В статье "Идеальный светодиодный экран" рассматривался экран на базе лучших на то время СМД светодиодов 3 в 1 - CLX6D-FKB фирмы CREE.
В этом светодиоде синие и зеленые чипы основаны на полупроводниках GaN и InGaN, в то время как полупроводники AlGaInP используются для красных чипов. Чипы на основе этих полупроводников имеют длительный срок службы и высокую надежность.
Проблемой использования светодиодов RGB является различие рабочих напряжений. Так напряжение синего и зеленого светодиода составляет 2,7 - 3,7 в, в то время как у красного 1,9 - 2,2 в. Кроме того, диоды разного цвета ведут себя по разному, как с изменением температуры, так и во времени.
В статье "Пять способов получения белого света" рассматривался вариант получения белого цвета на ультрафиолетовых чипах с фотолюминофорами. Такой вариант позволяет унифицировать светодиодный пиксель, используя одинаковое напряжение. Однако, обычные люминофоры имеют невысокий КПД (в пределах 50%) при достаточно крупной структуре (большой размер зерна), что повышает неоднородность свечения и не позволяет использовать такие люминофоры в чипах малого размера.
В статье "Проун: светодиодный экран на QD LED" обсуждались синие чипы с фотолюминофором на квантовых точках для получения зеленого и красного цвета - QD LED. Замечательно то, что в таких фотолюминофорах длина волны излучаемого света зависит не от состава, а только от размера квантовой точки. Фотолюминофоры на базе КТ имеют квантовый выход до 95%.
В этом варианте пикселя на базе трех QD LED световой поток возрастает на 50%. Такая замена R и G светодиодов повышает унификацию экрана по питанию и упрощает схему управления.
Логично сделать следующий шаг. В статье "Полноцветное излучение в технологии микро-светодиодных дисплеев на основе квантовых точек..." рассматривается важное дополнение к QD LED - использовать не синие, а ультрафиолетовые чипы с длиной волны 395 нм. Дело в том, что в предыдущем случае синий цвет получался непосредственно от светодиодного чипа, что затрудняло балансировку белого цвета (особенно при изменении температуры). Использование трех УФ чипов окончательно унифицирует светодиоды в пикселе.
Прежде, чем продолжить, определим два термина. Внутренняя квантовая эффективность IQE (internal quantum efficiency) это отношение количества фотонов, генерируемых внутри СИД (точнее в активной области чипа), к количеству электронов, инжектированных в СИД. Внешняя квантовая эффективность EQE (external quantum efficiency) это отношение количества излучаемых фотонов к количеству электронов, инжектированных в СИД.
Рассмотрим типовой светодиодный чип (аналогичный чипу C450EZ280 фирмы Cree).
Внутренняя квантовая эффективность для такого чипа составит 0,7 - 0,8. Это достаточно высокая величина. IQE определяется величиной безызлучательной рекомбинации и количеством дислокаций в чипе. IQE возрастает с уменьшением тока чипа. Так, при снижении тока 20 до 0,2 ма IQE возрастает на 20%. Существует множество исследований, направленных на повышение IQE. Основным направлением является совершенствование выращивания чипов с целью минимизации дефектов. Заметим, что это сродни искусству. Существуют и другие меры, например пассивирование боковых стенок чипа, направленное на уменьшение дислокаций, как это показано на рисунке.
В ряде публикаций показано, что в перспективе IQE может быть увеличен до 0, 9 - 0,95.
Внешняя квантовая эффективность EQE определяется как отношение количества излучаемых фотонов к количеству электронов, инжектированных в светодиод. Можно выделить три основных фактора, которые уменьшают внешнюю квантовую эффективность. К ним относятся:
- потери при отражении фотонов от границы раздела двух сред с различными показателями преломления;
- потери поглощения фотонов в чипе;
- потери полного внутреннего отражения.
Существует множество разработок, связанных с повышением EQE, направленных как на оптимизацию оптической конструкции чипа, так и на поиск материалов, снижающих потери поглощения. Рассмотрим только некоторые из этих разработок.
1. Использование профилированной сапфировой подложки снижает полное внутреннее отражение. В профиле использован барьер на базе нитрида кремния (Si3N4) с показателем преломления около 2,0, что находится между показателями сапфира (1,8) и GaN (2,4). Поэтому его можно использовать в качестве материала с градиентным показателем преломления, повышающего EQE на 10 - 20%. Рисунок чипа с профилированной сапфировой подложкой показан ниже.
2. По сравнению с ITO на базе оксида индия-олова, использование прозрачного проводящего слоя GaN:Ge показывает улучшенную светоотдачу из-за высокой прозрачности слоя и улучшенного отвода света за счет образования V-образных углублений, как это показано на рисунке. Такое покрытие позволяет увеличить EQE на 15 - 20%.
3. Применение подложек SiC для создания высокоэффективных чипов обосновано по нескольким причинам. Это высокая по сравнению с сапфиром теплопроводность материала, что обеспечивает эффективный отвод тепла из активной области. Другой причиной является хорошее соответствие коэффициентов преломления материала подложки и структуры GaN. В результате свет практически свободно распространяется в подложку, не испытывая эффекта полного внутреннего отражения. Если к этому добавить серебряное зеркало, возвращающее фотоны в чип, то такой вариант может повысить EQE на 30 - 40%. Единственное, что SiC подложка дороже сапфировой на порядок.
4. Чтобы вернуть ультрафиолетовые фотоны, прошедшие мимо фотолюминофоров, на чип наносится слой распределенного брэгговского отражателя (в данном случае многослойная структура HfO 2/SiO 2 из 17,5 пар), отражающего большую часть ультрафиолетовых фотонов обратно в слои фотолюминофора. Благодаря этому механизму, EQE возрастает на 194% (синий), 173% (зеленый) и 183% (красный). См. статью "Полноцветное излучение в технологии микро-светодиодных дисплеев на основе квантовых точек...". Отражающая способность зеркала Брэгга для различного количества слоев показана на рисунке.
На следующем рисунке из той же статьи показан технологический процесс создания фрагмента светодиодного дисплея на основе QD LED.
Что в итоге? Наверное, одновременное использование всех рассмотренных инноваций нецелесообразно, да и невозможно. Кроме того, существуют еще сотни инноваций, направленных на повышение EQE. В целом ряде исследовательских статей утверждается возможность достижения внешней квантовой эффективности величины 0,8 - 0,9, вместо сегодняшних значений 0,3 - 0,5.
Если / когда такие QD LED - светодиоды 3 в 1 на базе ультрафиолетовых кристаллов и фотолюминофорами на базе коллоидных квантовых точек будут созданы, появятся как светодиодные экраны, так и телевизоры третьего поколения с пониженным в 2 - 3 раза потреблением и, соответственно, повышенными сроком службы и надежностью.