Hauv GaN-based light-emitting diodes (LEDs), kev nce qib tas mus li hauv cov txheej txheem kev loj hlob epitaxial thiab cov cuab yeej architecture tau tsav lub zog quantum sab hauv (IQE) ze rau nws qhov siab tshaj plaws theoretical. Txawm hais tias muaj cov kev nce qib no, qhov kev ua tau zoo tag nrho ntawm LEDs tseem raug txwv los ntawm kev ua haujlwm ntawm lub teeb (LEE). Raws li sapphire tseem yog cov khoom siv substrate tseem ceeb rau GaN epitaxy, nws cov qauv nto ua lub luag haujlwm tseem ceeb hauv kev tswj hwm qhov poob ntawm qhov muag hauv lub cuab yeej.

Tsab xov xwm no nthuav qhia txog kev sib piv ntawm cov pob zeb sapphire tiaj tus thiab cov qauvCov khoom siv sapphire (PSS)Nws piav qhia txog cov txheej txheem kho qhov muag thiab crystallographic uas PSS txhim kho kev ua haujlwm ntawm lub teeb thiab piav qhia vim li cas PSS tau dhau los ua tus qauv hauv kev tsim khoom LED siab.

1. Kev Ua Haujlwm Zoo ntawm Lub Teeb Pom Kev Zoo Ua Ib Qho Tseem Ceeb

Qhov ua tau zoo ntawm sab nraud (EQE) ntawm lub LED yog txiav txim siab los ntawm cov khoom ntawm ob yam tseem ceeb:

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

EQE=IQE × LEE

Thaum IQE ntsuas qhov ua tau zoo ntawm kev sib xyaw ua ke hauv thaj chaw nquag, LEE piav qhia txog feem pua ​​​​​​ntawm cov photons tsim tawm uas khiav tawm ntawm lub cuab yeej.

Rau GaN-raws li LEDs uas loj hlob ntawm sapphire substrates, LEE hauv cov qauv tsim feem ntau yog txwv rau kwv yees li 30-40%. Qhov kev txwv no tshwm sim los ntawm:

• Kev tsis sib haum xeeb ntawm cov ntsuas refractive ntawm GaN (n ≈ 2.4), sapphire (n ≈ 1.7), thiab huab cua (n ≈ 1.0)

• Muaj zog tag nrho sab hauv kev cuam tshuam (TIR) ​​ntawm cov interfaces planar

• Kev ntes photon hauv cov txheej epitaxial thiab cov substrate

Yog li ntawd, ib feem tseem ceeb ntawm cov photons tsim tawm raug ntau qhov kev cuam tshuam sab hauv thiab thaum kawg raug nqus los ntawm cov khoom siv lossis hloov mus ua cua sov es tsis yog pab txhawb rau cov teeb pom kev zoo.

2. Cov Khoom Siv Sapphire Tiaj: Kev Yooj Yim ntawm Cov Qauv nrog Kev Txwv Optical

2.1 Cov Yam Ntxwv ntawm Lub Cev

Cov khoom siv sapphire tiaj tiaj feem ntau siv cov qauv c-plane (0001) nrog rau qhov chaw du thiab tiaj tiaj. Lawv tau raug saws siv dav vim yog:

• Cov khoom siv lead ua zoo heev

• Kev ruaj khov zoo heev ntawm thermal thiab chemical

• Cov txheej txheem tsim khoom uas laus thiab pheej yig

2.2 Kev coj cwj pwm ntawm qhov muag

Los ntawm qhov pom kev pom, cov kev sib txuas ntawm planar ua rau muaj kev taw qhia siab thiab kwv yees tau cov kev sib kis ntawm photon. Thaum cov photons tsim nyob rau hauv thaj chaw nquag GaN ncav cuag GaN-cua lossis GaN-sapphire interface ntawm cov ces kaum tshwm sim dhau lub kaum sab xis tseem ceeb, tag nrho cov kev cuam tshuam sab hauv tshwm sim.

Qhov no ua rau:

• Muaj zog photon confinement hauv lub cuab yeej

• Kev nqus ntxiv los ntawm cov hlau electrodes thiab cov xwm txheej tsis zoo

• Kev faib tawm ntawm lub teeb uas tawm los ntawm lub kaum sab xis uas txwv tsis pub muaj

Hauv qhov tseem ceeb, cov sapphire substrates tiaj tus muab kev pab me ntsis hauv kev kov yeej kev txwv tsis pub pom.

3. Cov Khoom Siv Sapphire Uas Muaj Qauv: Lub Tswv Yim thiab Kev Tsim Qauv

Ib lub substrate sapphire uas muaj qauv (PSS) yog tsim los ntawm kev qhia txog cov qauv me me lossis cov qauv nanoscale rau ntawm qhov chaw sapphire siv cov txheej txheem photolithography thiab etching.

Cov qauv PSS feem ntau muaj xws li:

• Cov qauv conical

• Cov domes hemispherical

• Cov yam ntxwv ntawm pyramidal

• Cov duab cylindrical los yog truncated-cone

Qhov loj ntawm cov yam ntxwv feem ntau yog txij li ntawm sub-micrometer mus rau ntau micrometers, nrog rau kev tswj qhov siab, qhov sib txawv, thiab lub voj voog ua haujlwm kom zoo.

4. Cov txheej txheem ntawm kev txhim kho lub teeb pom kev zoo hauv PSS

4.1 Kev Tiv Thaiv Tag Nrho Kev Xav Sab Hauv

Daim duab peb sab ntawm PSS hloov pauv cov ces kaum ntawm qhov chaw sib tshuam ntawm cov khoom siv. Cov photons uas yuav muaj kev cuam tshuam tag nrho sab hauv ntawm ciam teb tiaj tus raug xa mus rau hauv cov ces kaum hauv lub khob khiav tawm, ua rau lawv muaj feem yuav tawm ntawm lub cuab yeej ntau dua.

4.2 Kev Txhim Kho Optical Scattering thiab Path Randomization

Cov qauv PSS ua rau muaj ntau yam kev cuam tshuam thiab kev cuam tshuam, ua rau:

• Kev xaiv ntawm cov lus qhia ntawm photon propagation

• Kev sib cuam tshuam ntau ntxiv nrog cov interfaces rho tawm lub teeb

• Txo lub sijhawm nyob ntawm photon hauv lub cuab yeej

Raws li kev suav lej, cov teebmeem no ua rau muaj qhov tshwm sim ntawm kev rho tawm photon ua ntej kev nqus dej tshwm sim.

4.3 Kev Ntsuas Qhov Ntsuas Refractive Zoo

Los ntawm qhov kev xav ntawm kev ua qauv pom kev, PSS ua haujlwm ua ib txheej txheej hloov pauv refractive index zoo. Es tsis txhob hloov pauv refractive index sai sai los ntawm GaN mus rau huab cua, thaj chaw patterned muab qhov hloov pauv refractive index maj mam, yog li txo qhov kev poob ntawm Fresnel reflection.

Lub tshuab no zoo ib yam li cov txheej txheem tiv thaiv kev cuam tshuam, txawm hais tias nws vam khom cov duab geometric es tsis yog kev cuam tshuam nyias-zaj duab xis.

4.4 Kev Txo Qhov Tsis Ncaj Qha ntawm Kev Poob Kev Nqus Pom Kev

Los ntawm kev ua kom luv luv ntawm txoj kev photon thiab tiv thaiv kev cuam tshuam sab hauv rov qab, PSS txo qhov tshwm sim ntawm kev nqus teeb pom kev zoo los ntawm:

• Kev sib cuag hlau

• Cov xwm txheej tsis zoo ntawm cov siv lead ua

• Kev nqus dej dawb hauv GaN

Cov teebmeem no pab txhawb rau kev ua haujlwm zoo dua thiab kev ua haujlwm thermal zoo dua.

5. Cov txiaj ntsig ntxiv: Kev txhim kho hauv qhov zoo ntawm Crystal

Ntxiv rau qhov kev txhim kho qhov muag, PSS kuj tseem txhim kho qhov zoo ntawm cov khoom siv epitaxial los ntawm cov txheej txheem lateral epitaxial overgrowth (LEO):

• Cov kev tawg uas pib ntawm sapphire-GaN interface raug xa mus lossis xaus

• Qhov ceev ntawm qhov sib txawv ntawm cov xov yog txo qis heev

• Kev txhim kho zoo ntawm crystal ua rau kev ntseeg siab ntawm lub cuab yeej thiab lub neej ua haujlwm ntev dua

Qhov txiaj ntsig ob qho tib si optical thiab structural no sib txawv PSS los ntawm cov kev siv optical surface-texturing xwb.

6. Kev Sib Piv Txog Qhov Ntsuas: Flat Sapphire vs. PSS

Qhov kev ua tau zoo tiag tiag nyob ntawm seb tus qauv geometry, emission wavelength, chip architecture, thiab lub tswv yim ntim khoom.

7. Kev Sib Pauv thiab Kev Xav Txog Kev Tsim Kho

Txawm hais tias nws muaj txiaj ntsig zoo, PSS qhia txog ntau yam teeb meem uas yuav tshwm sim:

• Cov kauj ruam ntxiv ntawm lithography thiab etching ua rau cov nqi tsim khoom nce ntxiv

• Kev sib npaug ntawm cov qauv thiab qhov tob ntawm cov duab kos yuav tsum tau tswj hwm kom meej

• Cov qauv tsis zoo uas tau ua kom zoo yuav cuam tshuam tsis zoo rau kev sib npaug ntawm epitaxial

Yog li ntawd, kev ua kom zoo dua PSS yog ib txoj haujlwm ntau yam uas cuam tshuam nrog kev simulation optical, epitaxial growth engineering, thiab kev tsim khoom siv.

8. Kev Lag Luam Lub Zeem Muag thiab Kev Cia Siab Yav Tom Ntej

Hauv kev tsim khoom LED niaj hnub no, PSS tsis suav tias yog kev txhim kho ntxiv lawm. Hauv cov ntawv thov LED nruab nrab thiab siab zog - suav nrog kev teeb pom kev dav dav, teeb pom kev hauv tsheb, thiab teeb pom kev tom qab - nws tau dhau los ua thev naus laus zis tseem ceeb.

Cov qauv kev tshawb fawb thiab kev txhim kho yav tom ntej suav nrog:

• Cov qauv PSS siab heev uas tsim tshwj xeeb rau Mini-LED thiab Micro-LED daim ntawv thov

• Cov txheej txheem sib xyaw ua ke PSS nrog cov khoom siv photonic lossis cov qauv nanoscale nto

• Txuas ntxiv siv zog rau kev txo nqi thiab cov thev naus laus zis scalable patterning

Xaus lus

Cov substrates sapphire uas muaj qauv sawv cev rau kev hloov pauv tseem ceeb los ntawm kev txhawb nqa cov khoom siv tsis siv neeg mus rau cov khoom siv kho qhov muag thiab cov qauv hauv cov khoom siv LED. Los ntawm kev daws teeb meem kev poob ntawm lub teeb pom kev ntawm lawv cov hauv paus - uas yog kev txwv tsis pub pom kev thiab kev cuam tshuam interface - PSS ua rau muaj kev ua haujlwm zoo dua, txhim kho kev ntseeg siab, thiab kev ua haujlwm ntawm cov khoom siv sib xws dua.

Qhov sib txawv, thaum cov sapphire substrates tiaj tiaj tseem zoo nkauj vim lawv lub peev xwm tsim khoom thiab tus nqi qis dua, lawv cov kev txwv tsis pub muaj teeb pom kev zoo txwv tsis pub lawv tsim nyog rau cov LEDs ua haujlwm siab dua tiam tom ntej. Raws li LED thev naus laus zis txuas ntxiv hloov zuj zus, PSS sawv cev ua piv txwv meej txog yuav ua li cas kev tsim khoom siv tuaj yeem txhais ncaj qha mus rau hauv kev ua tau zoo ntawm lub kaw lus.