GaN esasly ýagtylyk çykarýan diodlarda (LED) epitaksial ösüş tehnikalarynda we enjam arhitekturasynda yzygiderli ösüş içki kwantum netijeliligini (IQE) nazaryýet taýdan iň ýokary derejä golaýlaşdyrdy. Bu ösüşlere garamazdan, LED-leriň umumy ýagtylyk öndürijiligi ýagtylyk çykaryş netijeliligi (LEE) bilen düýpli çäklendirilen bolmagynda galýar. Safir GaN epitaksiýasy üçin esasy substrat materialy bolmagynda galýandygy sebäpli, onuň ýüz morfologiýasy enjamyň içinde optiki ýitgileri dolandyrmakda aýgytlaýjy rol oýnaýar.

Bu makala tekiz sapfir substratlary bilen nagyşlylaryň arasyndaky giňişleýin deňeşdirmäni hödürleýärsapfir substratlary (PSS)Ol PSS-iň ýagtylyk çykaryş netijeliligini ýokarlandyrýan optiki we kristalografik mehanizmlerini düşündirýär we PSS-iň ýokary öndürijilikli LED önümçiliginde näme üçin hakykatda standarta öwrülendigini düşündirýär.

1. Esasy päsgelçilik hökmünde ýagtylyk çykarmagyň netijeliligi

LED-iň daşarky kwant netijeliligi (EQE) iki esasy faktoryň köpeldilmegi bilen kesgitlenýär:

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

EQE=IQE×LEE

IQE işjeň sebitde radiasiýa rekombinasiýasynyň netijeliligini ölçeýän bolsa, LEE enjamdan üstünlikli çykan fotonlaryň bölegini beýan edýär.

Safir substratlarynda ösdürilip ýetişdirilen GaN esasly LED-ler üçin adaty dizaýnlardaky LEE adatça takmynan 30–40% bilen çäklendirilýär. Bu çäklendirme, esasan, aşakdakylardan ýüze çykýar:

• GaN (n ≈ 2.4), sapfir (n ≈ 1.7) we howa (n ≈ 1.0) arasynda döwülme görkezijisiniň agyr deňsizligi

• Tekizlik serhetlerinde güýçli umumy içki şöhlelenme (TIR)

• Epitaksial gatlaklarda we substratda fotonlaryň tutulmagy

Netijede, döredilen fotonlaryň uly bölegi köp sanly içki şöhlelenmelere sezewar bolýar we peýdaly ýagtylygyň çykmagyna goşant goşmagyň ýerine, ahyrsoňy material tarapyndan siňdirilýär ýa-da ýylylyga öwrülýär.

2. Tekiz Safir Substratlary: Optiki Çäklendirmeler bilen Gurluşyň Ýönekeýligi

2.1 Gurluş aýratynlyklary

Tekiz sapfir substratlary, adatça, tekiz, tekiz ýüzli c-tekizlik (0001) ugruny ulanýarlar. Olar aşakdaky sebäplere görä giňden ulanyldy:

• Ýokary kristallik hil

• Ajaýyp termal we himiki durnuklylyk

• Ýetişen we tygşytly önümçilik prosesleri

2.2 Optiki hereket

Optiki nukdaýnazardan, tekiz interfeýsler ýokary derejede ugurly we öňünden çaklap bolýan foton ýaýrama ýollaryna getirýär. GaN işjeň sebitinde döredilen fotonlar kritiki burçdan ýokary düşýän burçlarda GaN-howa ýa-da GaN-safir interfeýsine ýetende, doly içki şöhlelenme ýüze çykýar.

Bu netijede şeýle netije berýär:

• Enjamyň içinde güýçli foton çäklendirmesi

• Metal elektrodlary we kemçilik ýagdaýlarynyň artýan siňdirilişi

• Çykan ýagtylygyň çäklendirilen burç paýlanyşy

Aslynda, tekiz sapfir substratlary optiki çäklendirmeleri ýeňip geçmekde az kömek berýär.

3. Nagyşly Safir substratlary: Konsepsiýa we gurluş dizaýny

Nagyşly sapfir substraty (PSS) fotolitografiýa we oýup bejeriş usullary arkaly sapfir ýüzüne döwürleýin ýa-da ýarym döwürleýin mikro- ýa-da nanosölçegli gurluşlary girizmek arkaly emele getirilýär.

Umumy PSS geometriýalary aşakdakylary öz içine alýar:

• Konus görnüşli gurluşlar

• Ýarymsferik gümmezler

• Piramidal aýratynlyklar

• Silindr ýa-da kesilen konus şekilleri

Adaty aýratynlyk ölçegleri submikrometrden birnäçe mikrometre çenli üýtgeýär, beýikligi, ädimi we iş sikli üns bilen gözegçilik edilýär.

4. PSS-de ýagtylygyň çykarylmagynyň güýçlendirilmeginiň mehanizmleri

4.1 Umumy içki şöhlelenmäniň basylyp ýatyrylmagy

PSS-iň üç ölçegli topografiýasy material serhetlerinde düşmegiň ýerli burçlaryny üýtgedýär. Başgaça bolsa, tekiz serhetde doly içki şöhlelenme başdan geçirjek fotonlar gaçyş konusynyň içindäki burçlara gönükdirilýär we bu olaryň enjamdan çykmak ähtimallygyny ep-esli ýokarlandyrýar.

4.2 Optiki saçylmanyň we ýollaryň randomizasiýasynyň güýçlendirilmegi

PSS gurluşlary köp sanly döwülme we şöhlelenme wakalaryny döredýär, bu bolsa aşakdakylara getirýär:

• Fotonlaryň ýaýrama ugurlarynyň randomizasiýalaşdyrylmagy

• Yşyk çykaryş interfeýsleri bilen özara täsiriň artmagy

• Fotonlaryň enjamda galmak wagtynyň azaldylmagy

Statistik taýdan, bu täsirler siňdirilişden öň fotonlaryň çykarylmagynyň ähtimallygyny ýokarlandyrýar.

4.3 Netijeli döwülme görkezijisiniň derejelendirmesi

Optiki modelleşdiriş nukdaýnazaryndan, PSS netijeli refraksiýa görkezijisiniň geçiş gatlagy hökmünde hereket edýär. GaN-dan howa refraksiýa görkezijisiniň birden üýtgemeginiň ýerine, nagyşly sebit refraksiýa görkezijisiniň kem-kemden üýtgemegini üpjün edýär we şeýdip Fresnel şöhlelenme ýitgilerini azaldýar.

Bu mehanizm konsepsiýa taýdan şöhle gaýtarma garşy örtüklere meňzeýär, emma ol inçe plýonkaly interferensiýa däl-de, geometrik optika esaslanýar.

4.4 Optiki siňdiriş ýitgileriniň gytaklaýyn azaldylmagy

Foton ýolunyň uzynlygyny gysgaltmak we gaýtalanýan içki şöhlelenmeleri basyp ýatyrmak arkaly PSS optiki siňdirişiň ähtimallygyny aşakdaky ýollar bilen azaldýar:

• Metal kontaktlar

• Kristal defektleriniň ýagdaýlary

• GaN-da erkin daşaýjylaryň siňdirilişi

Bu täsirler has ýokary netijelilige we termal görkezijileriň gowulanmagyna ýardam edýär.

5. Goşmaça peýdalar: Kristal hiliniň gowulanmagy

Optiki güýçlendirmeden başga-da, PSS epitaksial materialyň hilini lateral epitaksial ösüş (LEO) mehanizmleri arkaly hem gowulandyrýar:

• Sapfir-GaN serhedinden başlanýan dislokasiýalar gaýtadan gönükdirilýär ýa-da togtadylýar

• Ýüzükleriň dislokasiýa dykyzlygy ep-esli azaldy

• Kristal hiliniň gowulanmagy enjamyň ygtybarlylygyny we işleýiş ömrüni ýokarlandyrýar

Bu iki optiki we gurluş taýdan artykmaçlyk PSS-i diňe optiki ýüz tekstura usullaryndan tapawutlandyrýar.

6. Mukdar taýdan deňeşdirme: Flat Sapphire bilen PSS

Hakyky öndürijilik üstünlikleri nagyş geometriýasyna, emissiýanyň tolkun uzynlygyna, çip arhitekturasyna we gaplama strategiýasyna baglydyr.

7. Kompaniýalar we inženerçilik meseleleri

Artykmaçlyklaryna garamazdan, PSS birnäçe amaly kynçylyklary döredýär:

• Goşmaça litografiýa we aşındyrma ädimleri önümçilik çykdajylaryny ýokarlandyrýar

• Nagyşyň birmeňzeşligi we aşynma çuňlugy takyk gözegçiligi talap edýär

• Ýaramaz optimizirlenen nagyşlar epitaksial deňlige ýaramaz täsir edip biler

Şonuň üçin PSS optimizasiýasy, esasan, optiki simulýasiýany, epitaksial ösüş inženerçiligini we enjam dizaýnyny öz içine alýan köpugurly wezipedir.

8. Pudagyň geljegi we geljegiň geljegi

Häzirki zaman LED önümçiliginde PSS indi goşmaça kämilleşdirme hökmünde kabul edilmeýär. Orta we ýokary kuwwatly LED ulanylyşlarynda, şol sanda umumy yşyklandyryşda, awtoulag yşyklandyryşynda we displeýiň arka yşyklandyryşynda, ol esasy tehnologiýa öwrüldi.

Geljekki ylmy-barlag we ösüş ugurlaryna aşakdakylar girýär:

• Mini-LED we Micro-LED ulanylyşlary üçin niýetlenen ösen PSS dizaýnlary

• PSS-i fotonik kristallar ýa-da nanosölçegli ýüz teksturalary bilen birleşdirýän gibrid çemeleşmeler

• Çykdajylary azaltmak we ölçeklendirilip bilinýän nusga tehnologiýalary boýunça tagallalaryň dowamlylygy

Netije

Nagyşly sapfir substratlary LED enjamlarynda passiw mehaniki goldawlardan funksional optiki we gurluş böleklerine düýpli geçişi görkezýär. PSS, olaryň kökündäki ýagtylyk çykaryş ýitgilerini, ýagny optiki çäklendirmeleri we interfeýs şöhlelenmesini çözmek bilen, has ýokary netijeliligi, ygtybarlylygy ýokarlandyrmagy we enjamyň has yzygiderli işlemegini üpjün edýär.

Tersine, tekiz sapfir substratlar öndüriliş mümkinçiligi we arzanlygy sebäpli özüne çekiji bolmagyny dowam etdirse-de, olaryň içki optiki çäklendirmeleri olaryň indiki nesil ýokary netijeli LED-ler üçin laýyklygyny çäklendirýär. LED tehnologiýasy ösmegini dowam etdirýän mahaly, PSS materiallar inženerçiliginiň ulgam derejesindäki öndürijilik üstünliklerine nähili gönüden-göni öwrülip biljekdiginiň aýdyň mysaly bolup durýar.