تفاصيل المدونة

في ثنائيات إنبعاث الضوء القائمة على GaN (LEDs) ، دفعت التقدم المستمر في النمو البصري وتصميم الجهاز الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) بالقرب من حدودها النظرية.لا تزال الكفاءة الضوئية الكلية لمصابيح LED مقيدة بشكل أساسي من خلال كفاءة استخراج الضوء (LEE)وبما أن الزعفران لا يزال المادة الرأسية المهيمنة لـ GaN epitaxy ، فإن بنية سطحه تلعب دورًا حاسمًا في تحديد الخسائر البصرية.هذه المقالة توفر مقارنة متعمقة بين الشقةأسطوانات الزعفرانوالروابط الزعفرية المصممة (PSS) ، موضحة كيفية تحسين PSS كفاءة استخراج الضوء من خلال آليات بصرية وبلورية راسخة.ولماذا أصبح معيارًا فعليًا في تصنيع مصابيح LED عالية الأداء.

1لماذا كفاءة استخراج الضوء تحد من أداء LED

يتم حكم الكفاءة الكمية الخارجية الإجمالية (EQE) لمصباح LED بمنتج عاملين رئيسيين:

EQE=IQE×لي

في حين أن IQE تعكس مدى كفاءة إعادة تجميع الإلكترونات والثقوب لتوليد الفوتونات داخل المنطقة النشطة ، يصف LEE مدى فعالية هذه الفوتونات في الهروب من الجهاز.

في مصابيح LED القائمة على GaN المزروعة على قواعد الزعفري ، يقتصر LEE عادةً على 30 ٪ إلى 40 ٪ في التصاميم التقليدية. وتشمل الأسباب الرئيسية:

• عدم التطابق الحاد في مؤشر الانكسار بين GaN (n ≈ 2.4) ، الزفير (n ≈ 1.7) ، والهواء (n ≈ 1.0)

• انعكاس داخلي إجمالي (TIR) عند الواجهات المسطحة

• احتجاز الفوتونات داخل الطبقات الشوكية والقاعدة

ونتيجة لذلك، تخضع نسبة كبيرة من الفوتونات المولدة لتعكسات متعددة ويتم امتصاصها أو تحويلها في نهاية المطاف إلى حرارة بدلاً من الضوء المفيد.

2. أساسيات الزعفري المسطحة: البساطة الهيكلية، القيود البصرية

2.1 الخصائص الهيكلية

تحتوي قوالب الزعفران المسطحة على سطح مسطح ، عادةً ما يكون له اتجاه c-plane (0001). تم استخدامها على نطاق واسع بسبب:

• جودة بلورية عالية

• استقرار حراري وكيميائي ممتاز

• عمليات تصنيع ناضجة وفعالة من حيث التكلفة

2.2 السلوك البصري

من وجهة نظر بصرية ، تقدم الواجهات المسطحة مسارات انتشار فوتون قابلة للتنبؤ وتوجيهية للغاية.عندما تصل الفوتونات التي يتم إنشاؤها في المنطقة النشطة GaN إلى واجهة GaN ‬air أو GaN ‬sapphire بزوايا تتجاوز الزاوية الحرجة، يحدث انعكاس داخلي كامل.

العواقب تشمل:

• الحبس الفوتوني داخل الجهاز

• زيادة امتصاص الأقطاب الكهربائية والعيوب

• توزيع زاوية محدود للضوء المنبعث

في الأساس، الرواسب الصفراء المسطحة توفر مساعدات ضئيلة في التغلب على الحبس البصري.

3الرواسب الصفراء المنسوجة: المفهوم والبنية

يتم إنشاء رصيف الزعفرة المميزة (PSS) عن طريق إدخال الهياكل الدورية أو شبه الدورية على نطاق صغير أو نانوي على سطح الزعفرة من خلال عمليات التصوير الصورية والحفر.

تشمل هندسيات PSS الشائعة:

• الهياكل المخروطية

• القباب نصف الكرة

• الأهرامات

• مخروط أسطواني أو مقطوع

تتراوح أحجام الميزات النموذجية من ميكرون إلى عدة ميكرومترات ، مع ارتفاع وموقع ودورة عمل خاضعة للسيطرة الدقيقة.

4كيف تحسن PSS كفاءة استخراج الضوء

4.1 قمع الانعكاس الداخلي الكلي

تغير الطوبولوجيا ثلاثية الأبعاد لـ PSS زاوية الحدوث المحلية في الواجهات.يتم إعادة توجيه الفوتونات التي ستخضع عكس داخلي كامل في الحدود المسطحة إلى زوايا داخل مخروط الهروب.

هذا يزيد بشكل كبير من احتمال خروج الفوتونات من الجهاز.

4.2 التشتت البصري المحسن وتعديل المسار العشوائي

تضع هياكل PSS أحداث انكسار وعكس متعددة ، مما يؤدي إلى:

• العشوائية الاتجاهية لمسارات الفوتونات

• زيادة التفاعل مع واجهات الهروب

• وقت إقامة الفوتونات المحدودة داخل الجهاز

من الناحية الإحصائية، هذا يحسن من احتمال استخراج الفوتون قبل حدوث الامتصاص.

4.3 تصنيف مؤشر الانكسار الفعال

من منظور النمذجة البصرية، PSS يتصرف كطبقة انتقالية فعالة لمؤشر الانكسار. بدلا من تغيير مفاجئ من GaN إلى الهواء،المنطقة المصممة تخلق تغير تدريجي في مؤشر الانكسار، مما يقلل من خسائر انعكاس فريسنيل.

هذه الآلية مشابهة من الناحية المفاهيمية للطلاءات المضادة للإنعكاس ولكنها تعمل من خلال البصريات الهندسية بدلاً من تداخلات الأفلام الرقيقة.

4.4 الحد غير المباشر لخسائر الامتصاص البصري

من خلال تقصير أطوال مسار الفوتونات وتقليل الانعكاسات المتكررة، PSS يقلل من احتمالية الامتصاص من خلال:

• الاتصالات المعدنية

• حالات العيوب

• امتصاص الناقل الحر في GaN

هذا يسهم في زيادة الكفاءة وتحسين السلوك الحراري.

5فوائد إضافية: تحسين جودة الكريستال

وبالإضافة إلى البصريات، تحسن PSS أيضًا جودة البصرية من خلال آليات النمو الزائد البصرية الجانبية (LEO):

• يتم إعادة توجيه أو إنهاء الانحرافات التي تنشأ من واجهة الزفير GaN

• انخفضت كثافة خلع الخيوط

• تحسين نوعية المواد يعزز موثوقية الجهاز وطول حياته

هذه الفائدة المزدوجة ‬المنظومة والبنية ‬تتميز بين PSS والمعالجات السطحية البصرية بحتة.

6المقارنة الكمية: PSS مقابل قاعدة الزفير المسطحة

تعتمد مكاسب الأداء الفعلية على هندسة النمط وطول الموجة وتصميم الشريحة والتعبئة.

7المقايضات والاعتبارات الهندسية

على الرغم من مزاياه، فإن PSS يقدم تحديات عملية:

• الزيادة في تكلفة الخطوات الإضافية للكتابة الحجرية والحفر

• يجب أن يتم التحكم بدقة في توحيد النمط وعمق الحفر

• تصاميم النمط غير المثلى قد تؤثر سلبا على التوحيد البيتاكسيالي

ولذلك، فإن تحسين PSS هو مهمة متعددة التخصصات تنطوي على النمذجة البصرية، والنمو البصري، وهندسة الأجهزة.

8. منظور الصناعة وآفاق المستقبل

اليوم، لم تعد PSS تعتبر تعزيزًا اختياريًا. في تطبيقات LED المتوسطة والعالية الطاقة، بما في ذلك الإضاءة العامة، وإضاءة السيارات،والإضاءة الخلفية للشاشة أصبحت تقنية أساسية.

نتطلع للأمام:

• يتم استكشاف تصاميم PSS المتقدمة لـ Mini LED و Micro LED

• يتم دراسة النهج الهجينة التي تجمع بين PSS مع بلورات فوتونية أو نانو النسيج

• لا يزال خفض التكاليف وتوسيع النمط من الأهداف الرئيسية للصناعة

الاستنتاج

تمثل قوالب الزعفران الأساسية تحولًا أساسيًا من مواد الدعم السلبية إلى المكونات البصرية والهيكلية الوظيفية في أجهزة LED.من خلال معالجة خسائر استخراج الضوء في جذورها الحبس البصري و انعكاس الواجهة PSS يسمح بكفاءة أعلى، تحسين الموثوقية، وتثبيت أداء أفضل.

على النقيض من ذلك ، فإن الركائز السافرة المسطحة ، على الرغم من قدرتها على التصنيع والاقتصاد ، محدودة بطبيعتها في قدرتها على دعم جيل جديد من مصابيح LED عالية الكفاءة.مع استمرار تطوير تكنولوجيا LED، PSS هو مثال واضح على كيفية هندسة المواد تترجم مباشرة إلى مكاسب الأداء على مستوى النظام.