Katika diode zinazotoa mwanga (LEDs) zenye msingi wa GaN, maendeleo endelevu katika mbinu za ukuaji wa epitaxial na usanifu wa vifaa yamesababisha ufanisi wa ndani wa quantum (IQE) kuwa karibu zaidi na kiwango chake cha juu cha kinadharia. Licha ya maendeleo haya, utendaji wa jumla wa mwangaza wa LED unabaki kuwa mdogo kimsingi na ufanisi wa uchimbaji wa mwanga (LEE). Kwa kuwa yakuti inaendelea kuwa nyenzo kuu ya substrate kwa epitaxy ya GaN, mofolojia yake ya uso ina jukumu muhimu katika kudhibiti upotevu wa macho ndani ya kifaa.

Makala haya yanatoa ulinganisho kamili kati ya sehemu ndogo za yakuti tambarare na zilizochorwasubstrates za yakuti (PSS)Inafafanua mifumo ya macho na fuwele ambayo PSS huongeza ufanisi wa uchimbaji wa mwanga na inaelezea kwa nini PSS imekuwa kiwango halisi katika utengenezaji wa LED zenye utendaji wa hali ya juu.

1. Ufanisi wa Uchimbaji Mwanga kama Kikwazo cha Msingi

Ufanisi wa quantum ya nje (EQE) ya LED huamuliwa na matokeo ya mambo mawili ya msingi:

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

EQE=IQE×LEE

Ingawa IQE hupima ufanisi wa uunganishaji wa mionzi ndani ya eneo linalofanya kazi, LEE inaelezea sehemu ya fotoni zinazozalishwa ambazo hutoka kwenye kifaa kwa mafanikio.

Kwa taa za LED zenye msingi wa GaN zinazopandwa kwenye sehemu ndogo za yakuti, LEE katika miundo ya kawaida kwa kawaida huwa na kikomo cha takriban 30–40%. Kikwazo hiki kinatokana hasa na:

• Utofauti mkubwa wa kielezo cha kuakisi kati ya GaN (n ≈ 2.4), yakuti (n ≈ 1.7), na hewa (n ≈ 1.0)

• Tafakari ya ndani yenye nguvu (TIR) ​​katika violesura vya sayari

• Ukamataji wa fotoni ndani ya tabaka za epitaxial na substrate

Kwa hivyo, sehemu kubwa ya fotoni zinazozalishwa hupitia tafakari nyingi za ndani na hatimaye hufyonzwa na nyenzo au kubadilishwa kuwa joto badala ya kuchangia katika utoaji wa mwanga muhimu.

2. Vipande Vidogo vya Yakuti Flat: Urahisi wa Kimuundo na Vizuizi vya Macho

2.1 Sifa za Kimuundo

Vipande vya yakuti tambarare kwa kawaida hutumia mwelekeo wa c-plane (0001) wenye uso laini na wa sayari. Vimetumika sana kutokana na:

• Ubora wa juu wa fuwele

• Utulivu bora wa joto na kemikali

• Michakato ya utengenezaji iliyokomaa na yenye gharama nafuu

2.2 Tabia ya Macho

Kwa mtazamo wa macho, violesura vya planari husababisha njia za uenezaji wa fotoni zenye mwelekeo wa juu na zinazotabirika. Wakati fotoni zinazozalishwa katika eneo amilifu la GaN zinapofikia kiolesura cha GaN-hewa au GaN-yakuti kwenye pembe za tukio zinazozidi pembe muhimu, tafakari kamili ya ndani hutokea.

Hii inasababisha:

• Ufungaji mkubwa wa fotoni ndani ya kifaa

• Kuongezeka kwa unyonyaji na elektrodi za chuma na hali ya kasoro

• Usambazaji mdogo wa pembe wa mwanga unaotolewa

Kimsingi, substrates tambarare za yakuti hutoa msaada mdogo katika kushinda kizuizi cha macho.

3. Vipande Vidogo vya Yakuti Yenye Mifumo: Dhana na Ubunifu wa Miundo

Sehemu ndogo ya yakuti yenye muundo (PSS) huundwa kwa kuingiza miundo ya mara kwa mara au nusu-mara kwa mara kwenye uso wa yakuti kwa kutumia mbinu za upigaji picha na uchongaji.

Jiometri za kawaida za PSS ni pamoja na:

• Miundo ya koni

• Kuba za pande zote mbili

• Vipengele vya piramidi

• Maumbo ya koni ya silinda au iliyokatwa

Vipimo vya kawaida vya kipengele huanzia kwenye mikromita ndogo hadi mikromita kadhaa, zenye urefu, lami, na mzunguko wa wajibu unaodhibitiwa kwa uangalifu.

4. Mifumo ya Uboreshaji wa Uchimbaji wa Mwanga katika PSS

4.1 Kukandamiza Tafakari Kamili ya Ndani

Topografia ya pande tatu ya PSS hubadilisha pembe za ndani za matukio katika violesura vya nyenzo. Fotoni ambazo vinginevyo zingepata tafakari kamili ya ndani katika mpaka tambarare huelekezwa kwenye pembe ndani ya koni ya kutoroka, na kuongeza kwa kiasi kikubwa uwezekano wao wa kutoka kwenye kifaa.

4.2 Usambazaji wa Macho Ulioboreshwa na Ubaguzi wa Njia

Miundo ya PSS huanzisha matukio mengi ya kuakisi na kutafakari, na kusababisha:

• Ubadilishaji wa maelekezo ya uenezaji wa fotoni kwa nasibu

• Kuongezeka kwa mwingiliano na violesura vya kutoa mwanga

• Muda wa kukaa kwenye fotoni ndani ya kifaa umepunguzwa

Kitakwimu, athari hizi huongeza uwezekano wa uchimbaji wa fotoni kabla ya kunyonya kutokea.

4.3 Uainishaji Bora wa Fahirisi ya Kuakisi

Kutoka kwa mtazamo wa uundaji wa modeli za macho, PSS hufanya kazi kama safu ya mpito ya faharasa ya kuakisi yenye ufanisi. Badala ya mabadiliko ya ghafla ya faharasa ya kuakisi kutoka GaN hadi hewani, eneo lenye muundo hutoa tofauti ya faharasa ya kuakisi taratibu, na hivyo kupunguza hasara za kuakisi Fresnel.

Utaratibu huu unafanana kimantiki na mipako ya kuzuia kuakisi, ingawa hutegemea optiki za kijiometri badala ya kuingiliwa kwa filamu nyembamba.

4.4 Kupunguza kwa Upotevu wa Kunyonya kwa Macho kwa Njia Isiyo ya Moja kwa Moja

Kwa kufupisha urefu wa njia ya fotoni na kukandamiza tafakari za ndani zinazojirudia, PSS hupunguza uwezekano wa kunyonya kwa macho kwa:

• Mawasiliano ya chuma

• Hali ya kasoro ya fuwele

• Unyonyaji wa mtoa huduma huru katika GaN

Athari hizi huchangia katika ufanisi wa juu zaidi na utendaji bora wa joto.

5. Faida za Ziada: Uboreshaji wa Ubora wa Fuwele

Zaidi ya uboreshaji wa macho, PSS pia huboresha ubora wa nyenzo za epitaxial kupitia mifumo ya ukuaji wa epitaxial ya pembeni (LEO):

• Kuhama kutoka kwa kiolesura cha sapphire-GaN huelekezwa au kusitishwa

• Msongamano wa kusambaa kwa nyuzi umepunguzwa sana

• Ubora ulioboreshwa wa fuwele huongeza uaminifu wa kifaa na muda wa kufanya kazi

Faida hii ya macho na kimuundo miwili hutofautisha PSS na mbinu za kutengeneza uso zenye macho pekee.

6. Ulinganisho wa Kiasi: Yakuti Flat dhidi ya PSS

Mafanikio halisi ya utendaji hutegemea jiometri ya muundo, urefu wa wimbi la uzalishaji, usanifu wa chipu, na mkakati wa ufungashaji.

7. Makubaliano na Mambo ya Kuzingatia ya Uhandisi

Licha ya faida zake, PSS inaleta changamoto kadhaa za vitendo:

• Hatua za ziada za lithografia na uchongaji huongeza gharama ya utengenezaji

• Usawa wa muundo na kina cha etch zinahitaji udhibiti sahihi

• Mifumo iliyoboreshwa vibaya inaweza kuathiri vibaya usawa wa epitaxial

Kwa hivyo, uboreshaji wa PSS kimsingi ni kazi ya taaluma mbalimbali inayohusisha uigaji wa macho, uhandisi wa ukuaji wa epitaxial, na muundo wa vifaa.

8. Mtazamo wa Sekta na Mtazamo wa Baadaye

Katika utengenezaji wa LED za kisasa, PSS haionekani tena kama nyongeza ya hiari. Katika matumizi ya LED yenye nguvu ya kati na ya juu—ikiwa ni pamoja na mwangaza wa jumla, taa za magari, na mwangaza wa nyuma wa onyesho—imekuwa teknolojia ya msingi.

Mielekeo ya utafiti na maendeleo ya baadaye ni pamoja na:

• Miundo ya hali ya juu ya PSS iliyoundwa kwa ajili ya matumizi ya Mini-LED na Micro-LED

• Mbinu mseto zinazochanganya PSS na fuwele za fotoniki au umbile la uso wa nanoscale

• Jitihada zinazoendelea kuelekea kupunguza gharama na teknolojia za uundaji wa miundo zinazoweza kupanuliwa

Hitimisho

Sehemu ndogo za yakuti zenye muundo zinawakilisha mpito wa msingi kutoka kwa usaidizi wa mitambo tulivu hadi vipengele vya macho na kimuundo vinavyofanya kazi katika vifaa vya LED. Kwa kushughulikia hasara za uchimbaji wa mwanga kwenye mizizi yake—yaani kufungwa kwa macho na kuakisi kiolesura—PSS huwezesha ufanisi wa juu, uaminifu ulioboreshwa, na utendaji thabiti zaidi wa kifaa.

Kwa upande mwingine, ingawa sehemu ndogo za yakuti tambarare zinabaki kuvutia kutokana na uwezo wake wa kutengeneza na gharama ya chini, mapungufu yake ya asili ya macho yanazuia kufaa kwao kwa LED za kizazi kijacho zenye ufanisi mkubwa. Kadri teknolojia ya LED inavyoendelea kubadilika, PSS inasimama kama mfano wazi wa jinsi uhandisi wa vifaa unavyoweza kutafsiri moja kwa moja katika faida za utendaji wa kiwango cha mfumo.