GaN आधारित प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) में, एपिटैक्सियल वृद्धि तकनीकों और उपकरण संरचना में निरंतर प्रगति ने आंतरिक क्वांटम दक्षता (IQE) को इसके सैद्धांतिक अधिकतम के करीब पहुँचा दिया है। इन प्रगतियों के बावजूद, LED का समग्र प्रकाश प्रदर्शन मूल रूप से प्रकाश निष्कर्षण दक्षता (LEE) द्वारा सीमित रहता है। चूंकि नीलम GaN एपिटैक्सी के लिए प्रमुख सब्सट्रेट सामग्री बना हुआ है, इसलिए इसकी सतह की संरचना उपकरण के भीतर प्रकाशीय हानियों को नियंत्रित करने में निर्णायक भूमिका निभाती है।

यह लेख समतल नीलम सब्सट्रेट और पैटर्न वाले सब्सट्रेट के बीच एक व्यापक तुलना प्रस्तुत करता है।नीलम सब्सट्रेट (पीएसएस)यह उन प्रकाशीय और क्रिस्टलीय तंत्रों को स्पष्ट करता है जिनके माध्यम से पीएसएस प्रकाश निष्कर्षण दक्षता को बढ़ाता है और यह बताता है कि पीएसएस उच्च-प्रदर्शन एलईडी निर्माण में एक मानक क्यों बन गया है।

1. प्रकाश निष्कर्षण दक्षता एक मूलभूत बाधा के रूप में

एलईडी की बाह्य क्वांटम दक्षता (ईक्यूई) दो प्राथमिक कारकों के गुणनफल द्वारा निर्धारित होती है:

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

EQE=IQE×LEE

जहां IQE सक्रिय क्षेत्र के भीतर विकिरण पुनर्संयोजन की दक्षता को मापता है, वहीं LEE उत्पन्न फोटॉनों के उस अंश का वर्णन करता है जो सफलतापूर्वक उपकरण से बाहर निकल जाते हैं।

सैफायर सबस्ट्रेट पर उगाए गए GaN-आधारित LED के लिए, पारंपरिक डिज़ाइनों में LEE आमतौर पर लगभग 30-40% तक सीमित होता है। यह सीमा मुख्य रूप से निम्न कारणों से उत्पन्न होती है:

• GaN (n ≈ 2.4), नीलम (n ≈ 1.7) और हवा (n ≈ 1.0) के बीच अपवर्तनांक में गंभीर असमानता पाई जाती है।

• समतलीय इंटरफेस पर प्रबल कुल आंतरिक परावर्तन (टीआईआर)

• एपिटैक्सियल परतों और सब्सट्रेट के भीतर फोटॉन ट्रैपिंग

परिणामस्वरूप, उत्पन्न होने वाले फोटॉनों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा कई आंतरिक परावर्तनों से गुजरता है और अंततः उपयोगी प्रकाश उत्पादन में योगदान देने के बजाय सामग्री द्वारा अवशोषित हो जाता है या गर्मी में परिवर्तित हो जाता है।

2. समतल नीलमणि सब्सट्रेट: प्रकाशीय बाधाओं के साथ संरचनात्मक सरलता

2.1 संरचनात्मक विशेषताएँ

समतल नीलमणि सब्सट्रेट में आमतौर पर चिकनी, समतल सतह के साथ सी-प्लेन (0001) अभिविन्यास होता है। इन्हें व्यापक रूप से अपनाया गया है, इसके कारण हैं:

• उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता

• उत्कृष्ट तापीय और रासायनिक स्थिरता

• परिपक्व और लागत प्रभावी विनिर्माण प्रक्रियाएँ

2.2 प्रकाशीय व्यवहार

प्रकाशीय दृष्टि से, समतलीय सतहें फोटॉन के प्रसार पथों को अत्यधिक दिशात्मक और पूर्वानुमानित बनाती हैं। जब GaN सक्रिय क्षेत्र में उत्पन्न फोटॉन क्रांतिक कोण से अधिक आपतन कोण पर GaN-वायु या GaN-नीलम की सतह पर पहुंचते हैं, तो पूर्ण आंतरिक परावर्तन होता है।

इस में यह परिणाम:

• उपकरण के भीतर मजबूत फोटॉन परिरोधन

• धातु इलेक्ट्रोड और दोष अवस्थाओं द्वारा अवशोषण में वृद्धि

• उत्सर्जित प्रकाश का एक सीमित कोणीय वितरण

संक्षेप में, सपाट नीलमणि सब्सट्रेट प्रकाशीय अवरोध को दूर करने में बहुत कम सहायता प्रदान करते हैं।

3. पैटर्नयुक्त नीलमणि सब्सट्रेट: अवधारणा और संरचनात्मक डिजाइन

फोटोलिथोग्राफी और एचिंग तकनीकों का उपयोग करके नीलम की सतह पर आवधिक या अर्ध-आवधिक सूक्ष्म या नैनोस्केल संरचनाओं को प्रस्तुत करके एक पैटर्नयुक्त नीलम सब्सट्रेट (पीएसएस) का निर्माण किया जाता है।

सामान्य पीएसएस ज्यामितियों में शामिल हैं:

• शंक्वाकार संरचनाएं

• अर्धगोलाकार गुंबद

• पिरामिडनुमा विशेषताएं

• बेलनाकार या कटे हुए शंकु के आकार

विशिष्ट विशेषताओं के आयाम उप-माइक्रोमीटर से लेकर कई माइक्रोमीटर तक होते हैं, जिनमें ऊंचाई, पिच और ड्यूटी साइकिल को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है।

4. पीएसएस में प्रकाश निष्कर्षण संवर्धन के तंत्र

4.1 पूर्ण आंतरिक परावर्तन का दमन

पीएसएस की त्रि-आयामी स्थलाकृति पदार्थ इंटरफेस पर आपतन के स्थानीय कोणों को बदल देती है। जो फोटॉन समतल सीमा पर पूर्ण आंतरिक परावर्तन का अनुभव करते हैं, वे पलायन शंकु के भीतर कोणों में पुनर्निर्देशित हो जाते हैं, जिससे उपकरण से बाहर निकलने की उनकी संभावना काफी बढ़ जाती है।

4.2 उन्नत ऑप्टिकल प्रकीर्णन और पथ यादृच्छिकीकरण

पीएसएस संरचनाएं कई अपवर्तन और परावर्तन घटनाओं को जन्म देती हैं, जिसके परिणामस्वरूप:

• फोटॉन प्रसार दिशाओं का यादृच्छिकीकरण

• प्रकाश-निष्कर्षण इंटरफेस के साथ बढ़ी हुई बातचीत

• उपकरण के भीतर फोटॉन के रहने का समय कम हो गया है।

सांख्यिकीय रूप से, ये प्रभाव अवशोषण होने से पहले फोटॉन निष्कर्षण की संभावना को बढ़ाते हैं।

4.3 प्रभावी अपवर्तक सूचकांक वर्गीकरण

ऑप्टिकल मॉडलिंग के दृष्टिकोण से, पीएसएस एक प्रभावी अपवर्तक सूचकांक संक्रमण परत के रूप में कार्य करता है। GaN से हवा में अचानक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन के बजाय, पैटर्न वाला क्षेत्र क्रमिक अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन प्रदान करता है, जिससे फ्रेस्नेल परावर्तन हानि कम हो जाती है।

यह तंत्र अवधारणात्मक रूप से परावर्तन-रोधी कोटिंग्स के समान है, हालांकि यह पतली-फिल्म व्यतिकरण के बजाय ज्यामितीय प्रकाशिकी पर निर्भर करता है।

4.4 प्रकाशीय अवशोषण हानियों में अप्रत्यक्ष कमी

फोटॉन पथ की लंबाई कम करके और बार-बार होने वाले आंतरिक परावर्तन को दबाकर, पीएसएस निम्नलिखित तरीकों से प्रकाशीय अवशोषण की संभावना को कम करता है:

• धातु संपर्क

• क्रिस्टल दोष अवस्थाएँ

• GaN में मुक्त-वाहक अवशोषण

ये प्रभाव उच्च दक्षता और बेहतर तापीय प्रदर्शन दोनों में योगदान करते हैं।

5. अतिरिक्त लाभ: क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार

ऑप्टिकल एन्हांसमेंट के अलावा, पीएसएस पार्श्व एपिटैक्सियल ओवरग्रोथ (एलईओ) तंत्र के माध्यम से एपिटैक्सियल सामग्री की गुणवत्ता में भी सुधार करता है:

• सैफायर-GaN इंटरफ़ेस पर उत्पन्न होने वाले विस्थापन को पुनर्निर्देशित या समाप्त कर दिया जाता है।

• थ्रेडिंग डिसलोकेशन घनत्व में काफी कमी आई है।

• बेहतर क्रिस्टल गुणवत्ता उपकरण की विश्वसनीयता और परिचालन जीवनकाल को बढ़ाती है।

यह दोहरा प्रकाशिक और संरचनात्मक लाभ पीएसएस को विशुद्ध रूप से प्रकाशिक सतह-बनावट संबंधी दृष्टिकोणों से अलग करता है।

6. मात्रात्मक तुलना: फ्लैट सफायर बनाम पीएसएस

वास्तविक प्रदर्शन लाभ पैटर्न की ज्यामिति, उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य, चिप आर्किटेक्चर और पैकेजिंग रणनीति पर निर्भर करते हैं।

7. समझौते और इंजीनियरिंग संबंधी विचार

इसके फायदों के बावजूद, पीएसएस कई व्यावहारिक चुनौतियां भी पेश करता है:

• अतिरिक्त लिथोग्राफी और एचिंग चरणों से निर्माण लागत बढ़ जाती है।

• पैटर्न की एकरूपता और नक़्क़ाशी की गहराई के लिए सटीक नियंत्रण आवश्यक है।

• खराब तरीके से अनुकूलित पैटर्न एपिटैक्सियल एकरूपता को प्रतिकूल रूप से प्रभावित कर सकते हैं।

इसलिए, पीएसएस अनुकूलन स्वाभाविक रूप से एक बहु-विषयक कार्य है जिसमें ऑप्टिकल सिमुलेशन, एपिटैक्सियल ग्रोथ इंजीनियरिंग और डिवाइस डिजाइन शामिल हैं।

8. उद्योग का परिप्रेक्ष्य और भविष्य की संभावनाएं

आधुनिक एलईडी निर्माण में, पीएसएस को अब वैकल्पिक संवर्द्धन नहीं माना जाता है। सामान्य प्रकाश व्यवस्था, ऑटोमोटिव प्रकाश व्यवस्था और डिस्प्ले बैकलाइटिंग सहित मध्यम और उच्च-शक्ति वाले एलईडी अनुप्रयोगों में, यह एक मूलभूत तकनीक बन गई है।

भविष्य के अनुसंधान और विकास के रुझानों में निम्नलिखित शामिल हैं:

• मिनी-एलईडी और माइक्रो-एलईडी अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से तैयार किए गए उन्नत पीएसएस डिज़ाइन।

• पीएसएस को फोटोनिक क्रिस्टल या नैनोस्केल सतह बनावट के साथ संयोजित करने वाले हाइब्रिड दृष्टिकोण

• लागत कम करने और स्केलेबल पैटर्निंग प्रौद्योगिकियों की दिशा में निरंतर प्रयास जारी हैं।

निष्कर्ष

पैटर्नयुक्त नीलमणि सब्सट्रेट एलईडी उपकरणों में निष्क्रिय यांत्रिक आधारों से कार्यात्मक प्रकाशीय और संरचनात्मक घटकों में एक मौलिक परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करते हैं। प्रकाश निष्कर्षण हानि को जड़ से खत्म करके—अर्थात् प्रकाशीय अवरोध और इंटरफ़ेस परावर्तन—पीएसएस उच्च दक्षता, बेहतर विश्वसनीयता और अधिक सुसंगत उपकरण प्रदर्शन को सक्षम बनाता है।

इसके विपरीत, समतल नीलमणि सब्सट्रेट अपनी निर्माण क्षमता और कम लागत के कारण आकर्षक बने हुए हैं, लेकिन उनकी अंतर्निहित प्रकाशीय सीमाएँ अगली पीढ़ी के उच्च-दक्षता वाले एलईडी के लिए उनकी उपयुक्तता को सीमित करती हैं। एलईडी प्रौद्योगिकी के निरंतर विकास के साथ, पीएसएस इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे सामग्री इंजीनियरिंग सीधे सिस्टम-स्तर के प्रदर्शन में सुधार ला सकती है।