GaN негізіндегі жарық шығаратын диодтарда (ЖД) эпитаксиалды өсу әдістері мен құрылғы архитектурасындағы үздіксіз прогресс ішкі кванттық тиімділікті (IQE) теориялық максимумға жақындатуға әкелді. Осы жетістіктерге қарамастан, ЖД-лардың жалпы жарық өнімділігі жарықты алу тиімділігімен (ЖЭ) түбегейлі шектелген болып қала береді. Сапфир GaN эпитаксиі үшін негізгі субстрат материалы болып қала беретіндіктен, оның беткі морфологиясы құрылғы ішіндегі оптикалық шығындарды басқаруда шешуші рөл атқарады.

Бұл мақалада жалпақ сапфир негіздері мен өрнекті материалдар арасындағы жан-жақты салыстыру ұсынылған.сапфир субстраттары (PSS)Бұл PSS жарықты алу тиімділігін арттыратын оптикалық және кристаллографиялық механизмдерді түсіндіреді және PSS жоғары өнімді жарықдиодты өндірісте іс жүзінде стандартқа айналғанын түсіндіреді.

1. Жарық шығару тиімділігі негізгі кедергі ретінде

Жарықдиодтың сыртқы кванттық тиімділігі (EQE) екі негізгі фактордың көбейтіндісімен анықталады:

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

EQE=IQE×LEE

IQE белсенді аймақтағы радиациялық рекомбинацияның тиімділігін сандық түрде анықтаса, LEE құрылғыдан сәтті шыққан генерацияланған фотондардың үлесін сипаттайды.

Сапфир негізінде өсірілген GaN негізіндегі жарықдиодтар үшін дәстүрлі конструкциялардағы LEE әдетте шамамен 30-40% аралығында шектеледі. Бұл шектеу негізінен мыналардан туындайды:

• GaN (n ≈ 2.4), сапфир (n ≈ 1.7) және ауа (n ≈ 1.0) арасындағы сыну көрсеткішінің қатты сәйкессіздігі

• Жазық интерфейстердегі күшті толық ішкі шағылысу (TIR)

• Эпитаксиалды қабаттар мен субстраттағы фотондардың ұсталуы

Нәтижесінде, пайда болған фотондардың айтарлықтай бөлігі бірнеше ішкі шағылысуларға ұшырайды және ақырында материалмен сіңіріледі немесе пайдалы жарық шығаруға үлес қосудың орнына жылуға айналады.

2. Жалпақ сапфир негіздері: оптикалық шектеулермен құрылымдық қарапайымдылық

2.1 Құрылымдық сипаттамалары

Жалпақ сапфир төсеніштері әдетте тегіс, жазық беті бар с-жазықтығы (0001) бағытын пайдаланады. Олар келесі себептерге байланысты кеңінен қолданылды:

• Жоғары кристалды сапа

• Тамаша термиялық және химиялық тұрақтылық

• Жетілген және үнемді өндірістік процестер

2.2 Оптикалық мінез-құлық

Оптикалық тұрғыдан алғанда, жазық интерфейстер фотондардың таралу жолдарына жоғары бағытталған және болжамды түрде жүреді. GaN белсенді аймағында пайда болған фотондар GaN-ауа немесе GaN-сапфир интерфейсіне критикалық бұрыштан асатын түсу бұрыштарымен жеткенде, толық ішкі шағылысу орын алады.

Нәтижесінде:

• Құрылғы ішіндегі фотонды күшті шектеу

• Металл электродтарының сіңірілуінің жоғарылауы және ақаулық күйлері

• Шығарылған жарықтың шектеулі бұрыштық таралуы

Негізінде, жалпақ сапфир негіздері оптикалық шектеуді жеңуге аз көмектеседі.

3. Өрнекті сапфир негіздері: тұжырымдама және құрылымдық дизайн

Фотолитография және ою әдістерін қолдана отырып, сапфир бетіне периодты немесе квазипериодты микро- немесе наноөлшемді құрылымдарды енгізу арқылы өрнекті сапфир субстраты (PSS) қалыптасады.

Жалпы PSS геометрияларына мыналар жатады:

• Конус тәрізді құрылымдар

• Жарты шар тәрізді күмбездер

• Пирамидалық ерекшеліктер

• Цилиндрлік немесе қысқартылған конус пішіндері

Әдеттегі өлшемдер субмикрометрден бірнеше микрометрге дейін болады, биіктігі, қадамы және жұмыс циклі мұқият бақыланады.

4. PSS-те жарықтың экстракциясын күшейту механизмдері

4.1 Толық ішкі шағылысуды басу

PSS үш өлшемді топографиясы материалдық интерфейстердегі жергілікті түсу бұрыштарын өзгертеді. Әйтпесе жазық шекарада толық ішкі шағылысуды сезінетін фотондар қашу конусының ішіндегі бұрыштарға қайта бағытталады, бұл олардың құрылғыдан шығу ықтималдығын айтарлықтай арттырады.

4.2 Оптикалық шашырауды және жолды кездейсоқ реттеуді жақсарту

PSS құрылымдары бірнеше сыну және шағылысу оқиғаларын тудырады, бұл келесіге әкеледі:

• Фотондардың таралу бағыттарын кездейсоқ реттеу

• Жарық шығару интерфейстерімен өзара әрекеттесудің артуы

• Фотонның құрылғыда болу уақытын қысқартты

Статистикалық тұрғыдан алғанда, бұл әсерлер фотонды сіңіруден бұрын алу ықтималдығын арттырады.

4.3 Тиімді сыну көрсеткішін бағалау

Оптикалық модельдеу тұрғысынан PSS тиімді сыну көрсеткішінің өтпелі қабаты ретінде әрекет етеді. GaN-нан ауаға сыну көрсеткішінің кенеттен өзгеруінің орнына, өрнектелген аймақ сыну көрсеткішінің біртіндеп өзгеруін қамтамасыз етеді, осылайша Френель шағылысу шығындарын азайтады.

Бұл механизм тұжырымдамалық тұрғыдан шағылыстыруға қарсы жабындарға ұқсас, дегенмен ол жұқа қабықшалы интерференцияға емес, геометриялық оптикаға сүйенеді.

4.4 Оптикалық сіңіру шығындарын жанама түрде азайту

Фотон жолының ұзындығын қысқарту және қайталанатын ішкі шағылысуларды басу арқылы PSS оптикалық жұтылу ықтималдығын келесі жолдармен төмендетеді:

• Металл контактілері

• Кристалдық ақау күйлері

• GaN-дегі еркін тасымалдаушылардың сіңірілуі

Бұл әсерлер жоғары тиімділікке және жылу өнімділігін жақсартуға ықпал етеді.

5. Қосымша артықшылықтар: Кристалл сапасының жақсаруы

Оптикалық жақсартудан басқа, PSS эпитаксиалды материалдың сапасын бүйірлік эпитаксиалды шамадан тыс өсу (LEO) механизмдері арқылы да жақсартады:

• Сапфир-ГаН интерфейсінен басталатын дислокациялар қайта бағытталады немесе тоқтатылады

• Бұранданың дислокация тығыздығы айтарлықтай төмендейді

• Хрусталь сапасының жақсаруы құрылғының сенімділігін және пайдалану мерзімін арттырады

Бұл қос оптикалық және құрылымдық артықшылық PSS-ті таза оптикалық беттік текстуралау тәсілдерінен ерекшелендіреді.

6. Сандық салыстыру: Жалпақ сапфир және PSS

Нақты өнімділік көрсеткіштері өрнек геометриясына, сәулелену толқын ұзындығына, чип архитектурасына және қаптама стратегиясына байланысты.

7. Ынтымақтастықтар және инженерлік мәселелер

Артықшылықтарына қарамастан, PSS бірнеше практикалық қиындықтарды тудырады:

• Қосымша литография және ою қадамдары өндіріс құнын арттырады

• Өрнектің біркелкілігі мен ою тереңдігі дәл бақылауды қажет етеді

• Нашар оңтайландырылған үлгілер эпитаксиалды біркелкілікке кері әсер етуі мүмкін

Сондықтан, PSS оңтайландыру оптикалық модельдеуді, эпитаксиалды өсу инженериясын және құрылғыны жобалауды қамтитын көп салалы міндет болып табылады.

8. Салалық перспектива және болашаққа болжам

Қазіргі заманғы жарықдиодты өндірісте PSS енді қосымша жақсарту ретінде қарастырылмайды. Орташа және жоғары қуатты жарықдиодты қолданбаларда, соның ішінде жалпы жарықтандыру, автомобиль жарықтандыруы және дисплейдің артқы жарығында, ол негізгі технологияға айналды.

Болашақтағы зерттеулер мен әзірлемелерге мыналар кіреді:

• Mini-LED және Micro-LED қолданбаларына арналған кеңейтілген PSS конструкциялары

• PSS-ті фотондық кристалдармен немесе наноөлшемді беттік текстурамен біріктіретін гибридті тәсілдер

• Шығындарды азайту және масштабталатын үлгілеу технологияларына бағытталған күш-жігерді жалғастыру

Қорытынды

Өрнекті сапфир негіздері LED құрылғыларындағы пассивті механикалық тіректерден функционалды оптикалық және құрылымдық компоненттерге түбегейлі ауысуды білдіреді. PSS жарықты шығару шығындарын олардың түпкілікті деңгейінде, атап айтқанда оптикалық шектеу мен интерфейстік шағылысу кезінде шешу арқылы жоғары тиімділікті, сенімділікті жақсартуды және құрылғының тұрақты жұмысын қамтамасыз етеді.

Керісінше, жалпақ сапфир негіздері өндірістік мүмкіндігі мен төмен құнына байланысты тартымды болып қала берсе де, олардың оптикалық шектеулері келесі буын жоғары тиімді жарықдиодты шамдарға жарамдылығын шектейді. Жарықдиодты технология дамып келе жатқандықтан, PSS материалдар инженериясының жүйе деңгейіндегі өнімділік көрсеткіштеріне қалай тікелей әсер ететінінің айқын мысалы болып табылады.