Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) LED ad alta efficienza Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) A.A. 2014-15 Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM)

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

Doppia eterostruttura (b) (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

Quantum-well aumenta localizzazione diminuisce autoassorbimento (regione attiva sottile) 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

Eterostrutture a confinamento separato In una doppia eterostruttura la regione a bandgap più stretto di solito ha anche un più alto indice di rifrazione cariche confinate (a) (b) fotoni confinati anche i fotoni sono confinati!! 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

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

Perdita di cariche overflow 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)

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

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

L’estrazione della luce: cono di emissione luminosa Per θint ≤ θc polarizzazione TE (s): (θi = 0) per emissione isotropica e R ~ R0

L’estrazione della luce: cono di emissione luminosa Tab. 1 – Efficienze di estrazione per un’interfaccia GaAs-aria a 650 nm e 970 nm angolo critico maggiore in presenza di epoxy (minore differenza d’indice) Tab. 2 – Efficienze di estrazione per un’interfaccia GaAs-epoxy a 650 nm e 970 nm grande angolo critico epoxy-aria (indice epoxy prossimo a quello dell’aria)

Ottimizzazione delle geometrie regione attiva vicino la superficie efficienza aumenta di un fattore efficienza aumenta di un fattore 6 ? 3 substrato assorbente 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.

Ottimizzazione delle geometrie Aumento dell’efficienza di estrazione tramite finestra superiore spessa e substrato trasparente problema del mean photon path length for extraction (a) (b) (c) = (/ 2 – c) / 2 Sezione trasversale di alcune geometrie ideali per LED: (a) sfera con sorgente puntiforme, (b) semisfera, (c) tronco di cono

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza Evoluzione dei miglioramenti dell’efficienza quantica esterna per LED in AlGaInP. Il valore di hext è calcolato considerando il LED immerso in una cupola di epoxy Anno Design hext (%) 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

Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza 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 (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)

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

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

LED rastremato: photoresist reflow (b)