ในไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ใช้ GaN เป็นวัสดุพื้นฐาน ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคนิคการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีและการออกแบบโครงสร้างอุปกรณ์ได้ผลักดันให้ประสิทธิภาพควอนตัมภายใน (IQE) เข้าใกล้ค่าสูงสุดทางทฤษฎีมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีความก้าวหน้าเหล่านี้ ประสิทธิภาพการส่องสว่างโดยรวมของ LED ยังคงถูกจำกัดโดยพื้นฐานจากประสิทธิภาพการสกัดแสง (LEE) เนื่องจากแซฟไฟร์ยังคงเป็นวัสดุพื้นฐานหลักสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีของ GaN ดังนั้นลักษณะพื้นผิวของแซฟไฟร์จึงมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการสูญเสียทางแสงภายในอุปกรณ์

บทความนี้เสนอการเปรียบเทียบอย่างครอบคลุมระหว่างพื้นผิวแซฟไฟร์เรียบและพื้นผิวแซฟไฟร์ที่มีลวดลายแผ่นรองพื้นแซฟไฟร์ (PSS)เอกสารนี้อธิบายถึงกลไกทางแสงและผลึกศาสตร์ที่ทำให้ PSS เพิ่มประสิทธิภาพในการสกัดแสง และอธิบายว่าเหตุใด PSS จึงกลายเป็นมาตรฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต LED ประสิทธิภาพสูง

1. ประสิทธิภาพการสกัดแสงเป็นอุปสรรคสำคัญ

ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก (EQE) ของ LED นั้นถูกกำหนดโดยผลคูณของปัจจัยหลักสองประการ:

$EQE=IQE\times LEE\backslash text\{EQE\}\; =\; \backslash text\{IQE\}\; \backslash times\; \backslash text\{LEE\}$

EQE = IQE × LEE

ในขณะที่ IQE วัดประสิทธิภาพของการรวมตัวกันใหม่แบบแผ่รังสีภายในบริเวณแอคทีฟ LEE อธิบายถึงสัดส่วนของโฟตอนที่เกิดขึ้นซึ่งสามารถหลุดออกจากอุปกรณ์ได้สำเร็จ

สำหรับ LED ที่ใช้ GaN เป็นวัสดุหลักซึ่งปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์ ประสิทธิภาพการเปล่งแสง (LEE) ในการออกแบบทั่วไปมักจำกัดอยู่ที่ประมาณ 30–40% ข้อจำกัดนี้เกิดจากสาเหตุหลักดังต่อไปนี้:

• ความไม่สอดคล้องกันอย่างรุนแรงของดัชนีหักเหระหว่าง GaN (n ≈ 2.4), แซฟไฟร์ (n ≈ 1.7) และอากาศ (n ≈ 1.0)

• การสะท้อนกลับภายในทั้งหมด (TIR) ​​ที่รุนแรงบริเวณรอยต่อระนาบ

• การดักจับโฟตอนภายในชั้นเอพิแท็กเซียลและพื้นผิวรองรับ

ด้วยเหตุนี้ โฟตอนที่เกิดขึ้นจำนวนมากจึงเกิดการสะท้อนภายในหลายครั้ง และในที่สุดก็ถูกดูดซับโดยวัสดุหรือเปลี่ยนเป็นความร้อน แทนที่จะก่อให้เกิดแสงสว่างที่เป็นประโยชน์

2. แผ่นรองพื้นแซฟไฟร์เรียบ: ความเรียบง่ายทางโครงสร้างพร้อมข้อจำกัดทางด้านแสง

2.1 ลักษณะโครงสร้าง

โดยทั่วไปแล้ว แผ่นรองพื้นแซฟไฟร์แบบเรียบจะใช้การวางแนวระนาบ c (0001) ที่มีพื้นผิวเรียบและเป็นระนาบ ซึ่งได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายเนื่องจาก:

• คุณภาพผลึกสูง

• มีเสถียรภาพทางความร้อนและทางเคมีที่ดีเยี่ยม

• กระบวนการผลิตที่ครบวงจรและคุ้มค่า

2.2 พฤติกรรมทางแสง

ในเชิงทัศนศาสตร์ อินเตอร์เฟซแบบระนาบนำไปสู่เส้นทางการแพร่กระจายของโฟตอนที่มีทิศทางสูงและคาดการณ์ได้ เมื่อโฟตอนที่เกิดขึ้นในบริเวณแอคทีฟของ GaN ไปถึงอินเตอร์เฟซ GaN–อากาศหรือ GaN–แซฟไฟร์ที่มุมตกกระทบเกินมุมวิกฤต จะเกิดการสะท้อนกลับภายในทั้งหมด

ผลลัพธ์ที่ได้คือ:

• การกักเก็บโฟตอนอย่างมีประสิทธิภาพภายในอุปกรณ์

• การดูดซับที่เพิ่มขึ้นโดยอิเล็กโทรดโลหะและสถานะข้อบกพร่อง

• การกระจายเชิงมุมที่จำกัดของแสงที่ปล่อยออกมา

โดยพื้นฐานแล้ว พื้นผิวแซฟไฟร์เรียบแทบไม่มีส่วนช่วยในการเอาชนะข้อจำกัดทางแสงเลย

3. แผ่นรองพื้นแซฟไฟร์ลวดลาย: แนวคิดและการออกแบบโครงสร้าง

พื้นผิวแซฟไฟร์ที่มีลวดลาย (PSS) ถูกสร้างขึ้นโดยการนำโครงสร้างระดับไมโครหรือนาโนแบบเป็นคาบหรือกึ่งเป็นคาบมาวางบนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยใช้เทคนิคโฟโตลิโทกราฟีและการกัดเซาะ

รูปทรงเรขาคณิตของ PSS ที่พบได้ทั่วไป ได้แก่:

• โครงสร้างทรงกรวย

• โดมทรงครึ่งวงกลม

• ลักษณะรูปทรงพีระมิด

• รูปทรงกระบอกหรือรูปกรวยตัด

ขนาดของส่วนประกอบโดยทั่วไปมีตั้งแต่ระดับต่ำกว่าไมโครเมตรไปจนถึงหลายไมโครเมตร โดยมีการควบคุมความสูง ระยะห่าง และอัตราส่วนการทำงานอย่างระมัดระวัง

4. กลไกการเพิ่มประสิทธิภาพการสกัดแสงใน PSS

4.1 การระงับการสะท้อนภายในทั้งหมด

ลักษณะพื้นผิวสามมิติของ PSS ปรับเปลี่ยนมุมตกกระทบเฉพาะที่บริเวณรอยต่อของวัสดุ โฟตอนที่ปกติจะเกิดการสะท้อนกลับภายในทั้งหมดที่ขอบเรียบ จะถูกเปลี่ยนทิศทางไปยังมุมภายในกรวยการหลุดออก ทำให้โอกาสที่โฟตอนจะออกจากอุปกรณ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก

4.2 การกระเจิงแสงแบบเสริมประสิทธิภาพและการสุ่มเส้นทาง

โครงสร้าง PSS ก่อให้เกิดปรากฏการณ์การหักเหและการสะท้อนหลายครั้ง ซึ่งนำไปสู่:

• การสุ่มทิศทางการแพร่กระจายของโฟตอน

• ปฏิสัมพันธ์ที่เพิ่มขึ้นกับอินเทอร์เฟซการสกัดแสง

• ลดระยะเวลาที่โฟตอนอยู่ในอุปกรณ์

ในทางสถิติ ผลกระทบเหล่านี้จะเพิ่มโอกาสในการสกัดโฟตอนก่อนที่จะเกิดการดูดซับ

4.3 การจัดระดับดัชนีหักเหที่มีประสิทธิภาพ

จากมุมมองของการสร้างแบบจำลองทางแสง PSS ทำหน้าที่เป็นชั้นเปลี่ยนผ่านดัชนีหักเหที่มีประสิทธิภาพ แทนที่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหอย่างฉับพลันจาก GaN ไปสู่อากาศ บริเวณที่มีลวดลายจะให้การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหแบบค่อยเป็นค่อยไป ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากการสะท้อนของเฟรสเนล

กลไกนี้มีลักษณะคล้ายคลึงกับสารเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงในเชิงแนวคิด แม้ว่าจะอาศัยทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิตแทนที่จะเป็นการแทรกแซงของฟิล์มบางก็ตาม

4.4 การลดการสูญเสียการดูดกลืนแสงทางอ้อม

ด้วยการลดระยะทางเดินของโฟตอนและลดการสะท้อนภายในซ้ำๆ PSS จึงช่วยลดโอกาสการดูดกลืนแสงได้โดย:

• หน้าสัมผัสโลหะ

• สถานะความบกพร่องของผลึก

• การดูดซับของพาหะอิสระใน GaN

ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลให้ทั้งประสิทธิภาพสูงขึ้นและสมรรถนะทางความร้อนดีขึ้น

5. ประโยชน์เพิ่มเติม: คุณภาพของผลึกดีขึ้น

นอกเหนือจากการเพิ่มประสิทธิภาพทางแสงแล้ว PSS ยังช่วยปรับปรุงคุณภาพของวัสดุเอพิแท็กเซียลผ่านกลไกการเจริญเติบโตของเอพิแท็กเซียลด้านข้าง (LEO) อีกด้วย:

• ความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างแซฟไฟร์และแกลเลียมไนไตรด์จะถูกเปลี่ยนทิศทางหรือยุติลง

• ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนแบบเกลียวลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

• คุณภาพของคริสตัลที่ดีขึ้นช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานของอุปกรณ์

คุณสมบัติทั้งด้านแสงและโครงสร้างนี้เองที่ทำให้ PSS แตกต่างจากวิธีการสร้างพื้นผิวด้วยแสงเพียงอย่างเดียว

6. การเปรียบเทียบเชิงปริมาณ: แซฟไฟร์แบบเรียบ กับ PSS

ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจริงนั้นขึ้นอยู่กับรูปทรงของลวดลาย ความยาวคลื่นการปล่อยแสง สถาปัตยกรรมของชิป และกลยุทธ์การบรรจุภัณฑ์

7. ข้อแลกเปลี่ยนและข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรม

แม้ว่า PSS จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อท้าทายในทางปฏิบัติหลายประการเช่นกัน:

• ขั้นตอนการพิมพ์หินและการกัดกรดเพิ่มเติมจะเพิ่มต้นทุนการผลิต

• ความสม่ำเสมอของลวดลายและความลึกของการกัดเซาะต้องอาศัยการควบคุมที่แม่นยำ

• รูปแบบที่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมอาจส่งผลเสียต่อความสม่ำเสมอของการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล

ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพ PSS จึงเป็นงานสหวิทยาการโดยแท้จริง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการจำลองทางแสง วิศวกรรมการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซีย และการออกแบบอุปกรณ์

8. มุมมองจากภาคอุตสาหกรรมและแนวโน้มในอนาคต

ในการผลิต LED สมัยใหม่ เทคโนโลยี PSS ไม่ได้ถูกมองว่าเป็นเพียงส่วนเสริมที่ไม่จำเป็นอีกต่อไปแล้ว ในการใช้งาน LED กำลังปานกลางและกำลังสูง ซึ่งรวมถึงไฟส่องสว่างทั่วไป ไฟรถยนต์ และไฟแบ็คไลท์สำหรับจอแสดงผล เทคโนโลยีนี้ได้กลายเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานไปแล้ว

แนวโน้มการวิจัยและพัฒนาในอนาคต ได้แก่:

• การออกแบบ PSS ขั้นสูงที่ปรับแต่งมาโดยเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชัน Mini-LED และ Micro-LED

• แนวทางแบบผสมผสานที่รวม PSS เข้ากับผลึกโฟตอนิกหรือการสร้างพื้นผิวระดับนาโน

• ความพยายามอย่างต่อเนื่องในการลดต้นทุนและพัฒนาเทคโนโลยีการสร้างลวดลายที่ปรับขนาดได้

บทสรุป

แผ่นรองพื้นแซฟไฟร์ที่มีลวดลายแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญจากโครงสร้างเชิงกลแบบพาสซีฟไปสู่ส่วนประกอบทางแสงและโครงสร้างที่มีฟังก์ชันการทำงานในอุปกรณ์ LED ด้วยการแก้ไขปัญหาการสูญเสียการสกัดแสงที่ต้นเหตุ—นั่นคือการกักเก็บแสงและการสะท้อนที่ส่วนต่อประสาน—PSS ช่วยให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ความน่าเชื่อถือดีขึ้น และประสิทธิภาพของอุปกรณ์สม่ำเสมอยิ่งขึ้น

ในทางตรงกันข้าม แม้ว่าแผ่นรองพื้นแซฟไฟร์แบบเรียบยังคงน่าสนใจเนื่องจากผลิตได้ง่ายและมีต้นทุนต่ำ แต่ข้อจำกัดทางแสงโดยธรรมชาติของมันทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานใน LED ประสิทธิภาพสูงรุ่นต่อไป เนื่องจากเทคโนโลยี LED ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง PSS จึงเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่าวิศวกรรมวัสดุสามารถนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพในระดับระบบได้อย่างไร