در دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) مبتنی بر GaN، پیشرفت مداوم در تکنیک‌های رشد اپیتاکسیال و معماری دستگاه، بازده کوانتومی داخلی (IQE) را به طور فزاینده‌ای به حداکثر نظری خود نزدیک کرده است. با وجود این پیشرفت‌ها، عملکرد کلی نور LEDها اساساً توسط بازده استخراج نور (LEE) محدود می‌شود. از آنجایی که یاقوت کبود همچنان ماده اصلی زیرلایه برای اپیتاکسی GaN است، مورفولوژی سطح آن نقش تعیین‌کننده‌ای در کنترل تلفات نوری در دستگاه ایفا می‌کند.

این مقاله مقایسه‌ای جامع بین زیرلایه‌های یاقوت کبود تخت و زیرلایه‌های طرح‌دار ارائه می‌دهد.زیرلایه‌های یاقوت کبود (PSS)این مقاله مکانیسم‌های نوری و کریستالوگرافی را که از طریق آنها PSS راندمان استخراج نور را افزایش می‌دهد، روشن می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا PSS به یک استاندارد بالفعل در تولید LED با کارایی بالا تبدیل شده است.

۱. راندمان استخراج نور به عنوان یک تنگنای اساسی

بازده کوانتومی خارجی (EQE) یک LED با حاصلضرب دو عامل اصلی تعیین می‌شود:

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

EQE=IQE×LE

در حالی که IQE کارایی بازترکیب تابشی را در ناحیه فعال اندازه‌گیری می‌کند، LEE کسری از فوتون‌های تولید شده را که با موفقیت از دستگاه فرار می‌کنند، توصیف می‌کند.

برای LED های مبتنی بر GaN که روی زیرلایه های یاقوت کبود رشد داده شده اند، LEE در طرح های مرسوم معمولاً به تقریباً 30 تا 40 درصد محدود می شود. این محدودیت عمدتاً ناشی از موارد زیر است:

• عدم تطابق شدید ضریب شکست بین GaN (n ≈ 2.4)، یاقوت کبود (n ≈ 1.7) و هوا (n ≈ 1.0)

• بازتاب داخلی کلی قوی (TIR) ​​در سطوح تماس مسطح

• به دام افتادن فوتون در لایه‌های اپیتاکسیال و زیرلایه

در نتیجه، بخش قابل توجهی از فوتون‌های تولید شده، بازتاب‌های داخلی متعددی را متحمل می‌شوند و در نهایت توسط ماده جذب می‌شوند یا به گرما تبدیل می‌شوند تا اینکه به خروجی نور مفید کمک کنند.

۲. زیرلایه‌های تخت یاقوت کبود: سادگی ساختاری با محدودیت‌های نوری

۲.۱ ویژگی‌های ساختاری

زیرلایه‌های یاقوت کبود تخت معمولاً از جهت‌گیری صفحه c (0001) با سطح صاف و مسطح استفاده می‌کنند. آنها به دلایل زیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند:

• کیفیت کریستالی بالا

• پایداری حرارتی و شیمیایی عالی

• فرآیندهای تولید بالغ و مقرون به صرفه

۲.۲ رفتار نوری

از دیدگاه نوری، فصل مشترک‌های مسطح منجر به مسیرهای انتشار فوتون بسیار جهت‌دار و قابل پیش‌بینی می‌شوند. هنگامی که فوتون‌های تولید شده در ناحیه فعال GaN با زوایای تابشی بیش از زاویه بحرانی به فصل مشترک GaN-هوا یا GaN-یاقوت کبود می‌رسند، بازتاب داخلی کلی رخ می‌دهد.

این منجر به:

• حبس فوتون قوی درون دستگاه

• افزایش جذب توسط الکترودهای فلزی و حالت‌های نقص

• توزیع زاویه‌ای محدود نور ساطع‌شده

در اصل، زیرلایه‌های مسطح یاقوت کبود کمک چندانی به غلبه بر محدودیت نوری نمی‌کنند.

۳. زیرلایه‌های یاقوت کبود طرح‌دار: مفهوم و طراحی ساختاری

یک زیرلایه یاقوت کبود طرح‌دار (PSS) با وارد کردن ساختارهای میکرو یا نانومقیاس تناوبی یا شبه تناوبی روی سطح یاقوت کبود با استفاده از تکنیک‌های فوتولیتوگرافی و حکاکی تشکیل می‌شود.

هندسه‌های رایج PSS عبارتند از:

• سازه‌های مخروطی

• گنبدهای نیم‌کره

• ویژگی‌های هرمی

• اشکال استوانه‌ای یا مخروطی ناقص

ابعاد معمول این ویژگی‌ها از زیرمیکرومتر تا چندین میکرومتر متغیر است و ارتفاع، گام و چرخه کار آنها با دقت کنترل می‌شود.

۴. مکانیسم‌های افزایش استخراج نور در PSS

۴.۱ جلوگیری از بازتاب داخلی کلی

توپوگرافی سه‌بعدی PSS زوایای محلی تابش را در رابط‌های مواد تغییر می‌دهد. فوتون‌هایی که در غیر این صورت بازتاب داخلی کلی را در یک مرز مسطح تجربه می‌کنند، به زوایایی درون مخروط فرار هدایت می‌شوند و احتمال خروج آنها از دستگاه را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند.

۴.۲ پراکندگی نوری بهبود یافته و تصادفی‌سازی مسیر

ساختارهای PSS رویدادهای شکست و بازتاب چندگانه را ایجاد می‌کنند که منجر به موارد زیر می‌شود:

• تصادفی‌سازی جهت‌های انتشار فوتون

• افزایش تعامل با رابط‌های استخراج نور

• کاهش زمان اقامت فوتون در داخل دستگاه

از نظر آماری، این اثرات احتمال استخراج فوتون را قبل از وقوع جذب افزایش می‌دهند.

۴.۳ درجه‌بندی ضریب شکست مؤثر

از دیدگاه مدل‌سازی نوری، PSS به عنوان یک لایه گذار ضریب شکست مؤثر عمل می‌کند. به جای تغییر ناگهانی ضریب شکست از GaN به هوا، ناحیه الگودهی شده تغییر تدریجی ضریب شکست را فراهم می‌کند و در نتیجه تلفات بازتاب فرنل را کاهش می‌دهد.

این مکانیسم از نظر مفهومی مشابه پوشش‌های ضد انعکاس است، اگرچه به جای تداخل لایه نازک، به اپتیک هندسی متکی است.

۴.۴ کاهش غیرمستقیم تلفات جذب نوری

با کوتاه کردن طول مسیر فوتون و سرکوب بازتاب‌های داخلی مکرر، PSS احتمال جذب نوری را از طریق موارد زیر کاهش می‌دهد:

• اتصالات فلزی

• حالت‌های نقص کریستالی

• جذب حامل آزاد در GaN

این اثرات به افزایش راندمان و بهبود عملکرد حرارتی کمک می‌کنند.

۵. مزایای اضافی: بهبود کیفیت کریستال

فراتر از بهبود نوری، PSS همچنین کیفیت مواد اپیتاکسیال را از طریق مکانیسم‌های رشد بیش از حد اپیتاکسیال جانبی (LEO) بهبود می‌بخشد:

• نابجایی‌هایی که از فصل مشترک یاقوت کبود-GaN سرچشمه می‌گیرند، تغییر مسیر داده یا خاتمه می‌یابند.

• چگالی دررفتگی رزوه شده به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد

• کیفیت کریستال بهبود یافته، قابلیت اطمینان دستگاه و طول عمر عملیاتی را افزایش می‌دهد.

این مزیت دوگانه نوری و ساختاری، PSS را از رویکردهای صرفاً نوریِ بافت‌دهی سطح متمایز می‌کند.

۶. مقایسه کمی: یاقوت کبود تخت در مقابل PSS

افزایش عملکرد واقعی به هندسه الگو، طول موج انتشار، معماری تراشه و استراتژی بسته‌بندی بستگی دارد.

۷. بده‌بستان‌ها و ملاحظات مهندسی

علیرغم مزایای آن، PSS چندین چالش عملی را ایجاد می‌کند:

• مراحل لیتوگرافی و حکاکی اضافی، هزینه ساخت را افزایش می‌دهد

• یکنواختی الگو و عمق حکاکی نیاز به کنترل دقیق دارد

• الگوهای ضعیف بهینه شده ممکن است بر یکنواختی اپیتاکسیال تأثیر منفی بگذارند

بنابراین، بهینه‌سازی PSS ذاتاً یک کار چندرشته‌ای است که شامل شبیه‌سازی نوری، مهندسی رشد اپیتاکسیال و طراحی دستگاه می‌شود.

۸. چشم‌انداز صنعت و چشم‌انداز آینده

در تولید مدرن LED، PSS دیگر به عنوان یک پیشرفت اختیاری در نظر گرفته نمی‌شود. در کاربردهای LED با توان متوسط ​​و بالا - از جمله روشنایی عمومی، روشنایی خودرو و نور پس زمینه نمایشگر - به یک فناوری پایه تبدیل شده است.

روندهای تحقیق و توسعه آینده عبارتند از:

• طرح‌های پیشرفته PSS متناسب با کاربردهای Mini-LED و Micro-LED

• رویکردهای ترکیبی که PSS را با کریستال‌های فوتونی یا بافت‌دهی سطحی در مقیاس نانو ترکیب می‌کنند

• تلاش‌های مداوم برای کاهش هزینه و فناوری‌های الگوسازی مقیاس‌پذیر

نتیجه‌گیری

زیرلایه‌های یاقوت کبود طرح‌دار، گذار اساسی از تکیه‌گاه‌های مکانیکی غیرفعال به اجزای نوری و ساختاری کاربردی در دستگاه‌های LED را نشان می‌دهند. PSS با پرداختن به تلفات استخراج نور در ریشه آنها - یعنی محصورسازی نوری و بازتاب سطح مشترک - راندمان بالاتر، قابلیت اطمینان بهبود یافته و عملکرد پایدارتر دستگاه را ممکن می‌سازد.

در مقابل، اگرچه زیرلایه‌های یاقوت کبود تخت به دلیل قابلیت تولید و هزینه کمتر همچنان جذاب هستند، اما محدودیت‌های نوری ذاتی آنها، مناسب بودن آنها را برای LEDهای نسل بعدی با راندمان بالا محدود می‌کند. با ادامه تکامل فناوری LED، PSS به عنوان نمونه بارزی از چگونگی تبدیل مستقیم مهندسی مواد به افزایش عملکرد در سطح سیستم، شناخته می‌شود.