GaN əsaslı işıq saçan diodlarda (LED) epitaksial böyümə texnikaları və cihaz arxitekturasındakı davamlı irəliləyiş daxili kvant səmərəliliyini (IQE) nəzəri maksimuma yaxınlaşdırmışdır. Bu irəliləyişlərə baxmayaraq, LED-lərin ümumi işıqlandırma performansı işıq çıxarma səmərəliliyi (LEE) ilə fundamental olaraq məhduddur. Safir GaN epitaksisi üçün əsas substrat materialı olaraq qaldığı üçün onun səth morfologiyası cihaz daxilində optik itkilərin idarə olunmasında həlledici rol oynayır.

Bu məqalədə düz sapfir substratları ilə naxışlılar arasında hərtərəfli müqayisə təqdim olunursapfir substratları (PSS)Bu, PSS-in işığın çıxarılması səmərəliliyini artırdığı optik və kristalloqrafik mexanizmləri izah edir və PSS-in yüksək performanslı LED istehsalında faktiki olaraq standarta çevrilməsinin səbəbini izah edir.

1. Əsas maneə kimi işıq çıxarma səmərəliliyi

LED-in xarici kvant səmərəliliyi (EQE) iki əsas amilin hasili ilə müəyyən edilir:

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

EQE=IQE×LEE

IQE aktiv bölgə daxilində radiasiya rekombinasiyasının səmərəliliyini ölçərkən, LEE cihazdan uğurla çıxan yaradılan fotonların hissəsini təsvir edir.

Safir substratlarında yetişdirilən GaN əsaslı LED-lər üçün ənənəvi dizaynlarda LEE adətən təxminən 30-40% ilə məhdudlaşır. Bu məhdudiyyət əsasən aşağıdakılardan qaynaqlanır:

• GaN (n ≈ 2.4), sapfir (n ≈ 1.7) və hava (n ≈ 1.0) arasında ciddi refraktiv əmsal uyğunsuzluğu

• Düz səthlərdə güclü tam daxili əks olunma (TIR)

• Epitaksial təbəqələrdə və substratda fotonların tutulması

Nəticə etibarilə, yaranan fotonların əhəmiyyətli bir hissəsi çoxsaylı daxili əks olunmalara məruz qalır və nəticədə faydalı işıq çıxışına töhfə vermək əvəzinə, material tərəfindən udulur və ya istiliyə çevrilir.

2. Düz Safir Substratları: Optik Məhdudiyyətlərlə Struktur Sadəliyi

2.1 Struktur Xüsusiyyətləri

Düz sapfir substratları adətən hamar, düz səthə malik c-müstəvi (0001) istiqamətindən istifadə edir. Onlar aşağıdakı səbəblərdən geniş istifadə olunur:

• Yüksək kristal keyfiyyəti

• Əla istilik və kimyəvi sabitlik

• Yetkin və səmərəli istehsal prosesləri

2.2 Optik Davranış

Optik baxımdan, müstəvi interfeyslər yüksək istiqamətli və proqnozlaşdırıla bilən foton yayılma yollarına gətirib çıxarır. GaN aktiv bölgəsində yaranan fotonlar kritik bucağı aşan düşmə bucaqları ilə GaN-hava və ya GaN-sapfir interfeysinə çatdıqda, tam daxili əks olunma baş verir.

Bu, aşağıdakılarla nəticələnir:

• Cihaz daxilində güclü foton məhdudiyyəti

• Metal elektrodlar və qüsur vəziyyətləri tərəfindən artan udma

• Şüalanan işığın məhdud bucaq paylanması

Əslində, düz sapfir substratları optik məhdudiyyəti aradan qaldırmaqda az kömək təklif edir.

3. Naxışlı Safir Substratları: Konsepsiya və Struktur Dizayn

Naxışlı sapfir substratı (PSS), fotolitoqrafiya və aşındırma üsullarından istifadə edərək sapfir səthinə dövri və ya kvazi-periodik mikro və ya nanoskal strukturlar daxil etməklə əmələ gəlir.

Ümumi PSS həndəsələrinə aşağıdakılar daxildir:

• Konik strukturlar

• Yarımkürəvi günbəzlər

• Piramidal xüsusiyyətlər

• Silindrik və ya kəsik konus formaları

Tipik xüsusiyyət ölçüləri, diqqətlə idarə olunan hündürlük, addım və iş dövrü ilə submikrometrdən bir neçə mikrometrə qədər dəyişir.

4. PSS-də İşıq Ekstraksiyasının Gücləndirilməsi Mexanizmləri

4.1 Ümumi Daxili Əksolunmanın Boğulması

PSS-in üçölçülü topoqrafiyası material sərhədlərindəki yerli düşmə bucaqlarını dəyişdirir. Əks halda düz bir sərhəddə tam daxili əks olunma yaşayacaq fotonlar qaçış konusunun içərisindəki bucaqlara yönləndirilir və bu da onların cihazdan çıxma ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə artırır.

4.2 Təkmilləşdirilmiş Optik Səpələnmə və Yol Təsadüfiliyi

PSS strukturları çoxsaylı refraksiya və əks olunma hadisələrini yaradır və bu da aşağıdakılara gətirib çıxarır:

• Fotonların yayılma istiqamətlərinin təsadüfi şəkildə tənzimlənməsi

• İşıq çıxarma interfeysləri ilə artan qarşılıqlı təsir

• Cihazda fotonun qalma müddətinin azaldılması

Statistik olaraq, bu təsirlər absorbsiya baş verməzdən əvvəl foton ekstraksiyası ehtimalını artırır.

4.3 Effektiv Refraktiv İndeks Qiymətləndirilməsi

Optik modelləşdirmə baxımından, PSS effektiv refraktiv indeks keçid təbəqəsi kimi çıxış edir. GaN-dən havaya kəskin refraktiv indeks dəyişikliyi əvəzinə, naxışlı bölgə tədricən refraktiv indeks dəyişikliyini təmin edir və bununla da Frenel əks itkilərini azaldır.

Bu mexanizm konseptual olaraq əks etdirmə əleyhinə örtüklərə bənzəyir, baxmayaraq ki, nazik təbəqə müdaxiləsindən daha çox həndəsi optikaya əsaslanır.

4.4 Optik Absorbsiya İtkilərinin Dolayı Azaldılması

Foton yolunun uzunluğunu qısaltmaqla və təkrarlanan daxili əks olunmaları boğmaqla, PSS optik udma ehtimalını aşağıdakı yollarla azaldır:

• Metal kontaktlar

• Kristal qüsur halları

• GaN-də sərbəst daşıyıcıların udulması

Bu təsirlər həm daha yüksək səmərəliliyə, həm də istilik performansının yaxşılaşmasına kömək edir.

5. Əlavə Faydalar: Kristal Keyfiyyətinin Yaxşılaşdırılması

Optik gücləndirmədən əlavə, PSS, lateral epitaksial böyümə (LEO) mexanizmləri vasitəsilə epitaksial materialın keyfiyyətini də artırır:

• Safir-GaN interfeysindən başlayan çıxıqlar yönləndirilir və ya dayandırılır

• Yivli dislokasiya sıxlığı əhəmiyyətli dərəcədə azalır

• Təkmilləşdirilmiş kristal keyfiyyəti cihazın etibarlılığını və istismar müddətini artırır

Bu ikili optik və struktur faydası PSS-i sırf optik səth teksturlaşdırma yanaşmalarından fərqləndirir.

6. Kəmiyyət Müqayisəsi: Düz Safir və PSS

Faktiki performans qazancları naxış həndəsəsindən, emissiya dalğa uzunluğundan, çip arxitekturasından və qablaşdırma strategiyasından asılıdır.

7. Güzəştlər və Mühəndislik Mülahizələri

Üstünlüklərinə baxmayaraq, PSS bir sıra praktik çətinliklər yaradır:

• Əlavə litoqrafiya və aşındırma addımları istehsal xərclərini artırır

• Naxışın vahidliyi və aşınma dərinliyi dəqiq nəzarət tələb edir

• Zəif optimallaşdırılmış nümunələr epitaksial vahidliyə mənfi təsir göstərə bilər

Buna görə də, PSS optimallaşdırması mahiyyət etibarilə optik simulyasiya, epitaksial böyümə mühəndisliyi və cihaz dizaynını əhatə edən çoxsahəli bir vəzifədir.

8. Sənaye Perspektivi və Gələcək Perspektiv

Müasir LED istehsalında PSS artıq əlavə bir inkişaf kimi qəbul edilmir. Ümumi işıqlandırma, avtomobil işıqlandırması və ekranın arxa işıqlandırılması da daxil olmaqla, orta və yüksək güclü LED tətbiqlərində o, əsas texnologiyaya çevrilmişdir.

Gələcək tədqiqat və inkişaf tendensiyalarına aşağıdakılar daxildir:

• Mini-LED və Micro-LED tətbiqləri üçün hazırlanmış qabaqcıl PSS dizaynları

• PSS-i fotonik kristallar və ya nanoskal səth teksturası ilə birləşdirən hibrid yanaşmalar

• Xərclərin azaldılması və miqyaslana bilən modelləşdirmə texnologiyaları istiqamətində davamlı səylər

Nəticə

Naxışlı sapfir substratları LED cihazlarında passiv mexaniki dayaqlardan funksional optik və struktur komponentlərinə fundamental keçidi təmsil edir. PSS, işığın çıxarılması itkilərini kökündə, yəni optik məhdudlaşdırma və interfeys əks olunmasında həll etməklə daha yüksək səmərəlilik, təkmilləşdirilmiş etibarlılıq və daha ardıcıl cihaz performansı təmin edir.

Bunun əksinə olaraq, düz sapfir substratlar istehsal qabiliyyəti və daha aşağı qiyməti səbəbindən cəlbedici qalsa da, daxili optik məhdudiyyətləri onların yeni nəsil yüksək səmərəlilikli LED-lər üçün uyğunluğunu məhdudlaşdırır. LED texnologiyası inkişaf etməyə davam etdikcə, PSS material mühəndisliyinin sistem səviyyəli performans artımlarına necə birbaşa çevrilə biləcəyinin bariz nümunəsidir.