LED ad alta efficienza

Docente: Mauro Mosca

(www.dieet.unipa.it/tfl)

Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento

Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM)

A.A. 2014-15

Difficile ottenere alta efficienza?

- regione attiva larga

- portatori non localizzati

- velocità di ricombinazione radiativa proporzionale a concentrazione di portatori: R = Bnp

Doppia eterostruttura

(a) (b)

Distribuzione di cariche libere (a) in un’omogiunzione e (b) in un’eterogiunzione in polarizzazione diretta. Nell’omogiunzione le

cariche sono distribuite su una distanza pari alla lunghezza di diffusione, mentre nell’eterogiunzione queste sono confinate all’interno

della regione a bandgap più stretta avente lunghezza pari a WDH

(a) (b)

Quantum-well

(a) (b)

Livello di Fermi (EFn) e livello intra-banda (E0) (a) in una doppia eterostruttura e (b) in una struttura a quantum well in condizioni

d’iniezione ad alto livello

- aumenta localizzazione

- diminuisce autoassorbimento (regione attiva sottile)

Eterostrutture a confinamento separato

(a) (b)

Struttura a bande per due eterostrutture a confinamento separato: (a) SCH standard e (b) GRINSCH. Il campo elettrico (fotoni) è confinato dalla struttura

ad indice graduale, mentre i quantum well confinano gli elettroni

In una doppia eterostruttura la regione a bandgap più stretto di solito ha anche un più alto indice di rifrazione

anche i fotoni sono confinati!!

cariche confinate fotoni confinati

Perdita di cariche

Cattura e perdita di cariche in una doppia eterostruttura. Si noti la distribuzione di energia delle cariche libere nella regione attiva

saturazione intensità ottica

Perdita di cariche

Intensità ottica emessa da un LED in In0,16Ga0,84As/GaAs con regioni attive consistenti in 1, 4, 6 e 8 quantum well e intensità teorica di una

sorgente isotropa perfetta (in linea tratteggiata)

overflow dicariche

Meccanismi radiativi e non radiativi

lRRGdt

dn

lRRR

R

nrrad

radrad

2rad BnBnpR 3

nr CnAnR

lRAnBn

Bn

2

2

rad

deep levels Auger

ricombinazione superficiale

ricombinazione radiativa

perdita di cariche

trascurabile inLED InGaAs/GaAs

L’estrazione della luce:cono di emissione luminosa

shreflabsextr ηextr ≈ γrefl

extextintint sinsin nn

int

extarcsinn

nc

)cos1(2 c c

- problema del riassorbimento

- problema della riflessione all’interfaccia aria-semiconduttore

- ombra del contatto superiore (“shadowing”)

fattore diassorbimento

fattore diriflessione

fattore dishadowing

L’estrazione della luce:cono di emissione luminosa

Per θint ≤ θc iit IRITI )1(

ir IRI

polarizzazione TE (s):

2

extextintint

extextintint

coscos

coscos

nn

nnR

2

extint

extint0

nn

nnR (θi = 0)

)1(4

)cos1(20

creflextr R

per emissione isotropica e R ~ R0

Tab. 1 – Efficienze di estrazione per un’interfaccia GaAs-aria a 650 nm e 970 nm

Tab. 2 – Efficienze di estrazione per un’interfaccia GaAs-epoxy a 650 nm e 970 nm

L’estrazione della luce:cono di emissione luminosa

angolo critico maggiore in presenza di epoxy (minore differenza d’indice)

grande angolo critico epoxy-aria (indice epoxy prossimo a quello dell’aria)

Ottimizzazione delle geometrie

Illustrazione schematica dei coni di estrazione luminosa per diverse geometrie di LED(basate sulla geometria standard di parallelepipedo a base rettangolare):(a) substrato assorbente con strato finestra sottile; (b) substrato assorbente con strato finestra spesso; (c) substrato trasparente con strato finestra spesso.

regione attiva vicino la

superficie

substratoassorbente

efficienza aumenta diun fattore ?3

efficienza aumenta diun fattore 6

Ottimizzazione delle geometrie

Aumento dell’efficienza di estrazione tramite finestra superiore spessa e substrato trasparente

(a)

(b) (c)

Sezione trasversale di alcune geometrie ideali per LED: (a) sfera con sorgente puntiforme, (b) semisfera, (c) tronco di cono

= (/ 2 – c) / 2

problema del mean photon path length for extraction

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza

Evoluzione dei miglioramenti dell’efficienza quantica esterna per LED in AlGaInP. Il valore di ext è calcolato considerando il LED immerso in una cupola di epoxy

Anno Design ext (%)

1990 DH su substrato in GaAs ≈ 2

1992 finestra spessa in GaP ≥ 6

1994 substrato trasparente in GaP 17,6

1996 idem 23,7

1999 idem + MQW 32,0

(a) LED in AlGaInP con una finestra spessa in GaP e un substrato assorbente in GaAs. (b) LED in AlGaInP con una finestra spessa in GaP e un substrato trasparente in GaP

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza

(a) (b)

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:geometrie TIP

Dispositivi a geometria TIP: (a) LED blu in InGaN su substrato in SiC, commercializzato con il nome di “Aton”; (b) Schema del percorso dei raggi nel LED (a). (c) LED in AlGaInP/GaP; (d) Schema del percorso dei raggi nel LED (c)

55%

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:LED a film sottile

a) LED con specchio riflettente

b) LED a superficie rugosa

incollato su specchio dielettricorivestito in oro

lift-off epitassiale

alta selettività di etching delle leghe di AlGaAs in acido fluoridrico

73%

photon recyclingetching GaN

natural lithography

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:LED a film sottile

c) LED a microriflettore sepolto (BMR)

d) LED rastremati

c

deve essere c

LED rastremato: photoresist reflow

(a)

(b)