GaN негизиндеги жарык чыгаруучу диоддордо (LED) эпитаксиалдык өсүү ыкмаларындагы жана түзүлүштөрдүн архитектурасындагы тынымсыз прогресс ички кванттык эффективдүүлүктү (IQE) теориялык максимумга жакындатты. Бул жетишкендиктерге карабастан, LEDдердин жалпы жарык чыгаруу эффективдүүлүгү жарыкты бөлүп алуу эффективдүүлүгү (LEE) менен чектелүү бойдон калууда. Сапфир GaN эпитаксиясы үчүн негизги субстрат материалы бойдон калууда, анын беттик морфологиясы түзүлүштүн ичиндеги оптикалык жоготууларды башкарууда чечүүчү ролду ойнойт.

Бул макалада жалпак сапфир субстраттары менен оймо-чиймелүүлөрдүн ортосундагы ар тараптуу салыштыруу келтирилген.сапфир субстраттары (PSS)Ал PSS жарыкты чыгаруунун натыйжалуулугун жогорулатуучу оптикалык жана кристаллографиялык механизмдерди түшүндүрөт жана PSS эмне үчүн жогорку өндүрүмдүү LED өндүрүшүндө иш жүзүндө стандартка айланганын түшүндүрөт.

1. Жарыкты сыгып алуунун натыйжалуулугу негизги тоскоолдук катары

Светодиоддун тышкы кванттык эффективдүүлүгү (ЭКЭ) эки негизги фактордун көбөйтүндүсү менен аныкталат:

$EQE=IQE\times LEE\backslash текст\{EQE\}\; =\; \backslash текст\{IQE\}\; \backslash убакыт\; \backslash текст\{LEE\}$

EQE=IQE×LEE

IQE активдүү аймактын ичиндеги радиациялык рекомбинациянын натыйжалуулугун сандык жактан аныктаса, LEE түзмөктөн ийгиликтүү чыгып кеткен генерацияланган фотондордун үлүшүн сүрөттөйт.

Сапфир субстраттарында өстүрүлгөн GaN негизиндеги светодиоддор үчүн, салттуу конструкциялардагы LEE адатта болжол менен 30–40% менен чектелет. Бул чектөө негизинен төмөнкүлөрдөн келип чыгат:

• GaN (n ≈ 2.4), сапфир (n ≈ 1.7) жана аба (n ≈ 1.0) ортосундагы сынуу көрсөткүчүнүн олуттуу дал келбестиги

• Тегиздик интерфейстеринде күчтүү толук ички чагылуусу (TIR)

• Эпитаксиалдык катмарларда жана субстратта фотондордун кармалышы

Натыйжада, пайда болгон фотондордун олуттуу бөлүгү бир нече ички чагылууларга дуушар болот жана пайдалуу жарыктын чыгышына салым кошкондун ордуна, акыры материал тарабынан сиңип кетет же жылуулукка айланат.

2. Жалпак сапфир субстраттары: оптикалык чектөөлөр менен структуралык жөнөкөйлүк

2.1 Структуралык мүнөздөмөлөр

Жалпак сапфир субстраттары, адатта, жылмакай, тегиз бети бар с-тегиздик (0001) багытын колдонот. Алар төмөнкүлөрдүн аркасында кеңири колдонулган:

• Жогорку кристаллдык сапат

• Мыкты жылуулук жана химиялык туруктуулук

• Жетилген жана үнөмдүү өндүрүш процесстери

2.2 Оптикалык жүрүм-турум

Оптикалык көз караштан алганда, тегиздик интерфейстери фотондордун таралуу жолдоруна жогорку багыттагы жана алдын ала айтууга мүмкүн болгон жолдорго алып келет. GaN активдүү аймагында пайда болгон фотондор GaN-аба же GaN-сапфир интерфейсине критикалык бурчтан ашып түшкөн бурчтар менен жеткенде, толук ички чагылуу пайда болот.

Натыйжада:

• Түзмөктүн ичинде фотондордун күчтүү чектелиши

• Металл электроддору жана кемчилик абалдары менен сиңирүүнүн жогорулашы

• Чыгарылган жарыктын чектелген бурчтук бөлүштүрүлүшү

Негизинен, жалпак сапфир субстраттары оптикалык чектөөнү жеңүүгө аз жардам берет.

3. Оймо-чиймелүү сапфир субстраттары: концепция жана структуралык дизайн

Фотолитография жана оюу ыкмаларын колдонуу менен сапфирдин бетине мезгилдүү же квазимезгилдүү микро- же наноөлчөмдүү структураларды киргизүү менен оймо-чиймелүү сапфир субстраты (PSS) пайда болот.

Жалпы PSS геометрияларына төмөнкүлөр кирет:

• Конус формасындагы түзүлүштөр

• Жарым шар формасындагы күмбөздөр

• Пирамидалык өзгөчөлүктөр

• Цилиндрдик же кыскартылган конус формалары

Типтүү өзгөчөлүк өлчөмдөрү субмикрометрден бир нече микрометрге чейин, бийиктиги, кадамы жана иштөө цикли кылдаттык менен көзөмөлдөнөт.

4. PSSте жарыкты бөлүп алууну күчөтүү механизмдери

4.1 Толук ички чагылдырууну басуу

PSSтин үч өлчөмдүү топографиясы материалдык интерфейстердеги жергиликтүү түшүү бурчтарын өзгөртөт. Башкача айтканда, жалпак чек арада толук ички чагылышууну сезе турган фотондор качуу конусунун ичиндеги бурчтарга багытталат, бул алардын түзмөктөн чыгып кетүү ыктымалдыгын бир топ жогорулатат.

4.2 Оптикалык чачыратуу жана жолду рандомизациялоону күчөтүү

PSS структуралары бир нече сынуу жана чагылуу окуяларын киргизет, бул төмөнкүлөргө алып келет:

• Фотондордун таралуу багыттарын рандомизациялоо

• Жарык чыгаруучу интерфейстер менен өз ара аракеттенүүнүн жогорулашы

• Фотондордун түзмөктө болуу убактысын кыскартуу

Статистикалык жактан алганда, бул эффекттер абсорбция болгонго чейин фотондорду бөлүп алуу ыктымалдыгын жогорулатат.

4.3 Натыйжалуу сынуу көрсөткүчүн баалоо

Оптикалык моделдөө көз карашынан алганда, PSS натыйжалуу сынуу көрсөткүчүнүн өткөөл катмары катары иштейт. GaNден абага кескин сынуу көрсөткүчүнүн өзгөрүшүнүн ордуна, үлгүлүү аймак акырындык менен сынуу көрсөткүчүнүн өзгөрүшүн камсыз кылат, ошону менен Френельдин чагылдыруу жоготууларын азайтат.

Бул механизм концептуалдык жактан чагылдырууга каршы каптоолорго окшош, бирок ал жука пленка интерференциясына эмес, геометриялык оптикага таянат.

4.4 Оптикалык абсорбциялык жоготууларды кыйыр түрдө азайтуу

Фотон жолунун узундугун кыскартуу жана кайталанган ички чагылууларды басуу менен, PSS оптикалык жутулуунун ыктымалдыгын төмөнкүлөр аркылуу азайтат:

• Металл контакттар

• Кристаллдык кемчилик абалдары

• GaNдеги эркин алып жүрүүчүлөрдүн сиңирилиши

Бул таасирлер жогорку натыйжалуулукка жана жылуулук көрсөткүчтөрүнүн жакшырышына өбөлгө түзөт.

5. Кошумча артыкчылыктар: Кристаллдын сапатын жакшыртуу

Оптикалык жакшыртуудан тышкары, PSS каптал эпитаксиалдык ашыкча өсүү (LEO) механизмдери аркылуу эпитаксиалдык материалдын сапатын да жакшыртат:

• Сапфир-ГаН интерфейсинен келип чыккан дислокациялар кайра багытталат же токтотулат

• Жиптин дислокациясынын тыгыздыгы бир кыйла төмөндөйт

• Жакшыртылган кристалл сапаты түзмөктүн ишенимдүүлүгүн жана иштөө мөөнөтүн жогорулатат

Бул кош оптикалык жана структуралык артыкчылык PSSти таза оптикалык беттик текстуралоо ыкмаларынан айырмалап турат.

6. Сандык салыштыруу: Жалпак сапфир жана PSS

Иш жүзүндөгү көрсөткүчтөрдүн жогорулашы үлгү геометриясына, эмиссиянын толкун узундугуна, чип архитектурасына жана таңгактоо стратегиясына көз каранды.

7. Компромисстер жана инженердик маселелер

Артыкчылыктарына карабастан, PSS бир катар практикалык кыйынчылыктарды жаратат:

• Литография жана гравюранын кошумча кадамдары өндүрүштүн баасын жогорулатат

• Үлгүлөрдүн бирдейлиги жана оюу тереңдиги так көзөмөлдү талап кылат

• Начар оптималдаштырылган үлгүлөр эпитаксиалдык бирдейликке терс таасирин тийгизиши мүмкүн

Ошондуктан, PSS оптималдаштыруу оптикалык симуляцияны, эпитаксиалдык өсүү инженериясын жана түзмөктөрдү долбоорлоону камтыган көп тармактуу милдет болуп саналат.

8. Тармактын келечеги жана келечек келечеги

Заманбап LED өндүрүшүндө PSS мындан ары кошумча жакшыртуу катары каралбайт. Орто жана жогорку кубаттуулуктагы LED колдонмолорунда, анын ичинде жалпы жарыктандыруу, автомобиль жарыктандыруу жана дисплейдин арткы жарыгы сыяктуу тармактарда, ал базалык технологияга айланды.

Келечектеги изилдөө жана иштеп чыгуу тенденциялары төмөнкүлөрдү камтыйт:

• Mini-LED жана Micro-LED колдонмолору үчүн ылайыкташтырылган өркүндөтүлгөн PSS дизайндары

• PSSти фотондук кристаллдар же наномасштабдуу беттик текстура менен айкалыштырган гибриддик ыкмалар

• Чыгымдарды азайтуу жана масштабдуу үлгү технологияларын иштеп чыгуу боюнча аракеттер уланууда

Жыйынтык

Оймо-чиймелүү сапфир субстраттары LED түзмөктөрүндөгү пассивдүү механикалык таянычтардан функционалдык оптикалык жана структуралык компоненттерге фундаменталдык өтүүнү билдирет. Жарыктын экстракциялык жоготууларын, атап айтканда, оптикалык чектөөнү жана интерфейстин чагылышын чечүү менен, PSS жогорку натыйжалуулукту, жакшыртылган ишенимдүүлүктү жана түзмөктүн туруктуу иштешин камсыз кылат.

Ал эми жалпак сапфир субстраттары өндүрүштүк мүмкүнчүлүгү жана арзан баасынан улам жагымдуу бойдон калса да, алардын оптикалык чектөөлөрү кийинки муундагы жогорку натыйжалуу LED лампаларына ылайыктуулугун чектейт. LED технологиясы өнүгүп жаткандыктан, PSS материалдарды инженерия система деңгээлиндеги иштин натыйжалуулугун жогорулатууга кантип түздөн-түз таасир этеринин ачык мисалы болуп саналат.