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)
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