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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
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Difficile ottenere alta efficienza?
- regione attiva larga
- portatori non localizzati
- velocità di ricombinazione radiativa proporzionale a concentrazione di portatori: R = Bnp
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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(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)
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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%
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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
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Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:LED a film sottile
c) LED a microriflettore sepolto (BMR)
d) LED rastremati
c
deve essere c
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LED rastremato: photoresist reflow
(a)
(b)