GaN-आधारित प्रकाश-उत्सर्जक डायोड्स (LEDs) मध्ये, एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रे आणि डिव्हाइस आर्किटेक्चरमध्ये सतत प्रगती झाल्यामुळे अंतर्गत क्वांटम कार्यक्षमता (IQE) त्याच्या सैद्धांतिक कमाल जवळ आली आहे. या प्रगती असूनही, LEDs ची एकूण चमकदार कामगिरी प्रकाश निष्कर्षण कार्यक्षमता (LEE) द्वारे मूलभूतपणे मर्यादित आहे. GaN एपिटॅक्सीसाठी नीलम हा प्रमुख सब्सट्रेट मटेरियल असल्याने, त्याचे पृष्ठभाग आकारविज्ञान उपकरणातील ऑप्टिकल नुकसान नियंत्रित करण्यात निर्णायक भूमिका बजावते.

हा लेख फ्लॅट नीलमणी सब्सट्रेट्स आणि पॅटर्न केलेल्यामधील व्यापक तुलना सादर करतोनीलमणी थर (PSS). हे PSS प्रकाश निष्कर्षण कार्यक्षमता वाढवणाऱ्या ऑप्टिकल आणि क्रिस्टलोग्राफिक यंत्रणा स्पष्ट करते आणि उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या LED उत्पादनात PSS हे एक वास्तविक मानक का बनले आहे हे स्पष्ट करते.

१. मूलभूत अडथळा म्हणून प्रकाश निष्कर्षण कार्यक्षमता

LED ची बाह्य क्वांटम कार्यक्षमता (EQE) दोन प्राथमिक घटकांच्या गुणाकाराने निश्चित केली जाते:

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

EQE=IQE×LEE

IQE सक्रिय प्रदेशात रेडिएटिव्ह रीकॉम्बिनेशनची कार्यक्षमता मोजते, तर LEE डिव्हाइसमधून यशस्वीरित्या बाहेर पडणाऱ्या व्युत्पन्न फोटॉनच्या अंशाचे वर्णन करते.

नीलमणी थरांवर वाढवलेल्या GaN-आधारित LEDs साठी, पारंपारिक डिझाइनमध्ये LEE साधारणपणे अंदाजे 30-40% पर्यंत मर्यादित असते. ही मर्यादा प्रामुख्याने उद्भवते:

• GaN (n ≈ 2.4), नीलमणी (n ≈ 1.7) आणि हवा (n ≈ 1.0) यांच्यात तीव्र अपवर्तन निर्देशांक जुळत नाही.

• प्लॅनर इंटरफेसवर मजबूत एकूण अंतर्गत परावर्तन (TIR)

• एपिटॅक्सियल थर आणि सब्सट्रेटमध्ये फोटॉन अडकणे

परिणामी, निर्माण होणाऱ्या फोटॉनचा एक महत्त्वाचा भाग अनेक अंतर्गत परावर्तनांमधून जातो आणि शेवटी उपयुक्त प्रकाश उत्पादनात योगदान देण्याऐवजी ते पदार्थाद्वारे शोषले जातात किंवा उष्णतेमध्ये रूपांतरित होतात.

२. सपाट नीलमणी थर: ऑप्टिकल मर्यादांसह संरचनात्मक साधेपणा

२.१ संरचनात्मक वैशिष्ट्ये

सपाट नीलमणी थरांमध्ये सामान्यतः गुळगुळीत, समतल पृष्ठभागासह सी-प्लेन (0001) अभिमुखता असते. ते मोठ्या प्रमाणावर स्वीकारले गेले आहेत कारण:

• उच्च स्फटिकासारखे गुणवत्ता

• उत्कृष्ट थर्मल आणि रासायनिक स्थिरता

• परिपक्व आणि किफायतशीर उत्पादन प्रक्रिया

२.२ ऑप्टिकल वर्तन

ऑप्टिकल दृष्टिकोनातून, प्लॅनर इंटरफेस अत्यंत दिशात्मक आणि अंदाजे फोटॉन प्रसार मार्गांकडे नेतात. जेव्हा GaN सक्रिय प्रदेशात निर्माण झालेले फोटॉन गंभीर कोनापेक्षा जास्त घटना कोनांवर GaN-एअर किंवा GaN-नीलम इंटरफेसपर्यंत पोहोचतात, तेव्हा संपूर्ण अंतर्गत परावर्तन होते.

याचा परिणाम असा होतो:

• उपकरणात मजबूत फोटॉन बंदिस्तता

• मेटल इलेक्ट्रोड्स आणि दोष स्थितींद्वारे वाढलेले शोषण

• उत्सर्जित प्रकाशाचे मर्यादित कोनीय वितरण

थोडक्यात, सपाट नीलमणी थर ऑप्टिकल बंदिवासावर मात करण्यासाठी फारसे मदत करत नाहीत.

३. नमुनेदार नीलमणी थर: संकल्पना आणि संरचनात्मक रचना

फोटोलिथोग्राफी आणि एचिंग तंत्रांचा वापर करून नीलमणी पृष्ठभागावर नियतकालिक किंवा अर्ध-नियतकालिक सूक्ष्म- किंवा नॅनोस्केल संरचनांचा समावेश करून एक नमुनादार नीलमणी सब्सट्रेट (PSS) तयार केला जातो.

सामान्य PSS भूमितींमध्ये हे समाविष्ट आहे:

• शंकूच्या आकाराच्या रचना

• अर्धगोलाकार घुमट

• पिरॅमिडल वैशिष्ट्ये

• दंडगोलाकार किंवा कापलेले शंकू आकार

विशिष्ट वैशिष्ट्यांचे परिमाण सब-मायक्रोमीटरपासून ते अनेक मायक्रोमीटरपर्यंत असतात, ज्यामध्ये काळजीपूर्वक नियंत्रित उंची, खेळपट्टी आणि कर्तव्य चक्र असते.

४. पीएसएसमध्ये प्रकाश निष्कर्षण वाढविण्याच्या यंत्रणा

४.१ एकूण अंतर्गत परावर्तनाचे दमन

PSS ची त्रिमितीय स्थलाकृति मटेरियल इंटरफेसवरील स्थानिक आपाती कोनांमध्ये बदल करते. ज्या फोटॉनना अन्यथा सपाट सीमेवर पूर्ण अंतर्गत परावर्तन अनुभवता येईल त्यांना एस्केप कोनमधील कोनांमध्ये पुनर्निर्देशित केले जाते, ज्यामुळे उपकरणातून बाहेर पडण्याची त्यांची शक्यता लक्षणीयरीत्या वाढते.

४.२ वर्धित ऑप्टिकल स्कॅटरिंग आणि पाथ रँडमायझेशन

पीएसएस संरचना अनेक अपवर्तन आणि परावर्तन घटना घडवतात, ज्यामुळे:

• फोटॉन प्रसार दिशानिर्देशांचे यादृच्छिकीकरण

• प्रकाश-निष्कासन इंटरफेससह वाढलेला परस्परसंवाद

• डिव्हाइसमध्ये फोटॉन राहण्याचा वेळ कमी केला

सांख्यिकीयदृष्ट्या, हे परिणाम शोषण होण्यापूर्वी फोटॉन काढण्याची शक्यता वाढवतात.

४.३ प्रभावी अपवर्तक निर्देशांक प्रतवारी

ऑप्टिकल मॉडेलिंगच्या दृष्टिकोनातून, PSS एक प्रभावी अपवर्तक निर्देशांक संक्रमण थर म्हणून काम करते. GaN वरून हवेत अचानक अपवर्तक निर्देशांक बदलण्याऐवजी, नमुना असलेला प्रदेश हळूहळू अपवर्तक निर्देशांक बदल प्रदान करतो, ज्यामुळे फ्रेस्नेल परावर्तन नुकसान कमी होते.

ही यंत्रणा संकल्पनात्मकदृष्ट्या अँटी-रिफ्लेक्शन कोटिंग्जसारखीच आहे, जरी ती पातळ-फिल्म हस्तक्षेपाऐवजी भौमितिक प्रकाशिकीवर अवलंबून असते.

४.४ ऑप्टिकल अवशोषण नुकसानाचे अप्रत्यक्ष घट

फोटॉन मार्गाची लांबी कमी करून आणि वारंवार होणारे अंतर्गत परावर्तन दाबून, PSS खालील प्रकारे ऑप्टिकल शोषणाची शक्यता कमी करते:

• धातू संपर्क

• क्रिस्टल दोष अवस्था

• GaN मध्ये मुक्त-वाहक शोषण

हे परिणाम उच्च कार्यक्षमता आणि सुधारित थर्मल कामगिरी दोन्हीमध्ये योगदान देतात.

५. अतिरिक्त फायदे: क्रिस्टल गुणवत्तेत सुधारणा

ऑप्टिकल एन्हांसमेंट व्यतिरिक्त, पीएसएस लॅटरल एपिटॅक्सियल ओव्हरग्रोथ (LEO) यंत्रणेद्वारे एपिटॅक्सियल मटेरियलची गुणवत्ता देखील सुधारते:

• नीलमणी-GaN इंटरफेसवर उद्भवणारे विस्थापन पुनर्निर्देशित किंवा समाप्त केले जातात.

• थ्रेडिंग डिस्लोकेशन घनता लक्षणीयरीत्या कमी झाली आहे.

• सुधारित क्रिस्टल गुणवत्ता डिव्हाइसची विश्वासार्हता आणि ऑपरेशनल आयुष्यमान वाढवते

हा दुहेरी ऑप्टिकल आणि स्ट्रक्चरल फायदा पीएसएसला पूर्णपणे ऑप्टिकल पृष्ठभाग-टेक्सचरिंग दृष्टिकोनांपासून वेगळे करतो.

६. परिमाणात्मक तुलना: फ्लॅट नीलम विरुद्ध पीएसएस

वास्तविक कामगिरीतील वाढ ही पॅटर्न भूमिती, उत्सर्जन तरंगलांबी, चिप आर्किटेक्चर आणि पॅकेजिंग धोरणावर अवलंबून असते.

७. तडजोड आणि अभियांत्रिकी विचार

त्याचे फायदे असूनही, पीएसएस अनेक व्यावहारिक आव्हाने सादर करते:

• अतिरिक्त लिथोग्राफी आणि एचिंग पायऱ्यांमुळे फॅब्रिकेशनचा खर्च वाढतो.

• पॅटर्न एकरूपता आणि खोदकाम खोलीसाठी अचूक नियंत्रण आवश्यक आहे

• खराब ऑप्टिमाइझ केलेले नमुने एपिटॅक्सियल एकरूपतेवर प्रतिकूल परिणाम करू शकतात.

म्हणून, पीएसएस ऑप्टिमायझेशन हे मूळतः एक बहुविद्याशाखीय कार्य आहे ज्यामध्ये ऑप्टिकल सिम्युलेशन, एपिटॅक्सियल ग्रोथ इंजिनिअरिंग आणि डिव्हाइस डिझाइन यांचा समावेश आहे.

८. उद्योग दृष्टीकोन आणि भविष्यातील दृष्टीकोन

आधुनिक एलईडी उत्पादनात, पीएसएस आता पर्यायी सुधारणा म्हणून मानले जात नाही. मध्यम आणि उच्च-शक्तीच्या एलईडी अनुप्रयोगांमध्ये - सामान्य प्रकाशयोजना, ऑटोमोटिव्ह लाइटिंग आणि डिस्प्ले बॅकलाइटिंगसह - ते एक मूलभूत तंत्रज्ञान बनले आहे.

भविष्यातील संशोधन आणि विकास ट्रेंडमध्ये हे समाविष्ट आहे:

• मिनी-एलईडी आणि मायक्रो-एलईडी अनुप्रयोगांसाठी तयार केलेले प्रगत पीएसएस डिझाइन

• फोटोनिक क्रिस्टल्स किंवा नॅनोस्केल पृष्ठभागाच्या टेक्सचरिंगसह पीएसएस एकत्रित करणारे हायब्रिड दृष्टिकोन

• खर्च कमी करण्यासाठी आणि स्केलेबल पॅटर्निंग तंत्रज्ञानासाठी सतत प्रयत्न

निष्कर्ष

नक्षीदार नीलमणी सब्सट्रेट्स एलईडी उपकरणांमध्ये निष्क्रिय यांत्रिक समर्थनांपासून कार्यात्मक ऑप्टिकल आणि स्ट्रक्चरल घटकांकडे मूलभूत संक्रमण दर्शवितात. त्यांच्या मुळाशी प्रकाश निष्कर्षण नुकसान - म्हणजे ऑप्टिकल बंदिस्त आणि इंटरफेस परावर्तन - संबोधित करून, पीएसएस उच्च कार्यक्षमता, सुधारित विश्वसनीयता आणि अधिक सुसंगत डिव्हाइस कार्यप्रदर्शन सक्षम करते.

याउलट, फ्लॅट नीलमणी सब्सट्रेट्स त्यांच्या उत्पादनक्षमतेमुळे आणि कमी किमतीमुळे आकर्षक राहतात, परंतु त्यांच्या अंतर्निहित ऑप्टिकल मर्यादा पुढील पिढीच्या उच्च-कार्यक्षमतेच्या एलईडीसाठी त्यांची योग्यता मर्यादित करतात. एलईडी तंत्रज्ञान विकसित होत असताना, मटेरियल इंजिनिअरिंग सिस्टम-स्तरीय कामगिरीच्या वाढीमध्ये थेट कसे भाषांतरित करू शकते याचे स्पष्ट उदाहरण म्हणून पीएसएस उभे आहे.