GaN asosidagi yorug'lik chiqaradigan diodlarda (LED) epitaksial o'sish texnikasi va qurilma arxitekturasidagi uzluksiz taraqqiyot ichki kvant samaradorligini (IQE) nazariy maksimal darajaga tobora yaqinlashtirdi. Ushbu yutuqlarga qaramay, LEDlarning umumiy yorug'lik samaradorligi yorug'lik chiqarish samaradorligi (LEE) bilan tubdan cheklanganligicha qolmoqda. Safir GaN epitaksiyasi uchun asosiy substrat materiali bo'lib qolayotganligi sababli, uning sirt morfologiyasi qurilma ichidagi optik yo'qotishlarni boshqarishda hal qiluvchi rol o'ynaydi.

Ushbu maqolada yassi sapfir substratlari va naqshli o'rtasidagi keng qamrovli taqqoslash keltirilgansapfir substratlari (PSS)Bu PSS yorug'lik chiqarish samaradorligini oshirishning optik va kristallografik mexanizmlarini ochib beradi va PSS nima uchun yuqori samarali LED ishlab chiqarishda amalda standartga aylanganini tushuntiradi.

1. Yorug'lik chiqarish samaradorligi asosiy to'siq sifatida

LEDning tashqi kvant samaradorligi (EQE) ikkita asosiy omilning ko'paytmasi bilan belgilanadi:

$EQE=IQE\times LEE\backslash text\{EQE\}\; =\; \backslash text\{IQE\}\; \backslash times\; \backslash text\{LEE\}$

EQE=IQE×LEE

IQE faol mintaqadagi nurlanish rekombinatsiyasining samaradorligini aniqlasa-da, LEE qurilmadan muvaffaqiyatli chiqib ketadigan hosil bo'lgan fotonlarning ulushini tavsiflaydi.

Safir substratlarida o'stirilgan GaN asosidagi LEDlar uchun an'anaviy dizaynlardagi LEE odatda taxminan 30-40% bilan cheklangan. Bu cheklov asosan quyidagilardan kelib chiqadi:

• GaN (n ≈ 2.4), sapfir (n ≈ 1.7) va havo (n ≈ 1.0) o'rtasida sinish ko'rsatkichining jiddiy nomuvofiqligi

• Planar interfeyslarda kuchli to'liq ichki aks ettirish (TIR)

• Epitaksial qatlamlar va substrat ichida fotonlarning ushlanishi

Natijada, hosil bo'lgan fotonlarning katta qismi bir nechta ichki aks ettirishlardan o'tadi va oxir-oqibat foydali yorug'lik chiqishiga hissa qo'shish o'rniga material tomonidan so'riladi yoki issiqlikka aylanadi.

2. Yassi Safir substratlari: Optik cheklovlar bilan strukturaviy soddalik

2.1 Strukturaviy xususiyatlar

Yassi sapfir substratlari odatda silliq, tekis yuzaga ega bo'lgan c-tekislik (0001) yo'nalishini qo'llaydi. Ular quyidagi sabablarga ko'ra keng qo'llanilgan:

• Yuqori kristalli sifat

• Zo'r termal va kimyoviy barqarorlik

• Yetuk va tejamkor ishlab chiqarish jarayonlari

2.2 Optik xatti-harakatlar

Optik nuqtai nazardan, tekis interfeyslar yuqori yo'nalishli va oldindan aytib bo'ladigan foton tarqalish yo'llariga olib keladi. GaN faol mintaqasida hosil bo'lgan fotonlar kritik burchakdan oshib ketadigan tushish burchaklarida GaN-havo yoki GaN-safir interfeysiga yetganda, to'liq ichki aks ettirish sodir bo'ladi.

Bu quyidagilarga olib keladi:

• Qurilma ichida kuchli foton cheklanishi

• Metall elektrodlar va nuqson holatlari tomonidan yutilishni oshirish

• Chiqarilgan yorug'likning cheklangan burchak taqsimoti

Aslida, tekis sapfir substratlari optik cheklovni yengib o'tishda juda kam yordam beradi.

3. Naqshli sapfir substratlari: kontseptsiya va strukturaviy dizayn

Naqshli sapfir substrati (PSS) fotolitografiya va o'yib ishlov berish texnikasi yordamida sapfir yuzasiga davriy yoki kvazi-davriy mikro yoki nanoskalali tuzilmalarni kiritish orqali hosil qilinadi.

Umumiy PSS geometriyalari quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Konussimon tuzilmalar

• Yarim sharsimon gumbazlar

• Piramidal xususiyatlar

• Silindrsimon yoki kesilgan konus shakllari

Odatdagi xususiyat o'lchamlari submikrometrdan bir necha mikrometrgacha bo'lgan masofani bosib o'tadi, balandlik, qadam va ish aylanishi ehtiyotkorlik bilan boshqariladi.

4. PSSda yorug'lik ekstraktsiyasini kuchaytirish mexanizmlari

4.1 To'liq ichki aks ettirishni bostirish

PSS ning uch o'lchovli topografiyasi material interfeyslarida mahalliy tushish burchaklarini o'zgartiradi. Aks holda tekis chegarada to'liq ichki aks ettirishni boshdan kechiradigan fotonlar qochish konusining ichidagi burchaklarga yo'naltiriladi, bu ularning qurilmadan chiqish ehtimolini sezilarli darajada oshiradi.

4.2 Optik sochilish va yo'lni tasodifiylashtirishni kuchaytirish

PSS tuzilmalari bir nechta sinish va aks ettirish hodisalarini keltirib chiqaradi, bu esa quyidagilarga olib keladi:

• Fotonlarning tarqalish yo'nalishlarini tasodifiylashtirish

• Yorug'lik chiqarish interfeyslari bilan o'zaro ta'sirning ortishi

• Qurilma ichida fotonlarning qolish vaqti qisqartirildi

Statistik jihatdan, bu effektlar yutilishdan oldin foton ekstraktsiyasi ehtimolini oshiradi.

4.3 Samarali sinish ko'rsatkichini baholash

Optik modellashtirish nuqtai nazaridan, PSS samarali sinish ko'rsatkichi o'tish qatlami vazifasini bajaradi. GaN dan havoga keskin sinish ko'rsatkichi o'zgarishi o'rniga, naqshli mintaqa asta-sekin sinish ko'rsatkichi o'zgarishini ta'minlaydi va shu bilan Fresnel aks ettirish yo'qotishlarini kamaytiradi.

Bu mexanizm kontseptual jihatdan aks ettiruvchi qoplamalarga o'xshaydi, garchi u yupqa plyonkali interferentsiya o'rniga geometrik optikaga tayansa ham.

4.4 Optik yutilish yo'qotishlarining bilvosita kamayishi

Foton yo'l uzunligini qisqartirish va takroriy ichki aks ettirishlarni bostirish orqali PSS optik yutish ehtimolini quyidagicha kamaytiradi:

• Metall kontaktlar

• Kristall nuqson holatlari

• GaN da erkin tashuvchilarning yutilishi

Bu ta'sirlar ham yuqori samaradorlikka, ham issiqlik ko'rsatkichlarining yaxshilanishiga hissa qo'shadi.

5. Qo'shimcha afzalliklar: Kristall sifatini yaxshilash

Optik kuchaytirishdan tashqari, PSS lateral epitaksial o'sish (LEO) mexanizmlari orqali epitaksial material sifatini ham yaxshilaydi:

• Safir-GaN interfeysidan kelib chiqadigan dislokatsiyalar yo'naltiriladi yoki tugaydi

• Tishli dislokatsiya zichligi sezilarli darajada kamayadi

• Kristall sifatining yaxshilanishi qurilmaning ishonchliligi va ishlash muddatini oshiradi

Bu ikki tomonlama optik va strukturaviy afzallik PSSni faqat optik sirt teksturalash yondashuvlaridan ajratib turadi.

6. Miqdoriy taqqoslash: Yassi Safir va PSS

Haqiqiy ishlash ko'rsatkichlari naqsh geometriyasi, emissiya to'lqin uzunligi, chip arxitekturasi va qadoqlash strategiyasiga bog'liq.

7. Muvofiqlik va muhandislik jihatlari

Afzalliklariga qaramay, PSS bir qator amaliy qiyinchiliklarni keltirib chiqaradi:

• Qo'shimcha litografiya va o'yib ishlov berish bosqichlari ishlab chiqarish narxini oshiradi

• Naqshning bir xilligi va o'yma chuqurligi aniq nazoratni talab qiladi

• Yomon optimallashtirilgan naqshlar epitaksial bir xillikka salbiy ta'sir ko'rsatishi mumkin

Shuning uchun, PSS optimallashtirish, asosan, optik simulyatsiya, epitaksial o'sish muhandisligi va qurilma dizaynini o'z ichiga olgan ko'p tarmoqli vazifadir.

8. Sanoat istiqboli va kelajak istiqbollari

Zamonaviy LED ishlab chiqarishda PSS endi ixtiyoriy qo'shimcha sifatida qaralmaydi. O'rta va yuqori quvvatli LED ilovalarida, jumladan, umumiy yoritish, avtomobil yoritgichlari va displey orqa yoritgichlarida, u asosiy texnologiyaga aylandi.

Kelajakdagi tadqiqot va ishlanmalar tendentsiyalari quyidagilarni o'z ichiga oladi:

• Mini-LED va Micro-LED ilovalari uchun moslashtirilgan ilg'or PSS dizaynlari

• PSS ni fotonik kristallar yoki nanoskalali sirt teksturasi bilan birlashtirgan gibrid yondashuvlar

• Xarajatlarni kamaytirish va kengaytiriladigan naqshlash texnologiyalariga qaratilgan sa'y-harakatlarni davom ettirish

Xulosa

Naqshli sapfir substratlari LED qurilmalarida passiv mexanik tayanchlardan funktsional optik va strukturaviy komponentlarga tubdan o'tishni ifodalaydi. Yorug'lik chiqarish yo'qotishlarini ularning ildizida, ya'ni optik cheklash va interfeys aks ettirishda hal qilish orqali PSS yuqori samaradorlik, yaxshilangan ishonchlilik va qurilmaning yanada izchil ishlashini ta'minlaydi.

Aksincha, yassi sapfir substratlari ishlab chiqarish qobiliyati va arzonligi tufayli jozibador bo'lib qolsa-da, ularning ichki optik cheklovlari ularning keyingi avlod yuqori samarali LEDlar uchun mosligini cheklaydi. LED texnologiyasi rivojlanishda davom etar ekan, PSS materiallar muhandisligi tizim darajasidagi ishlash samaradorligini qanday qilib to'g'ridan-to'g'ri oshirishi mumkinligining yaqqol namunasi bo'lib xizmat qiladi.