ໃນໄດໂອດປ່ອຍແສງ (LED) ທີ່ອີງໃສ່ GaN, ຄວາມຄືບໜ້າຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງໃນເຕັກນິກການເຕີບໂຕຂອງ epitaxial ແລະສະຖາປັດຕະຍະກຳອຸປະກອນໄດ້ຊຸກຍູ້ໃຫ້ປະສິດທິພາບ quantum ພາຍໃນ (IQE) ໃກ້ກັບຈຸດສູງສຸດທາງທິດສະດີຫຼາຍຂຶ້ນ. ເຖິງວ່າຈະມີຄວາມກ້າວໜ້າເຫຼົ່ານີ້, ປະສິດທິພາບການສ່ອງແສງໂດຍລວມຂອງ LED ຍັງຄົງຖືກຈຳກັດໂດຍພື້ນຖານໂດຍປະສິດທິພາບການສະກັດແສງ (LEE). ຍ້ອນວ່າ sapphire ຍັງຄົງເປັນວັດສະດຸຊັ້ນຮອງສຳລັບ epitaxy GaN, ຮູບຮ່າງພື້ນຜິວຂອງມັນມີບົດບາດຕັດສິນໃນການຄວບຄຸມການສູນເສຍທາງແສງພາຍໃນອຸປະກອນ.

ບົດຄວາມນີ້ນຳສະເໜີການປຽບທຽບທີ່ຄົບຖ້ວນລະຫວ່າງຊັ້ນຮອງພື້ນ sapphire ຮາບພຽງ ແລະ ລວດລາຍຊັ້ນໃຕ້ດິນຊາຍໄພລິນ (PSS)ມັນອະທິບາຍກົນໄກທາງດ້ານແສງ ແລະ ຜລຶກແກ້ວ ເຊິ່ງ PSS ຊ່ວຍເພີ່ມປະສິດທິພາບການສະກັດແສງ ແລະ ອະທິບາຍວ່າເປັນຫຍັງ PSS ຈຶ່ງກາຍເປັນມາດຕະຖານຕົວຈິງໃນການຜະລິດໄຟ LED ປະສິດທິພາບສູງ.

1. ປະສິດທິພາບການສະກັດແສງເປັນຈຸດແຂງພື້ນຖານ

ປະສິດທິພາບດ້ານຄວອນຕຳພາຍນອກ (EQE) ຂອງ LED ແມ່ນຖືກກຳນົດໂດຍຜົນຄູນຂອງສອງປັດໄຈຫຼັກຄື:

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

EQE = IQE × LEE

ໃນຂະນະທີ່ IQE ວັດແທກປະສິດທິພາບຂອງການລວມຕົວກັນຂອງລັງສີພາຍໃນພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ, LEE ອະທິບາຍສ່ວນໜຶ່ງຂອງໂຟຕອນທີ່ສ້າງຂຶ້ນເຊິ່ງຫຼົບໜີອອກຈາກອຸປະກອນໄດ້ສຳເລັດ.

ສຳລັບໄຟ LED ທີ່ອີງໃສ່ GaN ທີ່ປູກຢູ່ເທິງຊັ້ນຮອງພື້ນ sapphire, LEE ໃນການອອກແບບແບບດັ້ງເດີມມັກຈະຖືກຈຳກັດປະມານ 30–40%. ຂໍ້ຈຳກັດນີ້ເກີດຂຶ້ນຕົ້ນຕໍມາຈາກ:

• ຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງດັດຊະນີການຫັກເຫຢ່າງຮຸນແຮງລະຫວ່າງ GaN (n ≈ 2.4), sapphire (n ≈ 1.7), ແລະອາກາດ (n ≈ 1.0)

• ການສະທ້ອນພາຍໃນທັງໝົດທີ່ເຂັ້ມແຂງ (TIR) ​​ຢູ່ທີ່ອິນເຕີເຟດແບບຮາບພຽງ

• ການດັກຈັບໂຟຕອນພາຍໃນຊັ້ນ epitaxial ແລະຊັ້ນໃຕ້ດິນ

ດັ່ງນັ້ນ, ໂຟຕອນສ່ວນໃຫຍ່ທີ່ສ້າງຂຶ້ນຈະຜ່ານການສະທ້ອນພາຍໃນຫຼາຍຄັ້ງ ແລະ ໃນທີ່ສຸດກໍ່ຖືກດູດຊຶມໂດຍວັດສະດຸ ຫຼື ປ່ຽນເປັນຄວາມຮ້ອນແທນທີ່ຈະປະກອບສ່ວນເຂົ້າໃນຜົນຜະລິດແສງສະຫວ່າງທີ່ເປັນປະໂຫຍດ.

2. ພື້ນຜິວແກ້ວໄພລິນທີ່ຮາບພຽງ: ຄວາມລຽບງ່າຍທາງດ້ານໂຄງສ້າງພ້ອມດ້ວຍຂໍ້ຈຳກັດທາງດ້ານແສງ

2.1 ລັກສະນະໂຄງສ້າງ

ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວ, ຊັ້ນໃຕ້ດິນຊາຍ sapphire ທີ່ຮາບພຽງຈະໃຊ້ທິດທາງແບບ c-plane (0001) ທີ່ມີໜ້າດິນຮາບພຽງ. ພວກມັນໄດ້ຮັບການຍອມຮັບຢ່າງກວ້າງຂວາງຍ້ອນ:

• ຄຸນນະພາບສູງຂອງຜລຶກ

• ຄວາມໝັ້ນຄົງທາງຄວາມຮ້ອນ ແລະ ເຄມີທີ່ດີເລີດ

• ຂະບວນການຜະລິດທີ່ເຕີບໃຫຍ່ເຕັມທີ່ ແລະ ມີປະສິດທິພາບດ້ານຕົ້ນທຶນ

2.2 ພຶດຕິກຳທາງສາຍຕາ

ຈາກທັດສະນະທາງແສງ, ການໂຕ້ຕອບແບບຮາບພຽງນຳໄປສູ່ເສັ້ນທາງການແຜ່ກະຈາຍໂຟຕອນທີ່ມີທິດທາງສູງ ແລະ ຄາດເດົາໄດ້. ເມື່ອໂຟຕອນທີ່ສ້າງຂຶ້ນໃນພາກພື້ນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວຂອງ GaN ໄປຮອດການໂຕ້ຕອບ GaN-air ຫຼື GaN-sapphire ໃນມຸມຕົກกระทบທີ່ເກີນມຸມວິກິດ, ການສະທ້ອນພາຍໃນທັງໝົດຈະເກີດຂຶ້ນ.

ສິ່ງນີ້ສົ່ງຜົນໃຫ້:

• ການກັກຂັງໂຟຕອນທີ່ເຂັ້ມແຂງພາຍໃນອຸປະກອນ

• ການດູດຊຶມເພີ່ມຂຶ້ນໂດຍເອເລັກໂຕຣດໂລຫະ ແລະ ສະພາບຂໍ້ບົກພ່ອງ

• ການແຈກຢາຍມຸມທີ່ຈຳກັດຂອງແສງທີ່ປ່ອຍອອກມາ

ໂດຍຫຍໍ້ແລ້ວ, ຊັ້ນໃຕ້ດິນ sapphire ຮາບພຽງໃຫ້ການຊ່ວຍເຫຼືອໜ້ອຍໃນການເອົາຊະນະການຈຳກັດທາງດ້ານສາຍຕາ.

3. ພື້ນຜິວຫີນ Sapphire ທີ່ມີລວດລາຍ: ແນວຄວາມຄິດ ແລະ ການອອກແບບໂຄງສ້າງ

ຊັ້ນໃຕ້ດິນໄພລິນທີ່ມີລວດລາຍ (PSS) ແມ່ນສ້າງຂຶ້ນໂດຍການນຳສະເໜີໂຄງສ້າງຈຸນລະພາກ ຫຼື ໂຄງສ້າງຂະໜາດນາໂນທີ່ເປັນໄລຍະ ຫຼື ເຄິ່ງໄລຍະລົງເທິງໜ້າດິນໄພລິນໂດຍໃຊ້ເຕັກນິກການສ້າງຫີນດ້ວຍແສງ ແລະ ການແກະສະຫຼັກ.

ຮູບຊົງເລຂາຄະນິດ PSS ທົ່ວໄປປະກອບມີ:

• ໂຄງສ້າງຮູບຈວຍ

• ໂດມຮູບຊົງເຄິ່ງວົງມົນ

• ລັກສະນະຮູບຊົງພະຫຸພົດ

• ຮູບຊົງກະບອກ ຫຼື ຮູບຊົງກະບອກຕັດ

ຂະໜາດຂອງຄຸນລັກສະນະທົ່ວໄປມີຕັ້ງແຕ່ຊັບໄມໂຄຣແມັດຈົນເຖິງຫຼາຍໄມໂຄຣແມັດ, ພ້ອມດ້ວຍຄວາມສູງ, ຄວາມສູງ, ແລະ ວົງຈອນການເຮັດວຽກທີ່ຄວບຄຸມຢ່າງລະມັດລະວັງ.

4. ກົນໄກຂອງການປັບປຸງການສະກັດແສງໃນ PSS

4.1 ການສະກັດກັ້ນການສະທ້ອນພາຍໃນທັງໝົດ

ພູມສັນຖານສາມມິຕິຂອງ PSS ປ່ຽນແປງມຸມຕົກกระทบທ້ອງຖິ່ນຢູ່ທີ່ຈຸດຕໍ່ລະຫວ່າງວັດສະດຸ. ໂຟຕອນທີ່ຖ້າບໍ່ດັ່ງນັ້ນຈະປະສົບກັບການສະທ້ອນພາຍໃນທັງໝົດຢູ່ທີ່ຂອບເຂດຮາບພຽງຈະຖືກປ່ຽນເສັ້ນທາງໄປສູ່ມຸມພາຍໃນໂກນຫຼົບໜີ, ເຊິ່ງເພີ່ມຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການອອກຈາກອຸປະກອນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ.

4.2 ການກະແຈກກະຈາຍທາງແສງທີ່ດີຂຶ້ນ ແລະ ການສຸ່ມເສັ້ນທາງ

ໂຄງສ້າງ PSS ເຮັດໃຫ້ເກີດເຫດການການຫັກເຫ ແລະ ການສະທ້ອນຫຼາຍຄັ້ງ, ເຊິ່ງນຳໄປສູ່:

• ການສຸ່ມຂອງທິດທາງການແຜ່ກະຈາຍຂອງໂຟຕອນ

• ເພີ່ມການພົວພັນກັບອິນເຕີເຟດສະກັດແສງ

• ຫຼຸດຜ່ອນເວລາການຢູ່ອາໄສຂອງໂຟຕອນພາຍໃນອຸປະກອນ

ຕາມສະຖິຕິ, ຜົນກະທົບເຫຼົ່ານີ້ເພີ່ມຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການສະກັດໂຟຕອນກ່ອນທີ່ຈະມີການດູດຊຶມ.

4.3 ການຈັດລະດັບດັດຊະນີການຫັກເຫທີ່ມີປະສິດທິພາບ

ຈາກທັດສະນະຂອງການສ້າງແບບຈຳລອງທາງແສງ, PSS ເຮັດໜ້າທີ່ເປັນຊັ້ນການປ່ຽນແປງດັດຊີການຫັກເຫທີ່ມີປະສິດທິພາບ. ແທນທີ່ຈະມີການປ່ຽນແປງດັດຊີການຫັກເຫຢ່າງກະທັນຫັນຈາກ GaN ໄປສູ່ອາກາດ, ພາກພື້ນທີ່ມີຮູບແບບຈະໃຫ້ການປ່ຽນແປງດັດຊີການຫັກເຫເທື່ອລະກ້າວ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງຊ່ວຍຫຼຸດຜ່ອນການສູນເສຍການສະທ້ອນຂອງ Fresnel.

ກົນໄກນີ້ແມ່ນຄ້າຍຄືກັນກັບການເຄືອບຕ້ານການສະທ້ອນ, ເຖິງແມ່ນວ່າມັນອີງໃສ່ທັດສະນະທາງເລຂາຄະນິດຫຼາຍກວ່າການແຊກແຊງຂອງຟິມບາງໆ.

4.4 ການຫຼຸດຜ່ອນທາງອ້ອມຂອງການສູນເສຍການດູດຊຶມແສງ

ໂດຍການຫຼຸດຄວາມຍາວຂອງເສັ້ນທາງໂຟຕອນ ແລະ ສະກັດກັ້ນການສະທ້ອນພາຍໃນຊ້ຳໆ, PSS ຫຼຸດຜ່ອນຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການດູດຊຶມທາງແສງໂດຍ:

• ການຕິດຕໍ່ໂລຫະ

• ສະພາບຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງຜລຶກ

• ການດູດຊຶມຂອງຕົວນຳເສລີໃນ GaN

ຜົນກະທົບເຫຼົ່ານີ້ປະກອບສ່ວນໃຫ້ທັງປະສິດທິພາບທີ່ສູງຂຶ້ນ ແລະ ປະສິດທິພາບດ້ານຄວາມຮ້ອນທີ່ດີຂຶ້ນ.

5. ຜົນປະໂຫຍດເພີ່ມເຕີມ: ການປັບປຸງຄຸນນະພາບຂອງຜລຶກ

ນອກເໜືອໄປຈາກການປັບປຸງທາງ optical ແລ້ວ, PSS ຍັງປັບປຸງຄຸນນະພາບຂອງວັດສະດຸ epitaxial ຜ່ານກົນໄກ lateral epitaxial overgrowth (LEO):

• ການເຄື່ອນຍ້າຍທີ່ເກີດຈາກການໂຕ້ຕອບ sapphire–GaN ຈະຖືກປ່ຽນເສັ້ນທາງ ຫຼື ຢຸດຕິລົງ

• ຄວາມໜາແໜ້ນຂອງການເຄື່ອນທີ່ຂອງເສັ້ນດ້າຍຫຼຸດລົງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ

• ຄຸນນະພາບຂອງຄຣິສຕັນທີ່ດີຂຶ້ນຊ່ວຍເພີ່ມຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືຂອງອຸປະກອນ ແລະ ອາຍຸການໃຊ້ງານ

ຜົນປະໂຫຍດດ້ານແສງ ແລະ ໂຄງສ້າງສອງຢ່າງນີ້ເຮັດໃຫ້ PSS ແຕກຕ່າງຈາກວິທີການສ້າງໂຄງສ້າງພື້ນຜິວດ້ວຍແສງຢ່າງດຽວ.

6. ການປຽບທຽບດ້ານປະລິມານ: ເພັດພອຍ ທຽບກັບ ເພັດພອຍ PSS

ປະສິດທິພາບຕົວຈິງທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນແມ່ນຂຶ້ນກັບຮູບຮ່າງຂອງຮູບແບບ, ຄວາມຍາວຄື້ນຂອງການປ່ອຍ, ສະຖາປັດຕະຍະກຳຊິບ, ແລະ ຍຸດທະສາດການຫຸ້ມຫໍ່.

7. ການແລກປ່ຽນ ແລະ ການພິຈາລະນາດ້ານວິສະວະກຳ

ເຖິງວ່າຈະມີຂໍ້ດີ, PSS ກໍ່ຍັງນຳສະເໜີສິ່ງທ້າທາຍຕ່າງໆຫຼາຍຢ່າງຄື:

• ຂັ້ນຕອນການພິມດ້ວຍຫີນ ແລະ ການແກະສະຫຼັກເພີ່ມເຕີມເຮັດໃຫ້ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໃນການຜະລິດເພີ່ມຂຶ້ນ

• ຄວາມສະໝໍ່າສະເໝີຂອງຮູບແບບ ແລະ ຄວາມເລິກຂອງການແກະສະຫຼັກຕ້ອງການການຄວບຄຸມທີ່ຊັດເຈນ

• ຮູບແບບທີ່ໄດ້ຮັບການປັບປຸງໃຫ້ດີທີ່ສຸດອາດຈະສົ່ງຜົນກະທົບທາງລົບຕໍ່ຄວາມເປັນເອກະພາບຂອງ epitaxial

ດັ່ງນັ້ນ, ການເພີ່ມປະສິດທິພາບ PSS ແມ່ນວຽກງານຫຼາຍສາຂາວິຊາທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບການຈຳລອງທາງແສງ, ວິສະວະກຳການເຕີບໂຕຂອງ epitaxial, ແລະການອອກແບບອຸປະກອນ.

8. ທັດສະນະຂອງອຸດສາຫະກໍາ ແລະ ທ່າອ່ຽງໃນອະນາຄົດ

ໃນການຜະລິດ LED ທີ່ທັນສະໄໝ, PSS ບໍ່ໄດ້ຖືກຖືວ່າເປັນການປັບປຸງທາງເລືອກອີກຕໍ່ໄປ. ໃນການນຳໃຊ້ LED ພະລັງງານປານກາງ ແລະ ສູງ - ລວມທັງໄຟສ່ອງສະຫວ່າງທົ່ວໄປ, ໄຟເຍືອງທາງລົດຍົນ, ແລະ ໄຟ backlighting ຂອງໜ້າຈໍ - ມັນໄດ້ກາຍເປັນເທັກໂນໂລຢີພື້ນຖານ.

ແນວໂນ້ມການຄົ້ນຄວ້າ ແລະ ພັດທະນາໃນອະນາຄົດລວມມີ:

• ການອອກແບບ PSS ຂັ້ນສູງທີ່ອອກແບບມາສຳລັບການນຳໃຊ້ Mini-LED ແລະ Micro-LED

• ວິທີການປະສົມປະສົມ PSS ກັບຜລຶກໂຟໂຕນິກ ຫຼື ໂຄງສ້າງພື້ນຜິວຂະໜາດນາໂນ

• ຄວາມພະຍາຍາມຢ່າງຕໍ່ເນື່ອງໃນການຫຼຸດຜ່ອນຕົ້ນທຶນ ແລະ ເຕັກໂນໂລຊີການສ້າງຮູບແບບທີ່ສາມາດຂະຫຍາຍໄດ້

ສະຫຼຸບ

ຊັ້ນໃຕ້ດິນ sapphire ທີ່ມີລວດລາຍເປັນຕົວແທນຂອງການຫັນປ່ຽນພື້ນຖານຈາກການຮອງຮັບກົນຈັກແບບ passive ໄປສູ່ອົງປະກອບທາງດ້ານ optical ແລະໂຄງສ້າງທີ່ເຮັດວຽກໄດ້ໃນອຸປະກອນ LED. ໂດຍການແກ້ໄຂບັນຫາການສູນເສຍການສະກັດແສງຢູ່ຮາກຂອງມັນ - ຄືການຈຳກັດທາງດ້ານ optical ແລະ ການສະທ້ອນຂອງອິນເຕີເຟດ - PSS ຊ່ວຍໃຫ້ມີປະສິດທິພາບສູງຂຶ້ນ, ຄວາມໜ້າເຊື່ອຖືທີ່ດີຂຶ້ນ, ແລະປະສິດທິພາບຂອງອຸປະກອນທີ່ສອດຄ່ອງກັນຫຼາຍຂຶ້ນ.

ໃນທາງກົງກັນຂ້າມ, ໃນຂະນະທີ່ຊັ້ນຮອງພື້ນ sapphire ຮາບພຽງຍັງຄົງມີຄວາມໜ້າສົນໃຈຍ້ອນຄວາມສາມາດໃນການຜະລິດ ແລະ ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕ່ຳ, ຂໍ້ຈຳກັດທາງດ້ານ optical ທີ່ມີຢູ່ໃນຕົວມັນເອງຈຳກັດຄວາມເໝາະສົມຂອງພວກມັນສຳລັບ LED ປະສິດທິພາບສູງລຸ້ນຕໍ່ໄປ. ໃນຂະນະທີ່ເທັກໂນໂລຢີ LED ສືບຕໍ່ພັດທະນາ, PSS ເປັນຕົວຢ່າງທີ່ຊັດເຈນຂອງວິທີການວິສະວະກຳວັດສະດຸສາມາດແປໂດຍກົງໄປສູ່ປະສິດທິພາບໃນລະດັບລະບົບ.