GaN-आधारित प्रकाश-उत्सर्जक डायोडहरू (LEDs) मा, एपिटेक्सियल वृद्धि प्रविधिहरू र उपकरण वास्तुकलामा निरन्तर प्रगतिले आन्तरिक क्वान्टम दक्षता (IQE) लाई यसको सैद्धान्तिक अधिकतमको नजिक बढाएको छ। यी प्रगतिहरूको बावजुद, LEDs को समग्र चमकदार प्रदर्शन प्रकाश निकासी दक्षता (LEE) द्वारा मौलिक रूपमा सीमित रहन्छ। GaN एपिटेक्सीको लागि नीलमणि प्रमुख सब्सट्रेट सामग्रीको रूपमा जारी रहँदा, यसको सतह आकारविज्ञानले उपकरण भित्र अप्टिकल हानिहरू नियन्त्रण गर्न निर्णायक भूमिका खेल्छ।

यस लेखले समतल नीलमणि सब्सट्रेट र ढाँचाबद्ध बीचको व्यापक तुलना प्रस्तुत गर्दछ।नीलमणि सब्सट्रेट (PSS)यसले PSS ले प्रकाश निकासी दक्षता बढाउने अप्टिकल र क्रिस्टलोग्राफिक संयन्त्रहरूलाई स्पष्ट पार्छ र उच्च-प्रदर्शन LED निर्माणमा PSS किन वास्तविक मानक बनेको छ भनेर व्याख्या गर्दछ।

१. आधारभूत बाधाको रूपमा प्रकाश निकासी दक्षता

LED को बाह्य क्वान्टम दक्षता (EQE) दुई प्राथमिक कारकहरूको गुणनफलद्वारा निर्धारण गरिन्छ:

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

EQE=IQE×LEE

IQE ले सक्रिय क्षेत्र भित्र विकिरण पुनर्संयोजनको दक्षताको परिमाण निर्धारण गर्छ भने, LEE ले उपकरणबाट सफलतापूर्वक निस्कने उत्पन्न फोटनहरूको अंश वर्णन गर्छ।

नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा उब्जाइएको GaN-आधारित LEDs को लागि, परम्परागत डिजाइनहरूमा LEE सामान्यतया लगभग 30-40% मा सीमित हुन्छ। यो सीमा मुख्यतया निम्नबाट उत्पन्न हुन्छ:

• GaN (n ≈ २.४), नीलमणि (n ≈ १.७), र वायु (n ≈ १.०) बीच गम्भीर अपवर्तन सूचकांक बेमेल

• समतल इन्टरफेसमा बलियो कुल आन्तरिक परावर्तन (TIR)

• एपिटेक्सियल तहहरू र सब्सट्रेट भित्र फोटोन फस्नु

फलस्वरूप, उत्पन्न हुने फोटोनको एक महत्त्वपूर्ण भागले धेरै आन्तरिक परावर्तनहरू पार गर्छ र अन्ततः उपयोगी प्रकाश उत्पादनमा योगदान पुर्‍याउनुको सट्टा सामग्रीद्वारा अवशोषित हुन्छ वा तापमा परिणत हुन्छ।

२. समतल नीलमणि सब्सट्रेटहरू: अप्टिकल अवरोधहरू सहितको संरचनात्मक सरलता

२.१ संरचनात्मक विशेषताहरू

समतल नीलमणि सब्सट्रेटहरूले सामान्यतया चिल्लो, समतल सतहको साथ c-प्लेन (0001) अभिमुखीकरण प्रयोग गर्छन्। तिनीहरूलाई व्यापक रूपमा अपनाइएको छ किनभने:

• उच्च क्रिस्टलीय गुणस्तर

• उत्कृष्ट थर्मल र रासायनिक स्थिरता

• परिपक्व र लागत-प्रभावी उत्पादन प्रक्रियाहरू

२.२ अप्टिकल व्यवहार

अप्टिकल दृष्टिकोणबाट, समतल इन्टरफेसहरूले अत्यधिक दिशात्मक र अनुमानित फोटोन प्रसार मार्गहरूतर्फ डोऱ्याउँछन्। जब GaN सक्रिय क्षेत्रमा उत्पन्न हुने फोटोनहरू महत्वपूर्ण कोणभन्दा बढी घटना कोणहरूमा GaN–वायु वा GaN–नीलम इन्टरफेसमा पुग्छन्, पूर्ण आन्तरिक परावर्तन हुन्छ।

यसको परिणामस्वरूप:

• उपकरण भित्र बलियो फोटोन बन्धन

• धातु इलेक्ट्रोड र दोष अवस्थाहरू द्वारा बढेको अवशोषण

• उत्सर्जित प्रकाशको प्रतिबन्धित कोणीय वितरण

संक्षेपमा, समतल नीलमणि सब्सट्रेटहरूले अप्टिकल बन्देजलाई पार गर्न थोरै सहयोग प्रदान गर्दछ।

३. ढाँचाबद्ध नीलमणि सब्सट्रेटहरू: अवधारणा र संरचनात्मक डिजाइन

फोटोलिथोग्राफी र एचिंग प्रविधिहरू प्रयोग गरेर नीलमणिको सतहमा आवधिक वा अर्ध-आवधिक सूक्ष्म- वा नानोस्केल संरचनाहरू परिचय गरेर ढाँचायुक्त नीलमणि सब्सट्रेट (PSS) बनाइन्छ।

सामान्य PSS ज्यामितिहरू समावेश छन्:

• शंक्वाकार संरचनाहरू

• अर्धगोलाकार गुम्बजहरू

• पिरामिडल विशेषताहरू

• बेलनाकार वा काटिएको-शंकु आकारहरू

विशिष्ट विशेषता आयामहरू उप-माइक्रोमिटरदेखि धेरै माइक्रोमिटरहरू सम्मका हुन्छन्, सावधानीपूर्वक नियन्त्रित उचाइ, पिच, र कर्तव्य चक्रको साथ।

४. PSS मा प्रकाश निकासी वृद्धिको संयन्त्रहरू

४.१ पूर्ण आन्तरिक परावर्तनको दमन

PSS को त्रि-आयामी स्थलाकृतिले सामग्री इन्टरफेसमा स्थानीय घटना कोणहरूलाई परिमार्जन गर्दछ। समतल सीमामा पूर्ण आन्तरिक परावर्तन अनुभव गर्ने फोटोनहरूलाई एस्केप कोन भित्र कोणहरूमा पुन: निर्देशित गरिन्छ, जसले गर्दा उपकरणबाट बाहिर निस्कने सम्भावना उल्लेखनीय रूपमा बढ्छ।

४.२ परिष्कृत अप्टिकल स्क्याटरिङ र पथ अनियमितता

PSS संरचनाहरूले धेरै अपवर्तन र परावर्तन घटनाहरू प्रस्तुत गर्दछन्, जसले गर्दा:

• फोटोन प्रसार निर्देशनहरूको अनियमितता

• प्रकाश-निष्कासन इन्टरफेसहरूसँग बढेको अन्तरक्रिया

• उपकरण भित्र फोटोन बसोबास समय घटाइयो

तथ्याङ्कगत रूपमा, यी प्रभावहरूले अवशोषण हुनु अघि फोटोन निकासीको सम्भावना बढाउँछन्।

४.३ प्रभावकारी अपवर्तक सूचकांक ग्रेडिङ

अप्टिकल मोडेलिङको दृष्टिकोणबाट, PSS ले प्रभावकारी अपवर्तक सूचकांक संक्रमण तहको रूपमा कार्य गर्दछ। GaN बाट हावामा अचानक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तनको सट्टा, ढाँचाबद्ध क्षेत्रले क्रमिक अपवर्तक सूचकांक भिन्नता प्रदान गर्दछ, जसले गर्दा फ्रेस्नेल परावर्तन हानि कम हुन्छ।

यो संयन्त्र अवधारणात्मक रूपमा प्रतिबिम्ब विरोधी कोटिंग्ससँग मिल्दोजुल्दो छ, यद्यपि यो पातलो-फिल्म हस्तक्षेपको सट्टा ज्यामितीय अप्टिक्समा निर्भर गर्दछ।

४.४ अप्टिकल अवशोषण हानिको अप्रत्यक्ष कमी

फोटोन पथ लम्बाइ छोटो पारेर र बारम्बार हुने आन्तरिक परावर्तनलाई दबाएर, PSS ले अप्टिकल अवशोषणको सम्भावनालाई निम्न तरिकाले घटाउँछ:

• धातु सम्पर्कहरू

• क्रिस्टल दोष अवस्थाहरू

• GaN मा फ्री-क्यारियर अवशोषण

यी प्रभावहरूले उच्च दक्षता र सुधारिएको थर्मल कार्यसम्पादन दुवैमा योगदान पुर्‍याउँछन्।

५. थप फाइदाहरू: क्रिस्टल गुणस्तरमा सुधार

अप्टिकल एन्हान्समेन्ट बाहेक, PSS ले लेटरल एपिटेक्सियल ओभरग्रोथ (LEO) मेकानिज्म मार्फत एपिटेक्सियल सामग्रीको गुणस्तरमा पनि सुधार गर्छ:

• नीलमणि-GaN इन्टरफेसमा उत्पन्न हुने विस्थापनहरूलाई पुन: निर्देशित वा समाप्त गरिन्छ।

• थ्रेडिङ विस्थापन घनत्व उल्लेखनीय रूपमा कम भएको छ।

• सुधारिएको क्रिस्टल गुणस्तरले उपकरणको विश्वसनीयता र सञ्चालन जीवनकाल बढाउँछ

यो दोहोरो अप्टिकल र संरचनात्मक लाभले PSS लाई विशुद्ध अप्टिकल सतह-बनावट दृष्टिकोणबाट अलग गर्छ।

६. मात्रात्मक तुलना: फ्ल्याट नीलमणि बनाम PSS

वास्तविक कार्यसम्पादन लाभहरू ढाँचा ज्यामिति, उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य, चिप वास्तुकला, र प्याकेजिङ रणनीतिमा निर्भर गर्दछ।

७. व्यापार-अफ र इन्जिनियरिङ विचारहरू

यसको फाइदाहरूको बावजुद, PSS ले धेरै व्यावहारिक चुनौतीहरू प्रस्तुत गर्दछ:

• थप लिथोग्राफी र इचिङ चरणहरूले निर्माण लागत बढाउँछ

• ढाँचा एकरूपता र नक्काशीको गहिराइलाई सटीक नियन्त्रण आवश्यक पर्दछ

• खराब रूपमा अनुकूलित ढाँचाहरूले एपिटेक्सियल एकरूपतालाई प्रतिकूल असर पार्न सक्छ

त्यसकारण, PSS अप्टिमाइजेसन स्वाभाविक रूपमा एक बहु-अनुशासनात्मक कार्य हो जसमा अप्टिकल सिमुलेशन, एपिटेक्सियल ग्रोथ इन्जिनियरिङ, र उपकरण डिजाइन समावेश छ।

८. उद्योग परिप्रेक्ष्य र भविष्यको दृष्टिकोण

आधुनिक LED निर्माणमा, PSS लाई अब वैकल्पिक वृद्धिको रूपमा लिइँदैन। मध्यम र उच्च-शक्तिको LED अनुप्रयोगहरूमा - सामान्य रोशनी, अटोमोटिभ प्रकाश, र डिस्प्ले ब्याकलाइटिङ सहित - यो एक आधारभूत प्रविधि बनेको छ।

भविष्यको अनुसन्धान र विकास प्रवृत्तिहरूमा समावेश छन्:

• मिनी-एलईडी र माइक्रो-एलईडी अनुप्रयोगहरूको लागि तयार पारिएको उन्नत PSS डिजाइनहरू

• फोटोनिक क्रिस्टल वा न्यानोस्केल सतह बनावटसँग PSS संयोजन गर्ने हाइब्रिड दृष्टिकोणहरू

• लागत घटाउने र स्केलेबल ढाँचा बनाउने प्रविधिहरूतर्फ निरन्तर प्रयासहरू

निष्कर्ष

ढाँचाबद्ध नीलमणि सब्सट्रेटहरूले LED उपकरणहरूमा निष्क्रिय मेकानिकल समर्थनबाट कार्यात्मक अप्टिकल र संरचनात्मक घटकहरूमा आधारभूत संक्रमणको प्रतिनिधित्व गर्दछ। तिनीहरूको जरामा प्रकाश निकासी हानिहरूलाई सम्बोधन गरेर - अर्थात् अप्टिकल कन्फाइनमेन्ट र इन्टरफेस परावर्तन - PSS ले उच्च दक्षता, सुधारिएको विश्वसनीयता, र थप सुसंगत उपकरण प्रदर्शन सक्षम बनाउँछ।

यसको विपरित, फ्ल्याट नीलमणि सब्सट्रेटहरू तिनीहरूको उत्पादनशीलता र कम लागतको कारण आकर्षक रहन्छन्, तिनीहरूको अन्तर्निहित अप्टिकल सीमितताहरूले अर्को पुस्ताको उच्च-दक्षता LED को लागि तिनीहरूको उपयुक्ततालाई सीमित गर्दछ। LED प्रविधिको विकास जारी रहँदा, PSS कसरी सामग्री इन्जिनियरिङले प्रणाली-स्तरको कार्यसम्पादन लाभमा प्रत्यक्ष रूपमा अनुवाद गर्न सक्छ भन्ने स्पष्ट उदाहरणको रूपमा खडा छ।