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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.

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1 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

2 Difficile ottenere alta efficienza? - regione attiva larga - portatori non localizzati - velocità di ricombinazione radiativa proporzionale a concentrazione di portatori: R = Bnp

3 Doppia eterostruttura (a)(a)(b)(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)

4 Quantum-well (a) (b) Livello di Fermi (E Fn ) e livello intra-banda (E 0 ) (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)

5 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

6 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

7 Perdita di cariche Intensità ottica emessa da un LED in In 0,16 Ga 0,84 As/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 di cariche

8 Meccanismi radiativi e non radiativi deep levels Auger ricombinazione superficiale ricombinazione radiativa perdita di cariche trascurabile in LED InGaAs/GaAs

9 L’estrazione della luce: cono di emissione luminosa η extr ≈ γ refl - problema del riassorbimento - problema della riflessione all’interfaccia aria-semiconduttore - ombra del contatto superiore (“shadowing”) fattore di assorbimento fattore di riflessione fattore di shadowing

10 L’estrazione della luce: cono di emissione luminosa Per θ int ≤ θ c polarizzazione TE (s): (θ i = 0) per emissione isotropica e R ~ R 0

11 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)

12 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 substrato assorbente efficienza aumenta di un fattore ? 3 efficienza aumenta di un fattore 6

13 Ottimizzazione delle geometrie Aumento dell’efficienza di estrazione tramite finestra superiore spessa e substrato trasparente (a)(a) (b)(b)(c)(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

14 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 AnnoDesign  ext (%) 1990DH su substrato in GaAs≈ finestra spessa in GaP≥ substrato trasparente in GaP17,6 1996idem23,7 1999idem + MQW32,0

15 (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)

16 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%

17 Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza: LED a film sottile a) LED con specchio riflettente b) LED a superficie rugosa incollato su specchio dielettrico rivestito in oro lift-off epitassiale alta selettività di etching delle leghe di AlGaAs in acido fluoridrico  73% photon recycling etching GaN natural lithography

18 Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza: LED a film sottile c) LED a microriflettore sepolto (BMR) d) LED rastremati deve essere

19 LED rastremato: photoresist reflow (a)(a) (b)(b)


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