אין GaN-באזירטע ליכט-עמיטירנדיקע דיאָדן (LEDs), האט קאנטינעווער פּראָגרעס אין עפּיטאַקסיאַל גראָוט טעקניקס און מיטל אַרכיטעקטור געטריבן די אינערלעכע קוואַנטום עפעקטיווקייט (IQE) מער און מער נאָענט צו איר טעאָרעטישן מאַקסימום. טראָץ די אַדוואַנסאַז, בלייבט די קוילעלדיקע ליכטיקע פאָרשטעלונג פון LEDs פונדאַמענטאַל באַגרענעצט דורך ליכט עקסטראַקציע עפעקטיווקייט (LEE). וויבאַלד סאַפיר בלייבט דער דאָמינאַנטער סאַבסטראַט מאַטעריאַל פֿאַר GaN עפּיטאַקסי, שפּילט זיין ייבערפלאַך מאָרפאָלאָגיע אַ באַשטימענדיק ראָלע אין רעגירן אָפּטישע פארלוסטן אין דעם מיטל.

דער אַרטיקל פּרעזענטירט אַן אויספֿירלעכן פֿאַרגלייַך צווישן פלאַכע סאַפֿיר סאַבסטראַטן און געמוסטערטעסאַפייער סאַבסטראַטן (PSS)עס דערקלערט די אָפּטישע און קריסטאַלאָגראַפֿישע מעכאַניזמען דורך וועלכע PSS פֿאַרבעסערט ליכט עקסטראַקציע עפֿעקטיווקייט און דערקלערט פאַרוואָס PSS איז געוואָרן אַ דע פֿאַקטאָ סטאַנדאַרט אין הויך-פּערפאָרמאַנס LED מאַנופאַקטורינג.

1. ליכט עקסטראַקציע עפעקטיווקייט ווי אַ פונדאַמענטאַלע פלאַשנעק

די עקסטערנע קוואַנטום עפעקטיווקייט (EQE) פון אַן LED ווערט באַשטימט דורך דעם פּראָדוקט פון צוויי הויפּט פאַקטאָרן:

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

EQE=IQE×LEE

בשעת IQE קוואַנטיפיצירט די עפעקטיווקייט פון ראַדיאַטיוו רעקאָמבינאַציע אין דער אַקטיווער געגנט, באַשרײַבט LEE דעם בראָכצאָל פון דזשענערירטע פאָטאָנען וואָס אַנטלויפֿן מצליח פֿון דעם מיטל.

פֿאַר GaN-באַזירטע LEDs וואָס וואַקסן אויף סאַפייער סאַבסטראַטן, איז LEE אין קאַנווענשאַנאַל דיזיינז טיפּיש לימיטעד צו בעערעך 30-40%. די לימיטאַציע שטאַמט הויפּטזעכלעך פֿון:

• שווערע רעפראַקטיווע אינדעקס מיסמאַטש צווישן GaN (n ≈ 2.4), סאַפייער (n ≈ 1.7), און לופט (n ≈ 1.0)

• שטאַרקע גאַנצע אינערלעכע רעפלעקציע (TIR) ​​ביי פּלאַנאַרע אינטערפאַסעס

• פאָטאָן טראַפּינג אין די עפּיטאַקסיאַל לייַערס און די סאַבסטראַט

דערפֿאַר, אַ באַטייטיקער טייל פֿון די גענערירטע פֿאָטאָנען גייען דורך קייפל אינערלעכע רעפֿלעקציעס און ווערן לעצטנס אַבזאָרבירט דורך דעם מאַטעריאַל אָדער פֿאַרוואַנדלט אין היץ אַנשטאָט ביישטייערן צו נוצלעכע ליכט-אויסגאַבע.

2. פלאַכע סאַפיר סאַבסטראַטן: סטרוקטורעלע פּשוטקייט מיט אָפּטישע באַגרענעצונגען

2.1 סטרוקטורעלע אייגנשאפטן

פלאַכע סאַפיר סאַבסטראַטן נוצן טיפּיש אַ c-פּלאַן (0001) אָריענטירונג מיט אַ גלאַט, פּלאַנאַר ייבערפלאַך. זיי זענען ברייט אנגענומען געוואָרן צוליב:

• הויך קריסטאַלינע קוואַליטעט

• אויסגעצייכנטע טערמישע און כעמישע פעסטקייט

• דערוואַקסן און קאָסטן-עפעקטיוו מאַנופאַקטורינג פּראַסעסאַז

2.2 אָפּטיש נאַטור

פֿון אַן אָפּטישן שטאַנדפּונקט, פֿירן פּלאַנאַרע אינטערפֿייסן צו העכסט ריכטונגספֿולע און פֿאָרויסזאָגבארע פֿאָטאָן פֿאַרשפּרייטונג וועגן. ווען פֿאָטאָנס וואָס ווערן גענערירט אין דער GaN אַקטיווער געגנט דערגרייכן די GaN-לופֿט אָדער GaN-סאַפֿיר אינטערפֿאַס אין אינצידענט ווינקלען וואָס זענען גרעסער ווי דער קריטישער ווינקל, פּאַסירט גאַנץ אינערלעכע אָפּשפּיגלונג.

דאָס רעזולטאַטן אין:

• שטאַרקע פאָטאָן קאַנפיינמאַנט אין די מיטל

• פארגרעסערטע אבסארפציע דורך מעטאל עלעקטראדן און דעפעקט שטאנדן

• א באגרענעצטע ווינקלדיקע פארשפרייטונג פון אויסגעלאָזטן ליכט

אין עסענץ, פלאַך סאַפייער סאַבסטראַטן פאָרשלאָגן קליין הילף אין אָוווערקאַמינג אָפּטיש קאַנפיינמאַנט.

3. געמוסטערטע סאַפיר סאַבסטראַטן: קאָנצעפּט און סטרוקטורעל פּלאַן

א געמוסטערטער סאַפיר סאַבסטראַט (PSS) ווערט געשאפן דורך אריינפירן פּעריאָדישע אָדער קוואַזי-פּעריאָדישע מיקראָ- אָדער נאַנאָסקאַלע סטרוקטורן אויף דער סאַפיר ייבערפלאַך מיט פאָטאָליטאָגראַפי און עטשינג טעקניקס.

געוויינטלעכע PSS געאמעטריעס אַרייַננעמען:

• קאָנישע סטרוקטורן

• האַלבקוגל קופּאָלן

• פּיראַמידאַלע פֿעיִקייטן

• צילינדרישע אדער אפגעקירטע-קאָנע פֿאָרמען

טיפּישע פֿעיִטשער דימענסיעס גייען פֿון סוב-מיקראָמעטער ביז עטלעכע מיקראָמעטערס, מיט קערפֿול קאָנטראָלירטער הייך, פּיטש און דוטי ציקל.

4. מעכאניזמען פון ליכט עקסטראַקציע פֿאַרבעסערונג אין PSS

4.1 אונטערדריקונג פון גאַנץ אינערלעכער אָפּשפּיגלונג

די דריי-דימענסיאָנאַלע טאָפּאָגראַפֿיע פֿון PSS מאָדיפֿיצירט די לאָקאַלע ווינקלען פֿון אינצידענץ ביי מאַטעריאַלע אינטערפֿייסן. פֿאָטאָנען וואָס וואָלטן אַנדערש דערפֿאַרן גאַנץ אינערלעכע אָפּשפּיגלונג ביי אַ פֿלאַכער גרענעץ ווערן איבערגעפֿירט אין ווינקלען אינעם אַנטלויף-קאָן, וואָס פֿאַרגרעסערט באַדייטנד זייער וואַרשיינלעכקייט פֿון אַרויסגיין פֿון דעם מיטל.

4.2 פֿאַרבעסערטע אָפּטישע סקאַטערינג און פּאַט ראַנדאָמיזאַציע

PSS סטרוקטורן פירן צו קייפל רעפראַקציע און רעפלעקציע געשעענישן, וואָס פירט צו:

• ראַנדאָמיזאַציע פון ​​פאָטאָן פאַרשפּרייטונג ריכטונגען

• פארגרעסערטע אינטעראקציע מיט ליכט-עקסטראַקציע אינטערפייסיז

• פארקלענערטע פאטאן רעזידענץ צייט אינעם אפאראט

סטאַטיסטיש, פֿאַרגרעסערן די ווירקונגען די ליקעליהאָאָד פֿון פֿאָטאָן עקסטראַקציע איידער אַבזאָרפּציע פּאַסירט.

4.3 עפעקטיווע רעפראַקטיווע אינדעקס גראַדירונג

פֿון אַן אָפּטישער מאָדעלירונג פּערספּעקטיוו, אַקטירט PSS ווי אַן עפֿעקטיווער רעפֿראַקטיווער אינדעקס איבערגאַנג שיכט. אַנשטאָט אַ פּלוצעמדיקע רעפֿראַקטיווער אינדעקס ענדערונג פֿון GaN צו לופֿט, גיט די געמוסטערטע געגנט אַ גראַדועלע רעפֿראַקטיווע אינדעקס וואַריאַציע, דערמיט רעדוצירנדיק פֿרעסנעל רעפֿלעקציע פֿאַרלוסטן.

דעם מעכאניזם איז קאנצעפטועל ענליך צו אנטי-רעפלעקציע באַדעקונגען, כאָטש עס פארלאָזט זיך אויף געאמעטרישע אָפּטיק אלא ווי דין-פילם אינטערפערענץ.

4.4 אומדירעקטע רעדוקציע פון ​​אָפּטישע אַבזאָרפּציע פארלוסטן

דורך פארקירצן פאטאן וועג לענג און אונטערדריקן איבערגעחזרטע אינערליכע רעפלעקציעס, פארקלענערט PSS די ווארשיינליכקייט פון אפטישע אבסארפציע דורך:

• מעטאַל קאָנטאַקטן

• קריסטאַל דעפעקט שטאַטן

• פריי-טרעגער אַבזאָרפּציע אין GaN

די ווירקונגען ביישטייערן צו ביידע העכערע עפעקטיווקייט און פֿאַרבעסערטע טערמישע פאָרשטעלונג.

5. נאָך בענעפיטן: פֿאַרבעסערונג אין קריסטאַל קוואַליטעט

ווייטער פון אָפּטישע פֿאַרבעסערונג, פֿאַרבעסערט PSS אויך די קוואַליטעט פֿון עפּיטאַקסיאַל מאַטעריאַל דורך לאַטעראַלע עפּיטאַקסיאַל אָוווערגראָוסט (LEO) מעקאַניזמען:

• דיסלאָקאַציעס וואָס שטאַמען פֿון דער סאַפֿיר-GaN צובינד ווערן רידערעקטעד אָדער טערמינירט

• פֿעדעם דיסלאָוקיישאַן געדיכטקייט איז באַדייטנד רידוסט

• פֿאַרבעסערטע קריסטאַל קוואַליטעט פֿאַרבעסערט די פֿאַרלעסלעכקייט פֿון דיווייסעס און די אַפּעריישאַנאַלע לעבן

די דאזיקע צווייפאַכיקע אָפּטישע און סטרוקטורעלע נוץ אונטערשיידט PSS פון ריין אָפּטישע ייבערפלאַך-טעקסטורירונג צוגאַנגען.

6. קוואַנטיטאַטיווע פאַרגלייַך: פלאַך סאַפייער קעגן PSS

פאַקטישע פאָרשטעלונג געווינסן הענגען אָפּ פון מוסטער דזשיאַמעטרי, ימישאַן כוואַליע לענג, טשיפּ אַרכיטעקטור, און פּאַקקאַגינג סטראַטעגיע.

7. קאָמפּראָמיסן און אינזשעניריע באַטראַכטונגען

טראָץ אירע מעלות, ברענגט PSS אַרײַן עטלעכע פּראַקטישע שוועריקייטן:

• נאָך ליטאָגראַפֿיע און עטשינג טריט פאַרגרעסערן פאַבריקאַציע קאָסטן

• מוסטער איינהייטלעכקייט און עטש טיפקייט דאַרפן פּינקטלעכע קאָנטראָל

• שלעכט אָפּטימיזירטע מוסטערן קענען נעגאַטיוו אַפעקטירן עפּיטאַקסיאַל יוניפאָרמאַטי

דעריבער, PSS אָפּטימיזאַציע איז אינהערענט אַ מולטידיסציפּלינאַרי אויפגאַבע וואָס ינוואַלווז אָפּטישע סימיאַליישאַן, עפּיטאַקסיאַל גראָוט אינזשעניריע, און מיטל פּלאַן.

8. אינדוסטריע פּערספּעקטיוו און צוקונפֿט אויסזיכט

אין מאָדערנער LED פּראָדוקציע, ווערט PSS שוין נישט באַטראַכט ווי אַן אָפּציאָנעלע פֿאַרבעסערונג. אין מיטל- און הויך-מאַכט LED אַפּליקאַציעס - אַרייַנגערעכנט אַלגעמיינע באַלויכטונג, אויטאָמאָביל באַלויכטונג, און דיספּליי באַקלייטונג - איז עס געוואָרן אַ גרונט טעכנאָלאָגיע.

צוקונפֿטיקע פֿאָרשונג און אַנטוויקלונג טרענדס אַרייַננעמען:

• אַוואַנסירטע PSS דיזיינז צוגעפּאַסט פֿאַר מיני-LED און מיקראָ-LED אַפּלאַקיישאַנז

• היבריד צוגאַנגען וואָס קאָמבינירן PSS מיט פאָטאָניק קריסטאַלן אָדער נאַנאָסקאַלע ייבערפלאַך טעקסטשערינג

• ווייטערדיגע אנשטרענגונגען צו קאסטן רעדוקציע און סקאַלירבארע פּאַטערנינג טעכנאָלאָגיעס

מסקנא

געמוסטערטע סאַפיר סאַבסטראַטן רעפּרעזענטירן אַ פונדאַמענטאַלע איבערגאַנג פון פּאַסיווע מעכאַנישע שטיצעס צו פאַנגקשאַנאַלע אָפּטישע און סטרוקטורעלע קאָמפּאָנענטן אין LED דעוויסעס. דורך אַדרעסירן ליכט עקסטראַקציע פארלוסטן ביי זייער וואָרצל - נעמלעך אָפּטישע קאַנפיינמאַנט און צובינד רעפלעקציע - PSS אַלאַוז העכער עפעקטיווקייַט, פֿאַרבעסערט רילייאַבילאַטי און מער קאָנסיסטענט מיטל פאָרשטעלונג.

אין קאנטראסט, כאטש פלאכע סאפיר סאַבסטראַטן בלייבן אַטראַקטיוו צוליב זייער מאַנופאַקטוראַביליטי און נידעריקער קאָסטן, זייערע איינגעבוירענע אָפּטישע לימיטאַציעס באַגרענעצן זייער פּאַסיקייט פֿאַר נעקסט-דור הויך-עפעקטיווקייַט LEDs. ווי LED טעכנאָלאָגיע פאָרזעצט צו אַנטוויקלען, שטייט PSS ווי אַ קלאָר בייַשפּיל פון ווי מאַטעריאַלן אינזשעניריע קען גלייך איבערזעצן אין סיסטעם-לעוועל פאָרשטעלונג גיינז.