Дар диодҳои рӯшноии GaN (LED), пешрафти пайваста дар усулҳои афзоиши эпитаксиалӣ ва меъмории дастгоҳҳо самаранокии квантии дохилиро (IQE) ба ҳадди назариявии худ наздиктар кардааст. Бо вуҷуди ин пешрафтҳо, самаранокии умумии равшании LED-ҳо аз ҷониби самаранокии истихроҷи рӯшноӣ (LEE) асосан маҳдуд аст. Азбаски сапфир маводи асосии субстрат барои эпитаксии GaN боқӣ мемонад, морфологияи сатҳи он дар идоракунии талафоти оптикӣ дар дохили дастгоҳ нақши ҳалкунанда мебозад.

Ин мақола муқоисаи ҳамаҷонибаро байни субстратҳои сапфири ҳамвор ва нақшдор пешниҳод мекунад.субстратҳои ёқутӣ (PSS)Он механизмҳои оптикӣ ва кристаллографиро, ки тавассути онҳо PSS самаранокии истихроҷи рӯшноиро афзоиш медиҳад, шарҳ медиҳад ва мефаҳмонад, ки чаро PSS ба стандарти воқеӣ дар истеҳсоли LED-ҳои баландсифат табдил ёфтааст.

1. Самаранокии истихроҷи рӯшноӣ ҳамчун монеаи асосӣ

Самаранокии квантии беруна (EQE)-и LED аз рӯи ҳосили ду омили асосӣ муайян карда мешавад:

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

EQE=IQE×LEE

Дар ҳоле ки IQE самаранокии рекомбинатсияи радиатсиониро дар минтақаи фаъол муайян мекунад, LEE ҳиссаи фотонҳои тавлидшударо, ки бомуваффақият аз дастгоҳ берун мешаванд, тавсиф мекунад.

Барои LED-ҳои дар асоси GaN, ки дар субстратҳои ёқутӣ парвариш карда мешаванд, LEE дар тарҳҳои анъанавӣ одатан тақрибан 30-40% маҳдуд аст. Ин маҳдудият асосан аз инҳо бармеояд:

• Номувофиқати шадиди нишондиҳандаи шикаст байни GaN (n ≈ 2.4), сапфир (n ≈ 1.7) ва ҳаво (n ≈ 1.0)

• Инъикоси қавии дохилии пурра (TIR) ​​дар интерфейсҳои ҳамвор

• Ҷамъшавии фотонҳо дар қабатҳои эпитаксиалӣ ва субстрат

Дар натиҷа, қисми назарраси фотонҳои тавлидшуда аз якчанд инъикоси дохилӣ мегузаранд ва дар ниҳоят аз ҷониби мавод ҷаббида мешаванд ё ба гармӣ табдил меёбанд, на ба баромади муфиди рӯшноӣ.

2. Субстратҳои ҳамвори ёқутӣ: Соддагии сохторӣ бо маҳдудиятҳои оптикӣ

2.1 Хусусиятҳои сохторӣ

Субстратҳои ҳамвори сапфирӣ одатан самти ҳамвории c (0001)-ро бо сатҳи ҳамвор ва ҳамвор истифода мебаранд. Онҳо ба таври васеъ истифода шудаанд, зеро:

• Сифати баланди кристаллӣ

• Устувории аълои гармӣ ва химиявӣ

• Равандҳои истеҳсолии пухта ва арзон

2.2 Рафтори оптикӣ

Аз нуқтаи назари оптикӣ, интерфейсҳои ҳамвор ба роҳҳои хеле самтӣ ва пешгӯишавандаи паҳншавии фотонҳо оварда мерасонанд. Вақте ки фотонҳои дар минтақаи фаъоли GaN тавлидшуда ба интерфейси GaN-ҳаво ё GaN-ёқут дар кунҷҳои афтидан аз кунҷи интиқодӣ зиёдтар мерасанд, инъикоси пурраи дохилӣ ба амал меояд.

Ин натиҷа медиҳад:

• Маҳдудияти қавии фотон дар дохили дастгоҳ

• Афзоиши ҷабби электродҳои металлӣ ва ҳолатҳои нуқсон

• Тақсимоти кунҷии маҳдуди нури партофташуда

Дар асл, субстратҳои ҳамвори сафирӣ дар рафъи маҳдудияти оптикӣ кӯмаки кам мерасонанд.

3. Субстратҳои ёқутии нақшдор: Консепсия ва тарҳи сохторӣ

Субстрати сапфири нақшдор (PSS) бо роҳи ворид кардани сохторҳои микро- ё нано-миқёси даврӣ ё квазипериодӣ ба сатҳи сапфир бо истифода аз усулҳои фотолитография ва кандакорӣ ташкил карда мешавад.

Геометрияҳои маъмулии PSS инҳоянд:

• Сохторҳои конусӣ

• Гунбазҳои нимкурӣ

• Хусусиятҳои пирамидавӣ

• Шаклҳои конуси кӯтоҳшуда ё силиндрӣ

Андозаҳои маъмулии хусусиятҳо аз субмикрометр то якчанд микрометр мебошанд, ки баландии бодиққат назоратшаванда, қадам ва давраи кор мебошанд.

4. Механизмҳои баланд бардоштани истихроҷи рӯшноӣ дар PSS

4.1 Саркӯб кардани инъикоси пурраи дохилӣ

Топографияи сеченака PSS кунҷҳои маҳаллии афтиданро дар интерфейсҳои мавод тағйир медиҳад. Фотонҳое, ки дар акси ҳол инъикоси пурраи дохилиро дар сарҳади ҳамвор эҳсос мекарданд, ба кунҷҳои дохили конуси фирор равона карда мешаванд, ки эҳтимолияти баромадан аз дастгоҳро ба таври назаррас зиёд мекунад.

4.2 Парокандагии оптикии такмилёфта ва тасодуфии роҳҳо

Сохторҳои PSS ҳодисаҳои сершумори шикаст ва инъикосро ба вуҷуд меоранд, ки ба инҳо оварда мерасонанд:

• Тасодуфии самтҳои паҳншавии фотонҳо

• Афзоиши ҳамкорӣ бо интерфейсҳои истихроҷи нур

• Кам кардани вақти будубоши фотонҳо дар дохили дастгоҳ

Аз рӯи омор, ин таъсирҳо эҳтимолияти истихроҷи фотонро пеш аз ба амал омадани ҷаббиш зиёд мекунанд.

4.3 Баҳодиҳии самараноки нишондиҳандаи шикаст

Аз нуқтаи назари моделсозии оптикӣ, PSS ҳамчун қабати гузариши самараноки нишондиҳандаи шикаст амал мекунад. Ба ҷои тағйири ногаҳонии нишондиҳандаи шикаст аз GaN ба ҳаво, минтақаи нақшдор тағирёбии тадриҷии нишондиҳандаи шикастро таъмин мекунад ва бо ин васила талафоти инъикоси Фреснелро коҳиш медиҳад.

Ин механизм аз ҷиҳати консептуалӣ ба пӯшишҳои зиддиинъикос монанд аст, гарчанде ки он ба оптикаи геометрӣ такя мекунад, на ба интерференсияи плёнкаи тунук.

4.4 Кам кардани ғайримустақими талафоти ҷабби оптикӣ

Бо кӯтоҳ кардани дарозии масири фотонҳо ва пахш кардани инъикосҳои такрории дохилӣ, PSS эҳтимолияти ҷабби оптикиро тавассути инҳо коҳиш медиҳад:

• Тамосҳои металлӣ

• Ҳолатҳои нуқсони кристаллӣ

• Ҷабби озоди интиқолдиҳанда дар GaN

Ин таъсирҳо ҳам ба самаранокии баландтар ва ҳам ба беҳтар шудани кори гармидиҳӣ мусоидат мекунанд.

5. Бартариҳои иловагӣ: Беҳтар шудани сифати булӯр

Илова бар такмили оптикӣ, PSS инчунин сифати маводи эпитаксиалиро тавассути механизмҳои афзоиши аз ҳад зиёди эпитаксиалии паҳлӯӣ (LEO) беҳтар мекунад:

• Ҷудокуниҳо, ки аз интерфейси сапфир-GaN сарчашма мегиранд, равона карда мешаванд ё қатъ мегарданд.

• Зичии дислокатсияи ришта ба таври назаррас коҳиш ёфтааст

• Сифати беҳтаршудаи кристалл эътимоднокии дастгоҳ ва мӯҳлати кори онро беҳтар мекунад

Ин бартарии дугонаи оптикӣ ва сохторӣ PSS-ро аз усулҳои соф оптикии текстурасозии сатҳӣ фарқ мекунад.

6. Муқоисаи миқдорӣ: Сапфири ҳамвор ва PSS

Афзоиши воқеии самаранокӣ аз геометрияи нақш, дарозии мавҷи партовҳо, меъмории чип ва стратегияи бастабандӣ вобаста аст.

7. Мутобиқатҳо ва мулоҳизаҳои муҳандисӣ

Бо вуҷуди бартариҳои худ, PSS як қатор мушкилоти амалиро ба миён меорад:

• Марҳилаҳои иловагии литография ва кандакорӣ арзиши истеҳсолотро зиёд мекунанд

• Якрангии нақш ва чуқурии кандакорӣ назорати дақиқро талаб мекунад

• Нақшаҳои нодуруст оптимизатсияшуда метавонанд ба якрангии эпитаксиалӣ таъсири манфӣ расонанд

Аз ин рӯ, беҳсозии PSS дар асл як вазифаи бисёрсоҳавӣ аст, ки симулятсияи оптикӣ, муҳандисии афзоиши эпитаксиалӣ ва тарроҳии дастгоҳро дар бар мегирад.

8. Дурнамои соҳа ва дурнамои оянда

Дар истеҳсоли муосири LED, PSS дигар ҳамчун такмили иловагӣ ҳисобида намешавад. Дар барномаҳои LED-ҳои миёна ва баландқувват - аз ҷумла равшании умумӣ, равшании автомобилӣ ва равшании экран - он ба як технологияи асосӣ табдил ёфтааст.

Тамоюлҳои таҳқиқот ва рушди оянда инҳоянд:

• Тарҳҳои пешрафтаи PSS, ки барои барномаҳои Mini-LED ва Micro-LED тарҳрезӣ шудаанд

• Усулҳои гибридӣ, ки PSS-ро бо кристаллҳои фотонӣ ё текстураи сатҳи наномасштабӣ муттаҳид мекунанд

• Идомаи талошҳо барои коҳиш додани хароҷот ва технологияҳои қолаббандии миқёспазир

Хулоса

Субстратҳои ёқутии нақшдор гузариши бунёдиро аз такягоҳҳои механикии ғайрифаъол ба ҷузъҳои функсионалии оптикӣ ва сохторӣ дар дастгоҳҳои LED нишон медиҳанд. PSS бо бартараф кардани талафоти истихроҷи рӯшноӣ дар решаҳои онҳо - яъне маҳдудкунии оптикӣ ва инъикоси интерфейс - самаранокии баландтар, эътимоднокии беҳтар ва кори устувортари дастгоҳро таъмин мекунад.

Баръакс, дар ҳоле ки субстратҳои ҳамвори ёқутӣ аз сабаби қобили истеҳсол ва арзиши пасти худ ҷолиб боқӣ мемонанд, маҳдудиятҳои оптикии дохилии онҳо мувофиқати онҳоро барои LED-ҳои баландсифати насли оянда маҳдуд мекунанд. Бо рушди технологияи LED, PSS ҳамчун як мисоли равшани он аст, ки чӣ гуна муҳандисии мавод метавонад мустақиман ба дастовардҳои самаранокии сатҳи система табдил ёбад.