GaN-ի վրա հիմնված լուսարձակող դիոդներում (LED) էպիտաքսիալ աճի տեխնիկայի և սարքի ճարտարապետության շարունակական առաջընթացը ներքին քվանտային արդյունավետությունը (IQE) մոտեցրել է իր տեսական առավելագույնին: Այս առաջընթացներին չնայած, LED-ների ընդհանուր լուսային արդյունավետությունը շարունակում է հիմնարարորեն սահմանափակվել լույսի արդյունահանման արդյունավետությամբ (LEE): Քանի որ շափյուղան շարունակում է մնալ GaN էպիտաքսիային գերիշխող հիմքային նյութը, դրա մակերեսային ձևաբանությունը որոշիչ դեր է խաղում սարքի ներսում օպտիկական կորուստների կառավարման գործում:

Այս հոդվածը ներկայացնում է հարթ շափյուղայի հիմքերի և նախշավոր հիմքերի միջև համապարփակ համեմատություն։սափրային հիմքեր (PSS)Այն պարզաբանում է օպտիկական և բյուրեղագրական մեխանիզմները, որոնց միջոցով PSS-ը բարձրացնում է լույսի արդյունահանման արդյունավետությունը, և բացատրում է, թե ինչու է PSS-ը դարձել բարձր արդյունավետությամբ լուսադիոդների արտադրության մեջ փաստացի ստանդարտ։

1. Լույսի արդյունահանման արդյունավետությունը որպես հիմնարար խոչընդոտ

LED-ի արտաքին քվանտային արդյունավետությունը (EQE) որոշվում է երկու հիմնական գործոնների արտադրյալով՝

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

EQE=IQE×LEE

Մինչդեռ IQE-ն քանակականացնում է ճառագայթային ռեկոմբինացիայի արդյունավետությունը ակտիվ շրջանում, LEE-ն նկարագրում է գեներացված ֆոտոնների այն մասը, որոնք հաջողությամբ դուրս են գալիս սարքից։

Սապֆիրի հիմքերի վրա աճեցված GaN-ի վրա հիմնված լուսադիոդների համար ավանդական դիզայնի ցածր եկամտաբերությունը (LEE) սովորաբար սահմանափակվում է մոտավորապես 30-40%-ով: Այս սահմանափակումը հիմնականում բխում է հետևյալից.

• GaN-ի (n ≈ 2.4), շափյուղայի (n ≈ 1.7) և օդի (n ≈ 1.0) միջև բեկման ցուցիչի լուրջ անհամապատասխանություն։

• Հարթ միջերեսներում ուժեղ ընդհանուր ներքին արտացոլում (TIR)

• Ֆոտոնների թակարդում էպիտաքսիալ շերտերի և հիմքի ներսում

Հետևաբար, առաջացած ֆոտոնների զգալի մասը ենթարկվում է բազմակի ներքին անդրադարձումների և, ի վերջո, կլանվում է նյութի կողմից կամ վերածվում ջերմության՝ օգտակար լույսի արտանետմանը նպաստելու փոխարեն։

2. Հարթ շափյուղային հիմքեր. Կառուցվածքային պարզություն օպտիկական սահմանափակումներով

2.1 Կառուցվածքային բնութագրեր

Հարթ շափյուղայի հիմքերը սովորաբար օգտագործում են C-հարթության (0001) կողմնորոշում՝ հարթ, հարթ մակերեսով։ Դրանք լայնորեն կիրառվել են հետևյալի շնորհիվ՝

• Բարձր բյուրեղային որակ

• Գերազանց ջերմային և քիմիական կայունություն

• Հասուն և ծախսարդյունավետ արտադրական գործընթացներ

2.2 Օպտիկական վարքագիծ

Օպտիկական տեսանկյունից, հարթ միջերեսները հանգեցնում են ֆոտոնների բարձր ուղղորդված և կանխատեսելի տարածման ուղիների: Երբ GaN ակտիվ տիրույթում առաջացած ֆոտոնները հասնում են GaN-օդ կամ GaN-սապֆիր միջերեսին կրիտիկական անկյունը գերազանցող միջադեպային անկյուններով, տեղի է ունենում լրիվ ներքին անդրադարձում:

Սա հանգեցնում է հետևյալի.

• Սարքի ներսում ուժեղ ֆոտոնային սահմանափակում

• Մետաղական էլեկտրոդների և արատների վիճակների կողմից կլանման ավելացում

• Արտանետվող լույսի սահմանափակ անկյունային բաշխում

Ըստ էության, հարթ շափյուղայի հիմքերը քիչ օգնություն են ցուցաբերում օպտիկական սահմանափակումը հաղթահարելու հարցում:

3. Նախշավոր շափյուղա հիմքեր. Հայեցակարգ և կառուցվածքային նախագծում

Նախշավոր շափյուղայի հիմքը (PSS) ձևավորվում է շափյուղայի մակերեսին պարբերական կամ կիսապարբերական միկրո- կամ նանոմասշտաբի կառուցվածքներ ներմուծելով՝ օգտագործելով ֆոտոլիտոգրաֆիա և փորագրման տեխնիկա։

PSS-ի տարածված երկրաչափությունները ներառում են՝

• Կոնաձև կառուցվածքներ

• Կիսագնդաձև գմբեթներ

• Պիրամիդային առանձնահատկություններ

• Գլանաձև կամ կտրված կոնաձև ձևեր

Տիպիկ առանձնահատկությունների չափերը տատանվում են ենթամիկրոմետրից մինչև մի քանի միկրոմետր՝ ուշադիր կառավարվող բարձրությամբ, թեքությամբ և աշխատանքային ցիկլով։

4. Լույսի արդյունահանման ուժեղացման մեխանիզմները PSS-ում

4.1 Ներքին լրիվ արտացոլման ճնշում

PSS-ի եռաչափ տեղագրությունը փոփոխում է նյութական միջերեսներում անկման տեղային անկյունները: Ֆոտոնները, որոնք այլապես կենթարկվեին լրիվ ներքին անդրադարձման հարթ սահմանում, վերաուղղորդվում են փախուստի կոնի ներսում գտնվող անկյունների, ինչը զգալիորեն մեծացնում է սարքից դուրս գալու նրանց հավանականությունը:

4.2 Բարելավված օպտիկական ցրում և ճանապարհի պատահականացում

PSS կառուցվածքները ներմուծում են բազմաթիվ բեկման և անդրադարձման իրադարձություններ, որոնք հանգեցնում են՝

• Ֆոտոնի տարածման ուղղությունների պատահականացում

• Լույսի արդյունահանման միջերեսների հետ փոխազդեցության ավելացում

• Սարքի ներսում ֆոտոնի մնալու ժամանակի կրճատում

Վիճակագրորեն, այս էֆեկտները մեծացնում են ֆոտոնի արդյունահանման հավանականությունը կլանումից առաջ։

4.3 Արդյունավետ բեկման ինդեքսի գնահատում

Օպտիկական մոդելավորման տեսանկյունից, PSS-ը գործում է որպես արդյունավետ բեկման ցուցիչի անցումային շերտ: GaN-ից օդ բեկման ցուցիչի կտրուկ փոփոխության փոխարեն, նախշավոր շրջանը ապահովում է բեկման ցուցիչի աստիճանական փոփոխություն, այդպիսով նվազեցնելով Ֆրենելի անդրադարձման կորուստները:

Այս մեխանիզմը հայեցակարգային առումով նման է հակաանդրադարձնող ծածկույթներին, չնայած այն հիմնված է երկրաչափական օպտիկայի վրա, այլ ոչ թե բարակ թաղանթային ինտերֆերենցիայի։

4.4 Օպտիկական կլանման կորուստների անուղղակի նվազեցում

Կրճատելով ֆոտոնային ուղիների երկարությունը և ճնշելով կրկնվող ներքին անդրադարձումները, PSS-ը նվազեցնում է օպտիկական կլանման հավանականությունը հետևյալ կերպ.

• Մետաղական կոնտակտներ

• Բյուրեղային արատների վիճակներ

• GaN-ում ազատ կրիչի կլանումը

Այս ազդեցությունները նպաստում են ինչպես բարձր արդյունավետությանը, այնպես էլ ջերմային կատարողականի բարելավմանը։

5. Լրացուցիչ առավելություններ՝ բյուրեղների որակի բարելավում

Բացի օպտիկական բարելավումից, PSS-ը նաև բարելավում է էպիտաքսիալ նյութի որակը կողմնային էպիտաքսիալ գերաճի (LEO) մեխանիզմների միջոցով։

• Սապֆիրա-GaN միջերեսից առաջացող տեղաշարժերը վերահասցեավորվում կամ դադարեցվում են։

• Թելային տեղաշարժի խտությունը զգալիորեն նվազում է

• Բյուրեղների որակի բարելավումը բարձրացնում է սարքի հուսալիությունը և շահագործման ժամկետը

Այս կրկնակի օպտիկական և կառուցվածքային առավելությունը տարբերակում է PSS-ը զուտ օպտիկական մակերևույթի հյուսվածքավորման մոտեցումներից։

6. Քանակական համեմատություն. հարթ սափֆիր ընդդեմ PSS-ի

Իրական կատարողականի աճը կախված է նախշի երկրաչափությունից, ճառագայթման ալիքի երկարությունից, չիպի ճարտարապետությունից և փաթեթավորման ռազմավարությունից։

7. Փոխզիջումներ և ճարտարագիտական ​​նկատառումներ

Իր առավելություններին չնայած, PSS-ը մի շարք գործնական մարտահրավերներ է առաջացնում.

• Լրացուցիչ լիտոգրաֆիան և փորագրման քայլերը մեծացնում են արտադրության արժեքը

• Նախշի միատարրությունը և փորագրման խորությունը պահանջում են ճշգրիտ վերահսկողություն

• Վատ օպտիմալացված նախշերը կարող են բացասաբար ազդել էպիտաքսիալ միատարրության վրա։

Հետևաբար, PSS օպտիմալացումը բնույթով բազմամասնագիտական ​​խնդիր է, որը ներառում է օպտիկական մոդելավորում, էպիտաքսիալ աճի ինժեներիա և սարքերի նախագծում։

8. Արդյունաբերության հեռանկարը և ապագայի հեռանկարը

Ժամանակակից լուսադիոդային արտադրությունում PSS-ը այլևս չի համարվում լրացուցիչ բարելավում: Միջին և բարձր հզորության լուսադիոդային կիրառություններում, ներառյալ ընդհանուր լուսավորությունը, ավտոմեքենաների լուսավորությունը և էկրանի հետին լուսավորությունը, այն դարձել է հիմնական տեխնոլոգիա:

Հետազոտությունների և զարգացման ապագա միտումները ներառում են.

• Առաջադեմ PSS դիզայններ, որոնք հարմարեցված են Mini-LED և Micro-LED կիրառությունների համար

• Հիբրիդային մոտեցումներ, որոնք համատեղում են PSS-ը ֆոտոնային բյուրեղների կամ նանոմասշտաբի մակերեսային հյուսվածքավորման հետ

• Շարունակական ջանքեր՝ ուղղված ծախսերի կրճատմանը և մասշտաբային մոդելավորման տեխնոլոգիաներին

Եզրակացություն

Նախշավոր շափյուղայի հիմքերը LED սարքերում ներկայացնում են պասիվ մեխանիկական հենարաններից դեպի ֆունկցիոնալ օպտիկական և կառուցվածքային բաղադրիչներ հիմնարար անցում: Լույսի արդյունահանման կորուստները դրանց արմատից՝ մասնավորապես օպտիկական սահմանափակման և ինտերֆեյսի անդրադարձման հետ կապված խնդիրները լուծելով՝ PSS-ը հնարավորություն է տալիս ավելի բարձր արդյունավետություն, բարելավված հուսալիություն և սարքի ավելի կայուն աշխատանք:

Ի հակադրություն, մինչդեռ հարթ շափյուղային հիմքերը մնում են գրավիչ իրենց արտադրելիության և ցածր գնի շնորհիվ, դրանց բնորոշ օպտիկական սահմանափակումները սահմանափակում են դրանց պիտանիությունը հաջորդ սերնդի բարձր արդյունավետության LED-ների համար: Քանի որ LED տեխնոլոգիան շարունակում է զարգանալ, PSS-ը հանդիսանում է որպես հստակ օրինակ այն բանի, թե ինչպես նյութերի ճարտարագիտությունը կարող է ուղղակիորեն հանգեցնել համակարգային մակարդակի կատարողականի աճի: