GaN дээр суурилсан гэрэл ялгаруулдаг диод (LED)-д эпитаксиал өсөлтийн техник болон төхөөрөмжийн архитектурын тасралтгүй дэвшил нь дотоод квант үр ашгийг (IQE) онолын дээд хэмжээндээ улам ойртуулж байна. Эдгээр дэвшил гарсан хэдий ч LED-ийн нийт гэрэлтүүлгийн гүйцэтгэл нь гэрэл ялгаруулах үр ашгаар (LEE) үндсэндээ хязгаарлагдмал хэвээр байна. Саффир нь GaN эпитаксигийн гол субстрат материал хэвээр байгаа тул түүний гадаргуугийн морфологи нь төхөөрөмжийн доторх оптик алдагдлыг зохицуулахад шийдвэрлэх үүрэг гүйцэтгэдэг.

Энэ нийтлэлд хавтгай индранил суурь ба хээтэй хоёрын хоорондох цогц харьцуулалтыг танилцуулж байна.индранил суурь (PSS)Энэ нь PSS нь гэрлийн ялгаруулалтын үр ашгийг хэрхэн нэмэгдүүлдэг оптик болон талстографийн механизмыг тодруулж, PSS яагаад өндөр хүчин чадалтай LED үйлдвэрлэлд бодит стандарт болсон болохыг тайлбарладаг.

1. Гэрлийн олборлолтын үр ашиг нь үндсэн саад тотгор юм

LED-ийн гадаад квант үр ашиг (EQE) нь хоёр үндсэн хүчин зүйлийн үржвэрээр тодорхойлогдоно:

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

EQE=IQE×LEE

IQE нь идэвхтэй бүс дэх цацрагийн рекомбинацийн үр ашгийг тоон үзүүлэлтээр илэрхийлдэг бол LEE нь төхөөрөмжөөс амжилттай гарсан үүсгэсэн фотонуудын хувийг тодорхойлдог.

Сафир суурь дээр ургуулсан GaN дээр суурилсан LED-ийн хувьд уламжлалт загварт LEE нь ойролцоогоор 30-40% -иар хязгаарлагддаг. Энэ хязгаарлалт нь голчлон дараахь зүйлээс үүдэлтэй.

• GaN (n ≈ 2.4), индранил (n ≈ 1.7) болон агаарын (n ≈ 1.0) хоорондох хугарлын илтгэгчийн ноцтой зөрүү

• Хавтгай интерфейс дээр хүчтэй нийт дотоод тусгал (TIR)

• Эпитаксиал давхарга ба субстрат дотор фотон барих

Үүний үр дүнд үүссэн фотонуудын нэлээд хэсэг нь олон дотоод тусгалд орж, эцэст нь материалд шингэж эсвэл ашигтай гэрлийн гаралтад хувь нэмэр оруулахын оронд дулаан болгон хувиргадаг.

2. Хавтгай индранил суурь: Оптик хязгаарлалттай бүтцийн энгийн байдал

2.1 Бүтцийн шинж чанарууд

Хавтгай индранил суурь нь ихэвчлэн гөлгөр, хавтгай гадаргуутай c-хавтгай (0001) чиглэлийг ашигладаг. Эдгээрийг дараах шалтгаанаар өргөнөөр ашигласан:

• Өндөр талст чанар

• Маш сайн дулааны болон химийн тогтвортой байдал

• Төлөвшсөн, зардал багатай үйлдвэрлэлийн процессууд

2.2 Оптик зан төлөв

Оптик үүднээс авч үзвэл хавтгай интерфэйсүүд нь өндөр чиглэлтэй, урьдчилан таамаглах боломжтой фотоны тархалтын замд хүргэдэг. GaN идэвхтэй бүсэд үүссэн фотонууд нь GaN-агаар эсвэл GaN-сапфирын интерфэйсэд критик өнцгөөс давсан тусах өнцгөөр хүрэхэд бүрэн дотоод ойлт үүсдэг.

Үүний үр дүнд:

• Төхөөрөмжийн доторх фотоны хүчтэй хязгаарлалт

• Металл электродуудын шингээлтийг нэмэгдүүлэх ба согогийн төлөв байдал

• Ялгарсан гэрлийн хязгаарлагдмал өнцгийн тархалт

Үндсэндээ хавтгай индранил суурь нь оптик хязгаарлалтыг даван туулахад бага туслалцаа үзүүлдэг.

3. Хээтэй индранил суурь: Концепц ба бүтцийн дизайн

Хээтэй индранил субстрат (PSS) нь фотолитографи болон сийлбэрийн техник ашиглан индранил гадаргуу дээр үечилсэн эсвэл квази-үечилсэн бичил эсвэл нано хэмжээний бүтцийг нэвтрүүлэх замаар үүсдэг.

Нийтлэг PSS геометрүүд нь дараахь зүйлийг агуулдаг.

• Конус хэлбэрийн бүтэц

• Бөмбөрцөг хэлбэртэй бөмбөгөрүүд

• Пирамидын онцлог шинж чанарууд

• Цилиндр буюу тайрсан конус хэлбэртэй

Ердийн онцлог хэмжээсүүд нь дэд микрометрээс хэд хэдэн микрометр хүртэл хэлбэлздэг бөгөөд өндөр, давирхай, ажлын мөчлөгийг сайтар хянадаг.

4. PSS-д гэрлийн ялгаралтыг сайжруулах механизмууд

4.1 Бүрэн дотоод тусгалыг дарах

PSS-ийн гурван хэмжээст топографи нь материалын интерфэйс дэх тусах орон нутгийн өнцгийг өөрчилдөг. Өөрөөр хэлбэл хавтгай хил дээр бүрэн дотоод ойлтыг мэдрэх фотонууд зугтах конус доторх өнцөгт дахин чиглүүлэгдэж, төхөөрөмжөөс гарах магадлалыг эрс нэмэгдүүлдэг.

4.2 Сайжруулсан оптик тархалт ба замын санамсаргүй байдал

PSS бүтэц нь олон тооны хугарал ба ойлтын үйл явдлуудыг нэвтрүүлдэг бөгөөд энэ нь дараахь зүйлд хүргэдэг.

• Фотоны тархалтын чиглэлийг санамсаргүй байдлаар ангилах

• Гэрэл ялгаруулах интерфэйсүүдтэй харилцан үйлчлэлийг нэмэгдүүлэх

• Төхөөрөмж дотор фотоны оршин тогтнох хугацааг багасгасан

Статистикийн хувьд эдгээр нөлөө нь шингээлт үүсэхээс өмнө фотоны ялгаралтын магадлалыг нэмэгдүүлдэг.

4.3 Үр дүнтэй хугарлын индексийн зэрэглэл

Оптик загварчлалын үүднээс авч үзвэл, PSS нь хугарлын илтгэгчийн шилжилтийн үр дүнтэй давхаргын үүрэг гүйцэтгэдэг. GaN-ээс агаар руу хугарлын илтгэгчийн огцом өөрчлөлтийн оронд хээтэй хэсэг нь хугарлын илтгэгчийн аажмаар хэлбэлзлийг бий болгож, улмаар Фреснелийн ойлтын алдагдлыг бууруулдаг.

Энэ механизм нь нимгэн хальсан интерференцийн оронд геометрийн оптикт тулгуурладаг ч гэсэн тусгал эсрэг бүрхүүлтэй төстэй юм.

4.4 Оптик шингээлтийн алдагдлыг шууд бусаар бууруулах

Фотоны замын уртыг богиносгож, давтагдсан дотоод тусгалыг дарангуйлснаар PSS нь оптик шингээлтийн магадлалыг дараах байдлаар бууруулдаг.

• Металл контактууд

• Кристал согогийн төлөв байдал

• GaN дахь чөлөөт тээвэрлэгчийн шингээлт

Эдгээр нөлөө нь илүү өндөр үр ашиг, дулааны гүйцэтгэлийг сайжруулахад хувь нэмэр оруулдаг.

5. Нэмэлт давуу талууд: Кристал чанарын сайжруулалт

Оптик сайжруулалтаас гадна PSS нь хажуугийн эпитаксиал хэт өсөлт (LEO) механизмаар дамжуулан эпитаксиал материалын чанарыг сайжруулдаг:

• Сапфир-ГаН интерфэйсээс үүссэн мултралууд дахин чиглүүлэгддэг эсвэл дуусдаг

• Урсгалын мултрал нягтрал мэдэгдэхүйц буурсан

• Сайжруулсан болор чанар нь төхөөрөмжийн найдвартай байдал болон ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлдэг

Энэхүү оптик болон бүтцийн хос давуу тал нь PSS-ийг зөвхөн оптик гадаргуугийн бүтэцжүүлэх аргуудаас ялгаж өгдөг.

6. Тоон харьцуулалт: Хавтгай Сапфир ба PSS

Бодит гүйцэтгэлийн ашиг нь хэв маягийн геометр, ялгаралтын долгионы урт, чипийн архитектур, сав баглаа боодлын стратегиас хамаарна.

7. Буудалцаа болон инженерчлэлийн анхаарах зүйлс

Давуу талуудтай хэдий ч PSS нь хэд хэдэн практик бэрхшээлийг дагуулдаг:

• Нэмэлт литографи болон сийлбэрийн алхамууд нь үйлдвэрлэлийн зардлыг нэмэгдүүлдэг

• Хээний жигд байдал болон сийлбэрийн гүн нь нарийн хяналт шаарддаг

• Муу оновчтой хэв маяг нь эпитаксиал жигд байдалд сөргөөр нөлөөлж болзошгүй

Тиймээс PSS оновчлол нь оптик симуляци, эпитаксиал өсөлтийн инженерчлэл, төхөөрөмжийн дизайн зэрэг олон салбарыг хамарсан ажил юм.

8. Салбарын хэтийн төлөв ба ирээдүйн хэтийн төлөв

Орчин үеийн LED үйлдвэрлэлд PSS-ийг нэмэлт сайжруулалт гэж үзэхээ больсон. Ерөнхий гэрэлтүүлэг, автомашины гэрэлтүүлэг, дэлгэцийн арын гэрэлтүүлэг зэрэг дунд болон өндөр хүчин чадалтай LED хэрэглээнд энэ нь суурь технологи болсон.

Ирээдүйн судалгаа, хөгжлийн чиг хандлагад дараахь зүйлс орно.

• Mini-LED болон Micro-LED програмуудад зориулсан дэвшилтэт PSS загварууд

• PSS-ийг фотоник талст эсвэл нано хэмжээний гадаргуугийн бүтэцтэй хослуулсан эрлийз аргууд

• Зардлыг бууруулах, өргөтгөх боломжтой хэв маягийн технологийн чиглэлээр үргэлжлүүлэн хүчин чармайлт гаргах

Дүгнэлт

Хээтэй индранил суурь нь LED төхөөрөмжүүдийн идэвхгүй механик тулгуураас функциональ оптик болон бүтцийн бүрэлдэхүүн хэсгүүд рүү шилжих үндсэн шилжилтийг илэрхийлдэг. PSS нь гэрлийн ялгаралтын алдагдлыг тэдгээрийн үндсэн дээр, тухайлбал оптик хязгаарлалт болон интерфэйсийн тусгал дээр шийдвэрлэснээр илүү өндөр үр ашиг, сайжруулсан найдвартай байдал, төхөөрөмжийн илүү тогтвортой ажиллагааг хангадаг.

Үүний эсрэгээр, хавтгай индранил суурь нь үйлдвэрлэлийн боломж болон хямд өртөгтэйгөөрөө сэтгэл татам хэвээр байгаа ч тэдгээрийн төрөлхийн оптик хязгаарлалт нь дараагийн үеийн өндөр үр ашигтай LED-д тохирох байдлыг хязгаарладаг. LED технологи хөгжихийн хэрээр PSS нь материалын инженерчлэл нь системийн түвшний гүйцэтгэлийн өсөлтөд хэрхэн шууд нөлөөлж болохыг харуулсан тод жишээ юм.