LED ad alta efficienza
Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento
Università di Palermo – Scuola Politecnica – DEIM
Difficile ottenere alta efficienza?
- regione attiva larga (portatori minoritari diffondono)
- portatori non localizzati
- velocità di ricombinazione radiativa proporzionale
a concentrazione di portatori: R = Bnp
Doppia eterostruttura
omogiunzione
eterogiunzione
cariche distribuite su una distanza
pari alla lunghezza di diffusione
(a)
(b)
cariche confinate all’interno della
regione a bandgap più stretta
Quantum-well
Doppia eterostruttura
- aumenta localizzazione
- diminuisce autoassorbimento
(regione attiva sottile)
Struttura a quantum-well
Eterostrutture a confinamento separato
In una doppia eterostruttura la regione a bandgap più stretto di solito ha
cariche
confinate GRaded INdex Separate Confinement
anche un più alto indice
di rifrazione
Heterostructure (GRINSCH)
fotoni confinati
Separate Confinement
Heterostructure (SCH)
anche i fotoni sono confinati!!
migliora la sovrapposizione tra l’onda ottica
e le regioni a pozzo quantico
Perdita di cariche
saturazione intensità ottica
alta iniezione
di corrente
Analogia del secchio d’acqua…
troppa acqua e il secchio straripa!
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)
Electron-blocking layer
no barrier to the
flow of holes
undoped
doped structure
structure
dn
 G  R  Rl
dt
Meccanismi radiativi e non radiativi
 rad
Rrad

Rrad  Rnr  Rl
perdita di cariche
Rrad  Bnp  Bn 2
Rnr  An  Cn 3
trascurabile in
LED InGaAs/GaAs
ricombinazione
superficiale
deep levels
 rad
Bn 2

Bn 2  An  Rl
Auger
ricombinazione
radiativa
L’estrazione della luce:
cono di emissione luminosa
 extr   abs  refl sh
ηextr ≈ γrefl
- problema del riassorbimento
nint sin  int  next sin  ext
- problema
della riflessione
fattore
di
assorbimento
aria-semiconduttore
 next 

fattore
 nint di
all’interfaccia
 c  arcsin 
- ombra
del contatto superiore
riflessione
(“shadowing”)
 c  2 (1  cos  c )
fattore di
shadowing
L’estrazione della luce:
cono di emissione luminosa
Per θint ≤ θc
I t  T I i  (1  R) I i
I r  RIi
polarizzazione TE (s):
 nint cos  int  next cos  ext 

R  
 nint cos  int  next cos  ext 
 nint  next 

R0  
 nint  next 
 extr   refl 
2 (1  cos  c )
(1  R0 )
4
2
2
(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 3
?
efficienza
aumenta di
un fattore 6
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
(b)
= (/ 2 – c) / 2
(a)
Sezione trasversale di alcune geometrie ideali per LED:
(a) sfera con sorgente puntiforme, (b) semisfera, (c) tronco di cono
(c)
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
Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza
(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
(a)
(b)
Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:
geometrie TIP
  55%
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
a) LED con specchio riflettente
incollato su specchio dielettrico
rivestito in oro
lift-off epitassiale
b) LED a superficie rugosa
alta selettività di etching delle leghe di
AlGaAs in acido fluoridrico
photon recycling
etching GaN
natural lithography
  73%
 c
Tecniche per ottenere LED ad alta efficienza:
LED a film sottile
c) LED a microriflettore sepolto
(BMR)
d) LED rastremati
deve essere   c
LED rastremato: photoresist reflow
(a)
(b)