GaN-ზე დაფუძნებულ სინათლის გამოსხივების დიოდებში (LED), ეპიტაქსიური ზრდის ტექნიკისა და მოწყობილობის არქიტექტურის უწყვეტმა პროგრესმა შიდა კვანტური ეფექტურობა (IQE) სულ უფრო მეტად მიუახლოვდა თეორიულ მაქსიმუმს. ამ მიღწევების მიუხედავად, LED-ების საერთო სინათლის მახასიათებლები ფუნდამენტურად შეზღუდულია სინათლის ექსტრაქციის ეფექტურობით (LEE). რადგან საფირონი კვლავ GaN ეპიტაქსიის დომინანტური სუბსტრატის მასალაა, მისი ზედაპირის მორფოლოგია გადამწყვეტ როლს ასრულებს მოწყობილობაში ოპტიკური დანაკარგების მართვაში.

ეს სტატია წარმოადგენს ბრტყელ საფირონის სუბსტრატებსა და ნიმუშიან სუბსტრატებს შორის ყოვლისმომცველ შედარებას.საფირონის სუბსტრატები (PSS)ის განმარტავს ოპტიკურ და კრისტალოგრაფიულ მექანიზმებს, რომელთა მეშვეობითაც PSS ზრდის სინათლის ექსტრაქციის ეფექტურობას და განმარტავს, თუ რატომ გახდა PSS დე ფაქტო სტანდარტი მაღალი ხარისხის LED-ების წარმოებაში.

1. სინათლის ექსტრაქციის ეფექტურობა, როგორც ფუნდამენტური შემაფერხებელი ფაქტორი

LED-ის გარე კვანტური ეფექტურობა (EQE) განისაზღვრება ორი ძირითადი ფაქტორის ნამრავლით:

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

EQE=IQE×LEE

მიუხედავად იმისა, რომ IQE რაოდენობრივად განსაზღვრავს გამოსხივების რეკომბინაციის ეფექტურობას აქტიურ რეგიონში, LEE აღწერს გენერირებული ფოტონების იმ ფრაქციას, რომლებიც წარმატებით გამოდიან მოწყობილობიდან.

საფირონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN-ზე დაფუძნებული LED-ებისთვის, ჩვეულებრივ დიზაინში LEE, როგორც წესი, დაახლოებით 30-40%-ით შემოიფარგლება. ეს შეზღუდვა ძირითადად გამოწვეულია:

• GaN-ს (n ≈ 2.4), საფირონს (n ≈ 1.7) და ჰაერს (n ≈ 1.0) შორის რეფრაქციული ინდექსის სერიოზული შეუსაბამობა

• ძლიერი სრული შინაგანი არეკვლი (TIR) ​​ბრტყელ ინტერფეისებზე

• ფოტონის ხაფანგი ეპიტაქსიურ ფენებსა და სუბსტრატში

შესაბამისად, გენერირებული ფოტონების მნიშვნელოვანი ნაწილი განიცდის მრავალჯერად შინაგან არეკვლას და საბოლოოდ შთანთქავს მასალა ან გარდაიქმნება სითბოდ, სასარგებლო სინათლის გამომუშავების ნაცვლად.

2. ბრტყელი საფირონის სუბსტრატები: სტრუქტურული სიმარტივე ოპტიკური შეზღუდვებით

2.1 სტრუქტურული მახასიათებლები

ბრტყელი საფირონის სუბსტრატები, როგორც წესი, იყენებენ C-სიბრტყის (0001) ორიენტაციას გლუვი, ბრტყელი ზედაპირით. ისინი ფართოდ გამოიყენება შემდეგი მიზეზების გამო:

• მაღალი კრისტალური ხარისხი

• შესანიშნავი თერმული და ქიმიური სტაბილურობა

• დახვეწილი და ეკონომიური წარმოების პროცესები

2.2 ოპტიკური ქცევა

ოპტიკური თვალსაზრისით, ბრტყელი ინტერფეისები იწვევს ფოტონების გავრცელების მაღალმიმართულ და პროგნოზირებად გზებს. როდესაც GaN აქტიურ რეგიონში გენერირებული ფოტონები GaN-ჰაერის ან GaN-საფირონის ინტერფეისს კრიტიკულ კუთხეზე მეტი დაცემის კუთხით აღწევენ, ხდება სრული შინაგანი არეკვლა.

ამის შედეგად ხდება:

• მოწყობილობის შიგნით ფოტონების ძლიერი შეზღუდვა

• ლითონის ელექტროდების მიერ გაზრდილი შთანთქმა და დეფექტური მდგომარეობები

• გამოსხივებული სინათლის შეზღუდული კუთხური განაწილება

არსებითად, ბრტყელი საფირონის სუბსტრატები მცირე დახმარებას უწევენ ოპტიკური შეზღუდვის გადალახვაში.

3. საფირონის ნიმუშებიანი სუბსტრატები: კონცეფცია და სტრუქტურული დიზაინი

ნიმუშიანი საფირონის სუბსტრატი (PSS) წარმოიქმნება საფირონის ზედაპირზე პერიოდული ან კვაზიპერიოდული მიკრო- ან ნანომასშტაბიანი სტრუქტურების შეტანით ფოტოლიტოგრაფიისა და გრავირების ტექნიკის გამოყენებით.

PSS-ის საერთო გეომეტრიები მოიცავს:

• კონუსური სტრუქტურები

• ნახევარსფერული გუმბათები

• პირამიდული მახასიათებლები

• ცილინდრული ან დამოკლებული კონუსის ფორმები

ტიპური მახასიათებლების ზომები მერყეობს სუბმიკრომეტრიდან რამდენიმე მიკრომეტრამდე, ყურადღებით კონტროლირებადი სიმაღლით, დახრილობითა და სამუშაო ციკლით.

4. სინათლის ექსტრაქციის გაძლიერების მექანიზმები PSS-ში

4.1 სრული შინაგანი არეკვლის ჩახშობა

PSS-ის სამგანზომილებიანი ტოპოგრაფია ცვლის მასალის ინტერფეისებზე დაცემის ლოკალურ კუთხეებს. ფოტონები, რომლებიც სხვა შემთხვევაში განიცდიდნენ სრულ შინაგან არეკვლას ბრტყელ საზღვარზე, გადამისამართდებიან კუთხეებად გაქცევის კონუსის შიგნით, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის მოწყობილობიდან მათი გამოსვლის ალბათობას.

4.2 გაუმჯობესებული ოპტიკური გაფანტვა და ტრაექტორიის რანდომიზაცია

PSS სტრუქტურები წარმოადგენენ მრავალჯერადი რეფრაქციისა და არეკვლის მოვლენებს, რაც იწვევს:

• ფოტონის გავრცელების მიმართულებების რანდომიზაცია

• სინათლის ექსტრაქციის ინტერფეისებთან გაზრდილი ურთიერთქმედება

• მოწყობილობაში ფოტონის ყოფნის დროის შემცირება

სტატისტიკურად, ეს ეფექტები ზრდის ფოტონის ექსტრაქციის ალბათობას შთანთქმის დაწყებამდე.

4.3 ეფექტური რეფრაქციული ინდექსის შეფასება

ოპტიკური მოდელირების პერსპექტივიდან, PSS მოქმედებს, როგორც ეფექტური გარდატეხის ინდექსის გარდამავალი ფენა. GaN-დან ჰაერში გარდატეხის ინდექსის მკვეთრი ცვლილების ნაცვლად, შაბლონური რეგიონი უზრუნველყოფს გარდატეხის ინდექსის თანდათანობით ცვალებადობას, რითაც ამცირებს ფრენელის არეკვლის დანაკარგებს.

ეს მექანიზმი კონცეპტუალურად ანტიარეკლილი საფარის ანალოგიურია, თუმცა ის უფრო გეომეტრიულ ოპტიკას ეყრდნობა, ვიდრე თხელი ფირის ინტერფერენციას.

4.4 ოპტიკური შთანთქმის დანაკარგების არაპირდაპირი შემცირება

ფოტონის გზის სიგრძის შემცირებით და განმეორებითი შინაგანი არეკვლის ჩახშობით, PSS ამცირებს ოპტიკური შთანთქმის ალბათობას შემდეგი გზით:

• ლითონის კონტაქტები

• კრისტალური დეფექტის მდგომარეობები

• თავისუფალი მატარებლის შთანთქმა GaN-ში

ეს ეფექტები ხელს უწყობს როგორც მაღალ ეფექტურობას, ასევე თერმული მახასიათებლების გაუმჯობესებას.

5. დამატებითი უპირატესობები: კრისტალების ხარისხის გაუმჯობესება

ოპტიკური გაძლიერების გარდა, PSS ასევე აუმჯობესებს ეპიტაქსიური მასალის ხარისხს გვერდითი ეპიტაქსიური ჭარბი ზრდის (LEO) მექანიზმების მეშვეობით:

• საფირონ-GaN ინტერფეისზე წარმოშობილი დისლოკაციები გადამისამართებულია ან წყდება.

• ხრახნიანი დისლოკაციის სიმკვრივე მნიშვნელოვნად მცირდება

• გაუმჯობესებული კრისტალის ხარისხი ზრდის მოწყობილობის საიმედოობას და ექსპლუატაციის ხანგრძლივობას

ეს ორმაგი ოპტიკური და სტრუქტურული უპირატესობა განასხვავებს PSS-ს წმინდა ოპტიკური ზედაპირის ტექსტურირების მიდგომებისგან.

6. რაოდენობრივი შედარება: ბრტყელი საფირონი vs. PSS

ფაქტობრივი შესრულების ზრდა დამოკიდებულია ნიმუშის გეომეტრიაზე, გამოსხივების ტალღის სიგრძეზე, ჩიპის არქიტექტურასა და შეფუთვის სტრატეგიაზე.

7. კომპრომისები და საინჟინრო მოსაზრებები

თავისი უპირატესობების მიუხედავად, PSS რამდენიმე პრაქტიკულ გამოწვევას წარმოშობს:

• დამატებითი ლითოგრაფიისა და გრავირების ეტაპები ზრდის დამზადების ღირებულებას

• ნიმუშის ერთგვაროვნება და გრავირების სიღრმე ზუსტ კონტროლს მოითხოვს

• ცუდად ოპტიმიზებულმა ნიმუშებმა შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს ეპიტაქსიურ ერთგვაროვნებაზე.

ამრიგად, PSS ოპტიმიზაცია არსებითად მულტიდისციპლინური ამოცანაა, რომელიც მოიცავს ოპტიკურ სიმულაციას, ეპიტაქსიური ზრდის ინჟინერიას და მოწყობილობის დიზაინს.

8. ინდუსტრიის პერსპექტივა და მომავლის პერსპექტივა

თანამედროვე LED წარმოებაში, PSS აღარ განიხილება, როგორც დამატებითი გაუმჯობესება. საშუალო და მაღალი სიმძლავრის LED აპლიკაციებში, მათ შორის ზოგადი განათების, ავტომობილების განათების და ეკრანის უკანა განათების პირობებში, ის საბაზისო ტექნოლოგიად იქცა.

კვლევისა და განვითარების სამომავლო ტენდენციები მოიცავს:

• გაფართოებული PSS დიზაინები, რომლებიც მორგებულია Mini-LED და Micro-LED აპლიკაციებისთვის

• ჰიბრიდული მიდგომები, რომლებიც აერთიანებს PSS-ს ფოტონურ კრისტალებთან ან ნანომასშტაბიან ზედაპირულ ტექსტურასთან

• ხარჯების შემცირებისა და მასშტაბირებადი ნიმუშების შექმნის ტექნოლოგიების მიმართულებით ძალისხმევის გაგრძელება

დასკვნა

შაბლონური საფირონის სუბსტრატები წარმოადგენს ფუნდამენტურ გადასვლას პასიური მექანიკური საყრდენებიდან ფუნქციურ ოპტიკურ და სტრუქტურულ კომპონენტებზე LED მოწყობილობებში. სინათლის ექსტრაქციის დანაკარგების მათი ძირეული - კერძოდ, ოპტიკური შეზღუდვისა და ინტერფეისის არეკვლის - მოგვარებით, PSS უზრუნველყოფს უფრო მაღალ ეფექტურობას, გაუმჯობესებულ საიმედოობას და მოწყობილობის უფრო თანმიმდევრულ მუშაობას.

ამის საპირისპიროდ, მიუხედავად იმისა, რომ ბრტყელი საფირონის სუბსტრატები მიმზიდველად რჩება მათი წარმოების სიმარტივისა და დაბალი ღირებულების გამო, მათი თანდაყოლილი ოპტიკური შეზღუდვები ზღუდავს მათ შესაფერისობას ახალი თაობის მაღალი ეფექტურობის LED-ებისთვის. LED ტექნოლოგიის განვითარებასთან ერთად, PSS წარმოადგენს ნათელ მაგალითს იმისა, თუ როგორ შეუძლია მასალების ინჟინერიას პირდაპირ გარდაქმნა სისტემის დონის მუშაობის გაუმჯობესებაში.