GaN нигезендәге яктылык чыгаручы диодларда (LED) эпитаксиаль үсеш техникаларында һәм җайланма архитектурасында өзлексез алгарыш эчке квант нәтиҗәлелеген (IQE) теоретик максимумга якынлаштырды. Бу алгарышларга карамастан, LEDларның гомуми яктылык чыгару нәтиҗәлелеге яктылык чыгару нәтиҗәлелеге (LEE) белән чикләнгән булып кала. Сапфир GaN эпитаксиясе өчен төп субстрат материалы булып калгач, аның өслек морфологиясе җайланма эчендәге оптик югалтуларны көйләүдә хәлиткеч роль уйный.

Бу мәкалә яссы сапфир субстратлары һәм бизәклеләре арасында тулы чагыштыру тәкъдим итә.сапфир субстратлары (PSS)Ул PSS яктылык чыгару нәтиҗәлелеген арттыруның оптик һәм кристаллографик механизмнарын ачыклый һәм PSS ни өчен югары җитештерүчәнле LED җитештерүдә фактик стандартка әйләнгәнен аңлата.

1. Яктылык чыгару нәтиҗәлелеге төп киртә буларак

Светодиодның тышкы квант нәтиҗәлелеге (EQE) ике төп факторның тапкырланышы белән билгеләнә:

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

EQE=IQE×LEE

IQE актив өлкә эчендә нурланыш рекомбинациясенең нәтиҗәлелеген саннар белән күрсәтсә, LEE җайланмадан уңышлы чыгып киткән генерацияләнгән фотоннарның өлешен сурәтли.

Сапфир субстратларында үстерелгән GaN нигезендәге светодиодлар өчен, гадәти конструкцияләрдәге LEE гадәттә якынча 30–40% белән чикләнә. Бу чикләү, нигездә, түбәндәгеләрдән килеп чыга:

• GaN (n ≈ 2.4), сапфир (n ≈ 1.7) һәм һава (n ≈ 1.0) арасында сыну күрсәткече туры килмәүчәнлеге.

• Планнар чикләрдә көчле тулы эчке чагылыш (TIR)

• Эпитаксиаль катламнарда һәм субстратта фотоннарның тотылуы

Нәтиҗәдә, барлыкка килгән фотоннарның зур өлеше күпсанлы эчке чагылышларга дучар була һәм, нәтиҗәдә, файдалы яктылык чыгару урынына, материал тарафыннан сеңдерелә яки җылылыкка әйләнә.

2. Яссы сапфир субстратлары: оптик чикләүләр белән структураль гадилек

2.1 Структура үзенчәлекләре

Яссы сапфир субстратлары гадәттә тигез, яссы өслекле с-яссылык (0001) юнәлешен кулланалар. Алар түбәндәге сәбәпләр аркасында киң кулланылышка кергән:

• Югары кристалл сыйфатлы

• Бик яхшы термик һәм химик тотрыклылык

• Өлгергән һәм чыгымлы җитештерү процесслары

2.2 Оптик тәртип

Оптик яктан караганда, яссы интерфейслар югары юнәлешле һәм фаразланырлык фотон таралу юлларына китерә. GaN актив өлкәсендә барлыкка килгән фотоннар GaN-һава яки GaN-сапфир интерфейсына критик почмактан артык төшү почмакларында җиткәч, тулы эчке чагылыш барлыкка килә.

Нәтиҗәдә:

• Җайланма эчендә көчле фотон чикләүе

• Металл электродлары һәм дефект халәтләре белән сеңүнең артуы

• Чыгарылган яктылыкның чикләнгән почмак таралышы

Асылда, яссы сапфир субстратлары оптик чикләүләрне җиңүдә аз ярдәм күрсәтә.

3. Үрнәкле сапфир субстратлары: концепция һәм структура дизайны

Фотолитография һәм гравюра ысуллары ярдәмендә сапфир өслегенә периодик яки квазипериодик микро- яки нанокүләмле структуралар кертү юлы белән бизәкле сапфир субстраты (PSS) формалаша.

Гадәти PSS геометрияләренә түбәндәгеләр керә:

• Конус формасындагы корылмалар

• Ярымшарсыман гөмбәзләр

• Пирамида формасындагы үзенчәлекләр

• Цилиндр яки кыскартылган конус формалары

Гадәти үлчәмнәр субмикрометрдан алып берничә микрометрга кадәр була, биеклек, адым һәм эш циклы җентекләп контрольдә тотыла.

4. PSS'та яктылыкны чыгаруны көчәйтү механизмнары

4.1 Тулы эчке чагылышны бастыру

PSS-ның өч үлчәмле топографиясе материал чикләрендәге локаль төшү почмакларын үзгәртә. Башкача тигез чиктә тулы эчке чагылыш кичерәчәк фотоннар качу конусы эчендәге почмакларга юнәлтелә, бу аларның җайланмадан чыгу ихтималын сизелерлек арттыра.

4.2 Оптик таралуны һәм юлны очраклы рәвештә көйләүне көчәйтү

PSS структуралары күпсанлы сыну һәм чагылу вакыйгаларын кертә, бу түбәндәгеләргә китерә:

• Фотон таралу юнәлешләрен очраклы рәвештә билгеләү

• Яктылык чыгару интерфейслары белән үзара бәйләнешнең артуы

• Фотоннарның җайланма эчендә тору вакыты кимеде

Статистика буенча, бу эффектлар абсорбция башланганчы фотон экстракциясе ихтималын арттыра.

4.3 Нәтиҗәле сыну күрсәткечен бәяләү

Оптик модельләштерү күзлегеннән караганда, PSS нәтиҗәле сыну күрсәткече күчеш катламы булып тора. GaN дан һавага кинәт сыну күрсәткече үзгәрү урынына, бизәкле өлкә әкренләп сыну күрсәткече үзгәрүен тәэмин итә, шуның белән Френель чагылыш югалтуларын киметә.

Бу механизм концептуаль яктан чагылышка каршы каплауларга охшаган, гәрчә ул юка пленка интерференциясенә түгел, ә геометрик оптикага таянса да.

4.4 Оптик абсорбция югалтуларын туры булмаган рәвештә киметү

Фотон юл озынлыгын кыскарту һәм кабатланган эчке чагылышларны бастыру юлы белән, PSS оптик абсорбция ихтималын түбәндәгечә киметә:

• Металл контактлар

• Кристалл дефект халәтләре

• GaNда ирекле йөртүчеләрнең абсорбциясе

Бу эффектлар югарырак нәтиҗәлелеккә һәм җылылык күрсәткечләрен яхшыртуга ярдәм итә.

5. Өстәмә өстенлекләр: Кристалл сыйфатын яхшырту

Оптик көчәйтүдән тыш, PSS шулай ук ​​эпитаксиаль материал сыйфатын латераль эпитаксиаль үсү (LEO) механизмнары аша яхшырта:

• Сапфир-ГаН чикләреннән башланган дислокацияләр юнәлтелә яки туктатыла

• Җепләрнең дислокация тыгызлыгы сизелерлек кими

• Кристалл сыйфатының яхшыруы җайланманың ышанычлылыгын һәм эшләү гомерен арттыра

Бу икеләтә оптик һәм структураль өстенлек PSSны оптик өслек текстурасы ысулларыннан аерып тора.

6. Санлы чагыштыру: яссы сапфир һәм PSS

Чынлыкта эшчәнлекнең артуы үрнәк геометриясенә, нурланыш дулкын озынлыгына, чип архитектурасына һәм упаковка стратегиясенә бәйле.

7. Компромисслар һәм инженерлык мәсьәләләре

Өстенлекләренә карамастан, PSS берничә гамәли кыенлыклар тудыра:

• Өстәмә литография һәм гравюра адымнары җитештерү бәясен арттыра

• Рәсемнең бердәмлеге һәм гравировка тирәнлеге төгәл контроль таләп итә

• Начар оптимальләштерелгән үрнәкләр эпитаксиаль бердәмлеккә тискәре йогынты ясарга мөмкин

Шуңа күрә, PSS оптимизациясе, нигездә, оптик симуляция, эпитаксиаль үсеш инженериясе һәм җайланмалар проектлауны үз эченә алган күп дисциплинар бурыч.

8. Тармак перспективасы һәм киләчәккә караш

Заманча LED җитештерүдә PSS инде өстәмә яхшырту буларак каралмый. Урта һәм югары куәтле LED кушымталарында - гомуми яктырту, автомобиль яктырту һәм дисплей яктыртуы кебек - ул төп технологиягә әйләнде.

Киләчәктәге тикшеренүләр һәм эшләнмәләр тенденцияләре түбәндәгеләрне үз эченә ала:

• Mini-LED һәм Micro-LED кушымталары өчен махсус эшләнгән алдынгы PSS дизайннары

• PSSны фотоник кристаллар яки нанокүләмле өслек текстурасы белән берләштерүче гибрид алымнар

• Чыгымнарны киметү һәм масштабланырлык үрнәк технологияләре буенча тырышлыкларны дәвам итү

Йомгак

Нәкышлы сапфир субстратлары LED җайланмаларында пассив механик терәткечләрдән функциональ оптик һәм структураль компонентларга төп күчүне күрсәтә. Яктылык чыгару югалтуларын, атап әйткәндә, оптик чикләү һәм интерфейс чагылышын, хәл итү аша PSS югарырак нәтиҗәлелеккә, ышанычлылыкны яхшыртуга һәм җайланманың тотрыклырак эшләвенә мөмкинлек бирә.

Киресенчә, яссы сапфир субстратлары җитештерүчәнлеге һәм түбән бәясе аркасында җәлеп итүчән булып калса да, аларның оптик чикләүләре аларның киләсе буын югары нәтиҗәле светодиодлар өчен яраклылыгын чикли. Светодиод технологиясе үсешен дәвам иткән саен, PSS материаллар инженериясенең система дәрәҗәсендәге эшчәнлекнең яхшыруына ничек турыдан-туры әйләнә алуының ачык мисалы булып тора.