusão

Os substratos de safira padronizados representam uma mudança fundamental de materiais de suporte passivos para componentes ópticos e estruturais funcionais em dispositivos LED.Ao abordar as perdas de extracção de luz na sua raiz – confinamento óptico e reflexão da interface – o PSS permite uma maior eficiência, melhor fiabilidade e melhor consistência de desempenho.

Em contraste, os substratos planos de safira, embora fabricáveis e econômicos, são inerentemente limitados em sua capacidade de suportar a próxima geração de LEDs de alta eficiência.A tecnologia LED continua a evoluir, PSS é um exemplo claro de como a engenharia de materiais se traduz diretamente em ganhos de desempenho a nível do sistema.