I loko o nā diode hoʻomālamalama kukui (LED) e pili ana iā GaN, ʻo ka holomua mau ʻana i nā ʻano hana ulu epitaxial a me ke kuhikuhipuʻuone o ka hāmeʻa ua hoʻokele i ka pono quantum kūloko (IQE) e kokoke kokoke ana i kona kiʻekiʻe theoretical. ʻOiai kēia mau holomua, ʻo ka hana luminous holoʻokoʻa o nā LED e kaupalena ʻia ana e ka pono hoʻokaʻawale kukui (LEE). ʻOiai ke hoʻomau nei ka sapphire i mea substrate nui no GaN epitaxy, ʻo kona ʻano o ka ʻili e pāʻani i kahi kuleana koʻikoʻi i ka hoʻokele ʻana i nā pohō optical i loko o ka hāmeʻa.

Hōʻike kēia ʻatikala i kahi hoʻohālikelike piha ma waena o nā substrates sapphire pālahalaha a me nā ʻano hoʻohālikenā mea hana sapeiro (PSS)Hoʻākāka ia i nā ʻano hana optical a me crystallographic e hoʻonui ai ka PSS i ka pono o ka hoʻokaʻawale ʻana i ka mālamalama a wehewehe i ke kumu i lilo ai ʻo PSS i kūlana maʻamau i ka hana ʻana o ka LED hana kiʻekiʻe.

1. Ka Pono o ka Hoʻokaʻawale Māmā ma ke ʻano he Bottleneck Kumu

Hoʻoholo ʻia ka pono quantum waho (EQE) o kahi LED e ka huahana o nā kumu nui ʻelua:

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

EQE=IQE×LEE

ʻOiai ke ana nei ʻo IQE i ka pono o ka hoʻohui hou ʻana o ka radiative i loko o ka ʻāpana hana, wehewehe ʻo LEE i ka hapa o nā photons i hana ʻia e pakele pono ana mai ka hāmeʻa.

No nā LED GaN i ulu ʻia ma nā substrates sapphire, ʻo LEE i nā hoʻolālā maʻamau i kaupalena pinepine ʻia ma kahi o 30-40%. Kū mai kēia palena mai:

• ʻO ka kūlike ʻole o ka helu refractive koʻikoʻi ma waena o GaN (n ≈ 2.4), sapphire (n ≈ 1.7), a me ka ea (n ≈ 1.0)

• ʻO ka noʻonoʻo kūloko piha ikaika (TIR) ​​ma nā pilina planar

• Ka pahele ʻana o ka photon i loko o nā papa epitaxial a me ke substrate

No laila, ʻo kahi hapa nui o nā photons i hana ʻia e ʻike i nā hoʻohāliʻi kūloko he nui a ua omo ʻia e ka mea a hoʻololi ʻia i wela ma kahi o ka hāʻawi ʻana i ka hoʻopuka mālamalama pono.

2. Nā Substrates Sapphire Palahalaha: ʻO ka maʻalahi o ke kūkulu ʻana me nā palena Optical

2.1 Nā ʻano kūkulu

Hoʻohana pinepine nā ʻano sapphire pālahalaha i kahi kuhikuhi c-plane (0001) me kahi ʻili laumania a planar. Ua hoʻohana nui ʻia lākou ma muli o:

• Kūlana kiʻekiʻe o ke aniani

• Paʻa wela a me ke kemika maikaʻi loa

• Nā kaʻina hana hana makua a kūpono hoʻi

2.2 Hana Optical

Mai kahi kuanaʻike optical, alakaʻi nā interfaces planar i nā ala hoʻolaha photon kuhikuhi kiʻekiʻe a wānana ʻia. Ke hiki aku nā photons i hana ʻia ma ka ʻāpana hana GaN i ka interface GaN-air a i ʻole GaN-sapphire ma nā kihi hanana e ʻoi aku ana ma mua o ke kihi koʻikoʻi, hana ʻia ka noʻonoʻo kūloko holoʻokoʻa.

ʻO ka hopena kēia:

• Ka hoʻopaʻa photon ikaika i loko o ka hāmeʻa

• Hoʻonui ʻia ka omo ʻana e nā electrodes metala a me nā kūlana kīnā

• He hoʻolaha kihi i kaupalena ʻia o ke kukui i hoʻopuka ʻia

ʻO ke kumu, ʻaʻole kōkua nui nā substrates sapphire pālahalaha i ka lanakila ʻana i ka hoʻopaʻa ʻana o ka optical.

3. Nā Substrates Sapphire i hoʻohālikelike ʻia: Manaʻo a me ka Hoʻolālā Kūkulu

Hoʻokumu ʻia kahi substrate sapphire patterned (PSS) ma ka hoʻolauna ʻana i nā ʻano micro- a nanoscale periodic a quasi-periodic paha ma luna o ka ʻili sapphire me ka hoʻohana ʻana i nā ʻano hana photolithography a me etching.

ʻO nā geometries PSS maʻamau e komo pū ana me:

• Nā ʻano hana conical

• Nā dome hemispherical

• Nā hiʻohiʻona pyramidal

• Nā ʻano cylindrical a i ʻole truncated-cone

ʻOkoʻa nā ana o nā hiʻohiʻona maʻamau mai ka sub-micrometer a i kekahi mau micrometer, me ke kiʻekiʻe i hoʻomalu pono ʻia, ka pitch, a me ke kaʻina hana.

4. Nā ʻano hana o ka hoʻonui ʻana i ka hoʻokaʻawale ʻana o ka mālamalama ma PSS

4.1 Kaohi ʻana i ka Noʻonoʻo Kūloko Holoʻokoʻa

Hoʻololi ke ʻano ʻekolu-dimensional o PSS i nā kihi kūloko o ka hiki ʻana mai ma nā ʻaoʻao mea. ʻO nā Photons e ʻike i ka noʻonoʻo kūloko piha ma kahi palena pālahalaha e hoʻihoʻi hou ʻia i nā kihi i loko o ka cone pakele, e hoʻonui nui ana i ko lākou hiki ke puka i waho o ka hāmeʻa.

4.2 Hoʻonui ʻia ka hoʻopuehu ʻana o ka Optical a me ke Ala Randomization

Hoʻokomo nā ʻōnaehana PSS i nā hanana refraction a me reflection he nui, e alakaʻi ana i:

• Ka hoʻokaʻawale ʻana o nā kuhikuhi hoʻolaha photon

• Hoʻonui ʻia ka launa pū ʻana me nā ʻaoʻao hoʻokaʻawale mālamalama

• Ua hoʻemi ʻia ka manawa noho photon i loko o ka hāmeʻa

ʻO ka helu helu, hoʻonui kēia mau hopena i ka likelika o ka unuhi ʻana o ka photon ma mua o ka omo ʻana.

4.3 Ka Papa Kuhikuhi Refractive Kūpono

Mai kahi kuanaʻike hoʻohālike optical, hana ʻo PSS ma ke ʻano he papa hoʻololi refractive index kūpono. Ma kahi o ka hoʻololi koke ʻana o ka refractive index mai GaN a i ka ea, hāʻawi ka ʻāpana patterned i kahi loli refractive index mālie, no laila e hōʻemi ana i nā pohō reflection Fresnel.

Ua like ka manaʻo o kēia ʻano hana me nā uhi anti-reflection, ʻoiai ke hilinaʻi nei ia i nā optics geometric ma mua o ka hoʻopilikia ʻili lahilahi.

4.4 Hoʻemi pololei ʻole o nā pohō omo Optical

Ma ka hoʻopōkole ʻana i ka lōʻihi o ke ala photon a me ke kāohi ʻana i nā hoʻohāʻina kūloko i hana hou ʻia, hōʻemi ka PSS i ka hiki ke komo ʻana o ka optical ma o:

• Nā pilina metala

• Nā kūlana kīnā kristal

• ʻO ka omo ʻana o ka mea lawe manuahi ma GaN

Hāʻawi kēia mau hopena i ka hoʻonui ʻana i ka hana wela a me ka hoʻomaikaʻi ʻana i ka hana wela.

5. Nā Pōmaikaʻi ʻē aʻe: Hoʻomaikaʻi ʻana i ka maikaʻi o ke aniani

Ma waho aʻe o ka hoʻonui ʻana o ka optical, hoʻomaikaʻi pū ka PSS i ka maikaʻi o ka mea epitaxial ma o nā ʻano hana lateral epitaxial overgrowth (LEO):

• Hoʻohuli ʻia a hoʻopau ʻia paha nā dislocations e hoʻomaka ana ma ka interface sapphire-GaN

• Ua hoʻemi nui ʻia ka nui o ka dislocation threading

• Hoʻonui ka maikaʻi o ke aniani i hoʻomaikaʻi ʻia i ka hilinaʻi o ka hāmeʻa a me ke ola hana

ʻO kēia pono optical a me ke kūkulu pālua e hoʻokaʻawale iā PSS mai nā ʻano hana optical surface-texturing wale nō.

6. Hoʻohālikelike Helu: Flat Sapphire vs. PSS

ʻO ka loaʻa maoli o ka hana maoli e pili ana i ke ʻano hoʻohālike, ka nalu hoʻokuʻu, ka hoʻolālā chip, a me ka hoʻolālā hoʻopili.

7. Nā Kūʻē a me nā Manaʻo ʻenekinia

ʻOiai kona mau pono, hoʻolauna ʻo PSS i kekahi mau pilikia kūpono:

• Hoʻonui nā ʻanuʻu lithography a me etching i ke kumukūʻai hana

• Pono ke ʻano like o ke ʻano a me ka hohonu o ke kālai ʻana i ka mana pololei

• Hiki i nā ʻano hoʻolālā i hoʻonohonoho pono ʻole ʻia ke hoʻopilikia maikaʻi ʻole i ke ʻano epitaxial

No laila, ʻo ka hoʻonui ʻana i ka PSS he hana multidisciplinary maoli ia e pili ana i ka simulation optical, ka ʻenekinia ulu epitaxial, a me ka hoʻolālā ʻana i nā hāmeʻa.

8. Ka Manaʻo o ka ʻOihana a me ka Nānā i ka Wā e Hiki Mai Ana

I ka hana ʻana o nā LED hou, ʻaʻole i manaʻo ʻia ʻo PSS he mea hoʻonui koho. I nā noi LED mana waena a me ke kiʻekiʻe—me ka hoʻomālamalama laulā, nā kukui kaʻa, a me ke kukui hōʻike—ua lilo ia i ʻenehana kumu.

ʻO nā ʻano noiʻi a me ka hoʻomohala ʻana i ka wā e hiki mai ana:

• Nā hoʻolālā PSS holomua i hana ʻia no nā noi Mini-LED a me Micro-LED

• Nā ala Hybrid e hoʻohui ana iā PSS me nā kristal photonic a i ʻole ka nanoscale surface texturing

• Hoʻomau nā hana e hōʻemi i ke kumukūʻai a me nā ʻenehana hoʻohālike scalable

Hopena

Hōʻike nā substrates sapphire i hoʻohālikelike ʻia i kahi hoʻololi koʻikoʻi mai nā kākoʻo mechanical passive i nā ʻāpana optical a me nā ʻāpana kūkulu hana i nā hāmeʻa LED. Ma ka hoʻoponopono ʻana i nā pohō unuhi mālamalama ma ko lākou aʻa—ʻo ia hoʻi ka hoʻopaʻa ʻana o ka optical a me ka hoʻohuli ʻana o ka interface—hiki i ka PSS ke hoʻonui i ka pono, ka hilinaʻi i hoʻomaikaʻi ʻia, a me ka hana mau o ka hāmeʻa.

I ka hoʻohālikelike ʻana, ʻoiai ke nani mau nei nā substrates sapphire pālahalaha ma muli o ko lākou hiki ke hana ʻia a me ke kumukūʻai haʻahaʻa, ʻo ko lākou mau palena optical kūlohelohe e kaupalena i ko lākou kūpono no nā LED kiʻekiʻe o ka hanauna e hiki mai ana. Ke hoʻomau nei ka ulu ʻana o ka ʻenehana LED, kū ʻo PSS ma ke ʻano he laʻana maopopo o ke ʻano o ka hiki i ka ʻenekinia mea ke unuhi pololei i nā loaʻa hana pae ʻōnaehana.