Í ljósdíóðum (LED) sem byggja á GaN hafa stöðugar framfarir í vaxtartækni fyrir geislamyndun og tækjahönnun leitt til þess að innri skammtanýtni (IQE) nálgast fræðilegt hámark sitt. Þrátt fyrir þessar framfarir er heildarljósnýting LED-ljósa enn grundvallaratriðum takmörkuð af ljósútdráttarnýtni (LEE). Þar sem safír er enn ríkjandi undirlagsefni fyrir geislamyndun GaN, gegnir yfirborðslögun þess lykilhlutverki í að stjórna ljóstapi innan tækisins.

Þessi grein kynnir ítarlega samanburð á flötum safírundirlögum og mynstruðumsafír undirlag (PSS)Það varpar ljósfræðilegum og kristallafræðilegum aðferðum sem PSS notar til að auka skilvirkni ljósdreifingar og útskýrir hvers vegna PSS hefur orðið staðall í framleiðslu á háafkastamiklum LED ljósum.

1. Skilvirkni ljósdráttar sem grundvallar flöskuháls

Ytri skammtanýtni (EQE) LED ljóss er ákvörðuð af margfeldi tveggja meginþátta:

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

EQE=IQE×LEE

Þó að IQE magngreini skilvirkni geislunarendurröðunar innan virka svæðisins, lýsir LEE hlutfalli myndaðra ljóseinda sem sleppa úr tækinu.

Fyrir GaN-byggðar LED-ljós sem eru ræktuð á safírundirlögum er rafeindaeinkunn (LEE) í hefðbundnum hönnunum yfirleitt takmörkuð við um það bil 30–40%. Þessi takmörkun stafar aðallega af:

• Alvarlegt misræmi í ljósbrotsstuðli GaN (n ≈ 2,4), safírs (n ≈ 1,7) og lofts (n ≈ 1,0)

• Sterk heildar innri endurspeglun (TIR) ​​á sléttum viðmótum

• Fótónagildra innan epitaxiallaganna og undirlagsins

Þar af leiðandi gengst verulegur hluti myndaðra ljóseinda undir margvíslegar innri endurspeglun og frásogast að lokum af efnið eða umbreytist í hita frekar en að stuðla að gagnlegri ljósgeislun.

2. Flatt safírundirlag: Einföld uppbygging með sjónrænum takmörkunum

2.1 Byggingareiginleikar

Flatt safírundirlag notar yfirleitt c-plan (0001) stefnu með sléttu, sléttu yfirborði. Þau hafa verið mikið notuð vegna:

• Hár kristallaður gæði

• Frábær hita- og efnafræðilegur stöðugleiki

• Þroskaðar og hagkvæmar framleiðsluferlar

2.2 Sjónræn hegðun

Frá sjónrænu sjónarmiði leiða flatar samskeyti til mjög stefnubundinna og fyrirsjáanlegra útbreiðsluleiða ljóseinda. Þegar ljóseindir sem myndast í virka svæðinu af GaN ná GaN-lofti eða GaN-safír samskeyti við innfallshorn sem eru meiri en gagnrýnið horn, á sér stað algjör innri endurspeglun.

Þetta leiðir til:

• Sterk ljóseindalokun innan tækisins

• Aukin frásog af málmrafskautum og gallaástandi

• Takmörkuð horndreifing ljósgeislunar

Í raun bjóða flatt safír undirlag litla aðstoð við að sigrast á sjónrænum takmörkunum.

3. Mynstrað safír undirlag: Hugmynd og burðarvirkishönnun

Mynstrað safírundirlag (PSS) er myndað með því að setja lotubundnar eða hálf-lotubundnar ör- eða nanóskalabyggingar á safíryfirborðið með ljósritun og etsunartækni.

Algengar PSS rúmfræði eru meðal annars:

• Keilulaga mannvirki

• Hálfkúlulaga hvelfingar

• Pýramídaform

• Sívalningslaga eða stytt keilulaga form

Dæmigerðar stærðir eiginleika eru frá undir-míkrómetra upp í nokkra míkrómetra, með vandlega stýrðri hæð, skurði og vinnuhlutfalli.

4. Aðferðir til að auka ljósútdrátt í PSS

4.1 Að bæla niður heildar innri endurskin

Þrívíddarlandslag PSS breytir staðbundnum innfallshornum á efnisviðmótum. Ljóseindir sem annars myndu upplifa algjöra innri endurspeglun á sléttu mörki eru beint í horn innan útgöngukeilunnar, sem eykur verulega líkur þeirra á að fara út úr tækinu.

4.2 Bætt ljósdreifing og slembival í leiðum

PSS-byggingar valda margvíslegum ljósbrots- og endurskinsatburðum, sem leiðir til:

• Slembiröðun á útbreiðsluáttum ljóseinda

• Aukin samskipti við ljósútdráttarviðmót

• Minnkaður dvalartími ljóseinda í tækinu

Tölfræðilega séð auka þessi áhrif líkurnar á að ljóseindir verði teknar út áður en frásog á sér stað.

4.3 Virkur ljósbrotsstuðull flokkun

Frá sjónarhóli sjónlíkanagerðar virkar PSS sem áhrifaríkt umskiptalag fyrir brotstuðul. Í stað skyndilegrar breytingar á brotstuðli frá GaN í loft, þá veitir mynstraða svæðið stigvaxandi breytingu á brotstuðli og dregur þannig úr tapi Fresnel-endurspeglunar.

Þessi aðferð er hugmyndalega hliðstæð endurskinsvörn, þó hún byggi á rúmfræðilegri ljósfræði fremur en þunnfilmutruflunum.

4.4 Óbein minnkun á ljósgleypnitapi

Með því að stytta ljósleiðarlengdir og bæla niður endurteknar innri endurspeglun, dregur PSS úr líkum á ljósgleypni með því að:

• Málmtengi

• Gallaástand kristalsins

• Fríflutningsupptaka í GaN

Þessi áhrif stuðla bæði að meiri skilvirkni og bættri varmaafköstum.

5. Viðbótarávinningur: Bætt gæði kristalsins

Auk sjónrænnar aukningar bætir PSS einnig gæði epitaxial efnis með hliðrænum epitaxial ofvexti (LEO) ferlum:

• Röskun sem á uppruna sinn í safír-GaN tengifletinum er vísað til baka eða hún er stöðvuð

• Þéttleiki þráðarrofs er verulega minnkaður

• Bætt gæði kristalsins auka áreiðanleika og endingartíma tækisins

Þessi tvöfaldi sjónræni og byggingarlegi ávinningur aðgreinir PSS frá eingöngu sjónrænum yfirborðsáferðaraðferðum.

6. Megindleg samanburður: Flatt safír vs. PSS

Raunveruleg afköst eru háð mynstursrúmfræði, bylgjulengd geislunar, flísararkitektúr og pökkunarstefnu.

7. Málamiðlanir og verkfræðileg sjónarmið

Þrátt fyrir kosti sína hefur PSS nokkrar hagnýtar áskoranir í för með sér:

• Viðbótar litografíu- og etsunarskref auka framleiðslukostnað

• Mynsturssamræmi og etsdýpt krefjast nákvæmrar stjórnunar

• Illa fínstillt mynstur geta haft neikvæð áhrif á einsleitni epitaxial

Þess vegna er PSS-bestun í eðli sínu fjölgreinalegt verkefni sem felur í sér ljósfræðilega hermun, epitaxial vaxtarverkfræði og tækjahönnun.

8. Iðnaðarsjónarmið og framtíðarhorfur

Í nútíma LED framleiðslu er PSS ekki lengur talið vera valfrjáls aukahlutur. Í meðal- og háafls LED forritum - þar á meðal almennri lýsingu, bílalýsingu og baklýsingu skjáa - hefur það orðið grunntækni.

Rannsóknar- og þróunarþróun framtíðarinnar eru meðal annars:

• Ítarlegar PSS-hönnun sniðnar að Mini-LED og Micro-LED forritum

• Blönduð aðferð sem sameina PSS með ljósfræðilegum kristalla eða yfirborðsáferð á nanóskala

• Áframhaldandi viðleitni til kostnaðarlækkunar og stigstærðrar mynsturtækni

Niðurstaða

Mynstrað safírundirlag táknar grundvallarbreytingu frá óvirkum vélrænum stuðningi yfir í virka ljósfræðilega og byggingarlega íhluti í LED-tækjum. Með því að taka á ljósútdráttartapi við rót þeirra - þ.e. ljósfræðilegri takmörkun og endurspeglun á tengifleti - gerir PSS kleift að auka skilvirkni, bæta áreiðanleika og samræmdari afköst tækja.

Hins vegar, þó að flatt safír undirlag sé enn aðlaðandi vegna framleiðsluhæfni og lægri kostnaðar, takmarka meðfæddar sjónrænar takmarkanir þeirra hentugleika þeirra fyrir næstu kynslóð afkastamikilla LED ljósa. Þar sem LED tækni heldur áfram að þróast, stendur PSS sem skýrt dæmi um hvernig efnisverkfræði getur leitt beint til aukinnar afkasta á kerfisstigi.