በGaN ላይ በተመሰረቱ የብርሃን አመንጪ ዳዮዶች (LEDs) ውስጥ፣ በኤፒታክሲያል የእድገት ቴክኒኮች እና በመሳሪያ አርክቴክቸር ውስጥ ቀጣይነት ያለው እድገት የውስጥ ኳንተም ቅልጥፍና (IQE) ወደ ቲዎሬቲካል ከፍተኛ ደረጃ እንዲጠጋ አድርጎታል። እነዚህ እድገቶች ቢኖሩም፣ የኤልኢዲዎች አጠቃላይ የብርሃን አፈፃፀም በብርሃን ማውጣት ቅልጥፍና (LEE) በመሠረቱ የተገደበ ነው። ሰንፔር ለGaN ኤፒታክሲ ዋነኛው የንጣፍ ቁሳቁስ ሆኖ ሲቀጥል፣ የገጽታ ሞርፎሎጂው በመሳሪያው ውስጥ የኦፕቲካል ኪሳራዎችን በመቆጣጠር ረገድ ወሳኝ ሚና ይጫወታል።

ይህ ጽሑፍ ጠፍጣፋ ሰንፔር ንጣፎችን እና በተቀረጹ ቅርጾች መካከል አጠቃላይ ንፅፅር ያቀርባልየሰፔር ንጣፎች (PSS)PSS የብርሃን ማውጣት ቅልጥፍናን የሚያሻሽልባቸውን የኦፕቲካል እና የክሪስታሎግራፊክ ዘዴዎችን ያብራራል እና PSS በከፍተኛ አፈጻጸም ባለው የኤልኢዲ ማምረቻ ውስጥ ለምን እንደ መደበኛ ደረጃ የሆነው ለምን እንደሆነ ያብራራል።

1. የብርሃን ማውጣት ውጤታማነት እንደ መሰረታዊ ችግር

የ LED ውጫዊ የኳንተም ውጤታማነት (EQE) የሚወሰነው በሁለት ዋና ዋና ምክንያቶች ውጤት ነው፡

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

EQE=IQE×LEE

IQE በንቁ ክልል ውስጥ የጨረር ዳግም ውህደትን ውጤታማነት ሲለካ፣ LEE ከመሳሪያው በተሳካ ሁኔታ የሚያመልጡትን የተፈጠሩ ፎቶኖች ክፍልፋይ ይገልጻል።

በሰንፔር ንጣፍ ላይ ለሚበቅሉ በGaN ላይ የተመሰረቱ LEDs፣ LEE በተለምዶ በተለመዱ ዲዛይኖች ውስጥ በግምት ከ30-40% ብቻ የተገደበ ነው። ይህ ገደብ በዋነኝነት የሚመነጨው ከ፡

• በGaN (n ≈ 2.4)፣ በሰንፔር (n ≈ 1.7) እና በአየር (n ≈ 1.0) መካከል ከባድ የሆነ የማጣቀሻ መረጃ ጠቋሚ አለመመጣጠን

• ጠንካራ አጠቃላይ ውስጣዊ ነጸብራቅ (TIR) ​​በፕላነር በይነገጽ ላይ

• የፎቶን ወጥመድ በኤፒታክሲያል ንብርብሮች እና በንዑስ ክፍል ውስጥ

በዚህም ምክንያት፣ ከሚመነጩት ፎቶኖች ውስጥ ከፍተኛ መጠን ያለው ክፍል በርካታ ውስጣዊ ነጸብራቆችን ያሳልፋል፣ በመጨረሻም በቁሱ ይዋጣሉ ወይም ጠቃሚ የብርሃን ውጤት ከማስገኘት ይልቅ ወደ ሙቀት ይቀየራሉ።

2. ጠፍጣፋ የሳፋየር ንጣፎች፡- ከኦፕቲካል ገደቦች ጋር የመዋቅር ቀላልነት

2.1 የመዋቅር ባህሪያት

ጠፍጣፋ የሰፔር ንጣፎች በተለምዶ ለስላሳ እና ጠፍጣፋ ወለል ያለው ሲ-ፕላን (0001) አቅጣጫ ይጠቀማሉ። በሚከተሉት ምክንያቶች በስፋት ተቀባይነት አግኝተዋል፦

• ከፍተኛ ክሪስታሊን ጥራት

• እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት እና የኬሚካል መረጋጋት

• የበሰለ እና ወጪ ቆጣቢ የማኑፋክቸሪንግ ሂደቶች

2.2 የኦፕቲካል ባህሪ

ከኦፕቲካል እይታ አንጻር፣ ጠፍጣፋ በይነገጾች ወደ ከፍተኛ አቅጣጫዊ እና ሊገመቱ የሚችሉ የፎቶን ስርጭት መንገዶች ይመራሉ። በGaN ንቁ ክልል ውስጥ የሚፈጠሩ ፎቶኖች ወሳኝ በሆነው አንግል በሚበልጡ የክስተት ማዕዘኖች ላይ ወደ GaN-air ወይም GaN-sapphire በይነገጽ ሲደርሱ፣ አጠቃላይ ውስጣዊ ነጸብራቅ ይከሰታል።

ይህ የሚከተሉትን ያስከትላል፦

• በመሳሪያው ውስጥ ጠንካራ የፎቶን እገዳ

• በብረት ኤሌክትሮዶች እና በጉድለት ሁኔታዎች የመምጠጥ መጨመር

• የተገደበ የማዕዘን ስርጭት የሚወጣ ብርሃን

በመሠረቱ፣ ጠፍጣፋ የሰፔር ንጣፎች የኦፕቲካል እገዳን ለማሸነፍ ብዙም እገዛ አይሰጡም።

3. የተቀረጹ የሳፋየር ንጣፎች፡ ፅንሰ-ሀሳብ እና የመዋቅር ዲዛይን

የተቀረጸ የሳፋየር ንጣፍ (PSS) የሚፈጠረው ፎቶሊቶግራፊ እና የቅርጽ ቴክኒኮችን በመጠቀም ወቅታዊ ወይም ከፊል-ፔሪዮዲክ ማይክሮ-ወይም ናኖስኬል አወቃቀሮችን በሳፋየር ወለል ላይ በማስተዋወቅ ነው።

የተለመዱ የPSS ጂኦሜትሪዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

• ሾጣጣዊ መዋቅሮች

• ሄሚስፌሪካል ጉልላት

• የፒራሚዳል ባህሪያት

• ሲሊንደራዊ ወይም የተቆረጡ የኮን ቅርጾች

የተለመዱ የባህሪይ ልኬቶች ከንዑስ ማይክሮሜትር እስከ በርካታ ማይክሮሜትሮች የሚደርሱ ሲሆን በጥንቃቄ ቁጥጥር የሚደረግበት ቁመት፣ ፒክ እና የግዴታ ዑደት አላቸው።

4. በPSS ውስጥ የብርሃን ማውጣት ማሻሻያ ዘዴዎች

4.1 የአጠቃላይ ውስጣዊ ነጸብራቅን መገደብ

የPSS ባለ ሶስት አቅጣጫዊ መልክዓ ምድር በቁሳዊ በይነገጾች ላይ የአካባቢውን የመከሰት ማዕዘኖች ይለውጣል። አለበለዚያ በጠፍጣፋ ድንበር ላይ ሙሉ ውስጣዊ ነጸብራቅ የሚያጋጥማቸው ፎቶኖች በማምለጫ ሾጣጣ ውስጥ ወደ ማዕዘኖች ይዛወራሉ፣ ይህም ከመሳሪያው የመውጣት እድላቸውን በእጅጉ ይጨምራል።

4.2 የተሻሻለ የኦፕቲካል ስኬተር እና የመንገድ ዘፈቀደ

የPSS መዋቅሮች በርካታ የማጣቀሻ እና የነጸብራቅ ክስተቶችን ያስተዋውቃሉ፣ ይህም የሚከተሉትን ያስከትላል፡

• የፎቶን ስርጭት አቅጣጫዎችን በዘፈቀደ ማዛባት

• ከብርሃን-ማውጣት በይነገጾች ጋር ​​ያለው መስተጋብር ጨምሯል

• በመሳሪያው ውስጥ የፎቶን ቆይታ ቀንሷል

በስታቲስቲክስ መሰረት፣ እነዚህ ተፅዕኖዎች ከመምጠጥ በፊት የፎቶን ማውጣት እድልን ይጨምራሉ።

4.3 ውጤታማ የሪፍራክቲቭ ኢንዴክስ ደረጃ አሰጣጥ

ከኦፕቲካል ሞዴሊንግ አንፃር፣ PSS እንደ ውጤታማ የማጣቀሻ ኢንዴክስ ሽግግር ንብርብር ሆኖ ያገለግላል። ከ GaN ወደ አየር ድንገተኛ የማጣቀሻ ኢንዴክስ ለውጥ ከማድረግ ይልቅ፣ የተቀረጸው ክልል ቀስ በቀስ የማጣቀሻ ኢንዴክስ ልዩነትን ይሰጣል፣ በዚህም የፍሬስኔል ነጸብራቅ ኪሳራዎችን ይቀንሳል።

ይህ ዘዴ ከፀረ-ነጸብራቅ ሽፋኖች ጋር በፅንሰ-ሀሳብ ተመሳሳይ ነው፣ ምንም እንኳን ቀጭን ፊልም ጣልቃገብነት ሳይሆን በጂኦሜትሪክ ኦፕቲክስ ላይ የተመሰረተ ቢሆንም።

4.4 የኦፕቲካል መምጠጥ ኪሳራዎችን በተዘዋዋሪ መቀነስ

የፎቶን መንገድ ርዝመት በማሳጠር እና ተደጋጋሚ የውስጥ ነጸብራቆችን በመከልከል፣ PSS የኦፕቲካል መምጠጥ እድልን በሚከተለው ይቀንሳል፡

• የብረት እውቂያዎች

• የክሪስታል ጉድለት ሁኔታዎች

• በGaN ውስጥ ነፃ-ተሸካሚ መምጠጥ

እነዚህ ተፅዕኖዎች ለከፍተኛ ቅልጥፍና እና ለተሻሻለ የሙቀት አፈፃፀም አስተዋጽኦ ያደርጋሉ።

5. ተጨማሪ ጥቅሞች፡ በክሪስታል ጥራት ላይ መሻሻል

ከኦፕቲካል ማሻሻያ በተጨማሪ፣ PSS በተጨማሪም የኤፒታክሲያል ቁስ ጥራትን በጎን በኩል ባለው የኤፒታክሲያል ከመጠን በላይ እድገት (LEO) ዘዴዎች ያሻሽላል።

• ከሳፋየር-ጋኤን በይነገጽ የሚመጡ መሰናክሎች አቅጣጫቸውን ያዘዋውራሉ ወይም ይቋረጣሉ

• የክር መቆራረጥ ጥግግት በከፍተኛ ሁኔታ ቀንሷል

• የተሻሻለ ክሪስታል ጥራት የመሳሪያውን አስተማማኝነት እና የአሠራር ዕድሜን ያሻሽላል

ይህ ባለሁለት ኦፕቲካል እና መዋቅራዊ ጥቅም PSSን ከኦፕቲካል ወለል-ሸካራነት አቀራረቦች ይለያል።

6. የቁጥር ንጽጽር፡ ጠፍጣፋ ሰንፔር ከ PSS ጋር

ትክክለኛው የአፈጻጸም ጭማሪ የሚወሰነው በንድፍ ጂኦሜትሪ፣ በልቀት ሞገድ ርዝመት፣ በቺፕ አርክቴክቸር እና በማሸጊያ ስትራቴጂ ላይ ነው።

7. የልውውጥ እና የምህንድስና ጉዳዮች

ምንም እንኳን ጥቅሞቹ ቢኖሩም፣ PSS በርካታ ተግባራዊ ተግዳሮቶችን ያስተዋውቃል፡

• ተጨማሪ የሊቶግራፊ እና የመቅረጽ ደረጃዎች የማምረቻ ወጪን ይጨምራሉ

• የንድፍ ወጥነት እና የመለጠጥ ጥልቀት ትክክለኛ ቁጥጥር ያስፈልጋቸዋል

• በደንብ ያልተሻሻሉ ቅጦች የኤፒታክሲያል ወጥነት ላይ አሉታዊ ተጽዕኖ ሊያሳድሩ ይችላሉ

ስለዚህ፣ የPSS ማመቻቸት በተፈጥሮው የኦፕቲካል ማስመሰልን፣ የኤፒታክሲያል እድገት ምህንድስናን እና የመሳሪያ ዲዛይንን የሚያካትት ባለብዙ ዘርፍ ተግባር ነው።

8. የኢንዱስትሪው አመለካከት እና የወደፊት እይታ

በዘመናዊ የኤልኢዲ ማምረቻ ውስጥ፣ PSS እንደ አማራጭ ማሻሻያ ተደርጎ አይቆጠርም። በመካከለኛ እና ከፍተኛ ኃይል ባላቸው የኤልኢዲ አፕሊኬሽኖች - አጠቃላይ መብራትን፣ የመኪና መብራትን እና የማሳያ የኋላ መብራትን ጨምሮ - መሰረታዊ ቴክኖሎጂ ሆኗል።

የወደፊት የምርምር እና የልማት አዝማሚያዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

• ለሚኒ-LED እና ለማይክሮ-LED አፕሊኬሽኖች የተነደፉ የላቁ የPSS ዲዛይኖች

• PSSን ከፎቶኒክ ክሪስታሎች ወይም ናኖስካሌል ወለል ሸካራነት ጋር በማጣመር የተዳቀለ አቀራረቦች

• የወጪ ቅነሳ እና ሊሰፋ የሚችል የዲዛይን ቴክኖሎጂዎችን ለማካሄድ ቀጣይ ጥረቶች

መደምደሚያ

የተቀረጹ የሳፋየር ንጣፎች ከተግባራዊ ሜካኒካል ድጋፎች ወደ ተግባራዊ የኦፕቲካል እና መዋቅራዊ ክፍሎች በኤልኢዲ መሳሪያዎች ውስጥ የሚደረግ ሽግግርን ይወክላሉ። በሥሮቻቸው ላይ የብርሃን ማውጣት ኪሳራዎችን - ማለትም የኦፕቲካል እገዳ እና የበይነገጽ ነጸብራቅ - PSS ከፍተኛ ቅልጥፍናን፣ የተሻሻለ አስተማማኝነትን እና የበለጠ ወጥ የሆነ የመሣሪያ አፈፃፀምን ያስችላል።

በተቃራኒው፣ ጠፍጣፋ የሰፔር ንጣፎች በማምረት አቅማቸው እና በዝቅተኛ ወጪቸው ምክንያት ማራኪ ሆነው ቢቀጥሉም፣ በውስጣቸው ያለው የኦፕቲካል ገደቦቻቸው ለቀጣዩ ትውልድ ከፍተኛ ብቃት ላላቸው LEDዎች ያላቸውን ተስማሚነት ይገድባሉ። የ LED ቴክኖሎጂ መሻሻሉን ሲቀጥል፣ PSS የቁሳቁስ ምህንድስና በቀጥታ ወደ ስርዓት ደረጃ የአፈጻጸም ጭማሪ እንዴት ሊተረጎም እንደሚችል የሚያሳይ ግልጽ ምሳሌ ነው።