GaN आधारित प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) में, उपमहाक्षीय विकास और उपकरण डिजाइन में निरंतर प्रगति ने आंतरिक क्वांटम दक्षता (IQE) को अपनी सैद्धांतिक सीमा के करीब धकेल दिया है।एलईडी की समग्र प्रकाश दक्षता प्रकाश निष्कर्षण दक्षता (एलईई) द्वारा मौलिक रूप से सीमित हैचूंकि नीलम GaN उपमा के लिए प्रमुख सब्सट्रेट सामग्री बनी हुई है, इसलिए इसकी सतह संरचना ऑप्टिकल हानि को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।यह लेख फ्लैट के बीच एक गहन तुलना प्रदान करता हैनीलमणि के सब्सट्रेटऔर पैटर्न वाले नीलमणि सब्सट्रेट (पीएसएस), यह समझाते हुए कि कैसे पीएसएस अच्छी तरह से स्थापित ऑप्टिकल और क्रिस्टलोग्राफिक तंत्रों के माध्यम से प्रकाश निष्कर्षण दक्षता में सुधार करता है,और क्यों यह उच्च प्रदर्शन एलईडी विनिर्माण में एक वास्तविक मानक बन गया है.
एलईडी की कुल बाहरी क्वांटम दक्षता (ईक्यूई) दो प्रमुख कारकों के उत्पाद द्वारा शासित होती हैः
EQE=IQE×LEE
जबकि IQE यह दर्शाता है कि इलेक्ट्रॉन और छेद सक्रिय क्षेत्र के अंदर फोटॉन उत्पन्न करने के लिए कितनी कुशलता से पुनः संयोजन करते हैं, LEE वर्णन करता है कि वे फोटॉन डिवाइस से कितनी प्रभावी ढंग से बचते हैं।
गैएन आधारित एलईडी में, एलईडी आमतौर पर पारंपरिक डिजाइनों में 30-40% तक सीमित होती है। मुख्य कारणों में शामिल हैंः
गा एन (एन ≈ 2.4), नीलम (एन ≈ 1.7) और हवा (एन ≈ 1.0) के बीच गंभीर अपवर्तक सूचकांक असंगतता
समतल इंटरफेस पर कुल आंतरिक प्रतिबिंब (टीआईआर)
एपिटाक्सियल परतों और सब्सट्रेट के भीतर फोटॉन कैप्चर
नतीजतन, उत्पन्न फोटॉन का एक बड़ा अंश कई प्रतिबिंबों से गुजरता है और अंततः उपयोगी प्रकाश के बजाय गर्मी में अवशोषित या परिवर्तित हो जाता है।
फ्लैट नीलम के सब्सट्रेट में एक चिकनी, सपाट सतह होती है, आमतौर पर सी-प्लेन (0001) अभिविन्यास के साथ।
उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता
उत्कृष्ट थर्मल और रासायनिक स्थिरता
परिपक्व, लागत प्रभावी विनिर्माण प्रक्रियाएं
ऑप्टिकल दृष्टिकोण से, फ्लैट इंटरफेस पूर्वानुमानित और अत्यधिक दिशात्मक फोटॉन प्रसार पथ पेश करते हैं।जब GaN सक्रिय क्षेत्र में उत्पन्न फोटॉन महत्वपूर्ण कोण से अधिक कोणों पर GaN/air या GaN/sapphire इंटरफेस तक पहुंचते हैं, कुल आंतरिक प्रतिबिंब होता है।
इसके परिणामों में निम्नलिखित शामिल हैंः
उपकरण के भीतर फोटॉन की कैद
इलेक्ट्रोड और दोषों द्वारा अवशोषण में वृद्धि
उत्सर्जित प्रकाश का सीमित कोणीय वितरण
असल में, सपाईर के सपाट सब्सट्रेट ऑप्टिकल कैद को दूर करने में न्यूनतम सहायता प्रदान करते हैं।
एक पैटर्नित नीलम सब्सट्रेट (पीएसएस) को फोटोलिथोग्राफी और उत्कीर्णन प्रक्रियाओं के माध्यम से नीलम की सतह पर आवधिक या अर्ध आवधिक सूक्ष्म या नैनो-स्केल संरचनाओं को पेश करके बनाया जाता है।
सामान्य पीएसएस ज्यामिति में शामिल हैंः
शंकुयुक्त संरचनाएं
गोलार्धीय गुंबद
पिरामिड
बेलनाकार या काटे हुए शंकु
विशिष्ट विशेषता आकार उप-माइक्रोन से लेकर कई माइक्रोमीटर तक होते हैं, सावधानीपूर्वक नियंत्रित ऊंचाई, पिच और ड्यूटी चक्र के साथ।
पीएसएस की त्रि-आयामी टोपोलॉजी इंटरफेस पर स्थानीय घटना कोण को बदलती है।फ़ोटोन जो अन्यथा एक सपाट सीमा पर पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब से गुजरते हैं, उन्हें बचने के शंकु के भीतर कोणों में पुनर्निर्देशित किया जाता है.
इससे प्रकाशकों के उपकरण से बाहर निकलने की संभावना काफी बढ़ जाती है।
पीएसएस संरचनाएं कई अपवर्तन और प्रतिबिंब घटनाओं को पेश करती हैं, जिसके परिणामस्वरूपः
फोटॉन के प्रक्षेपवक्रों का दिशात्मक यादृच्छिकरण
एस्केप इंटरफेस के साथ अधिक बातचीत
उपकरण के अंदर फोटॉन के निवास का समय कम
सांख्यिकीय रूप से, यह अवशोषण होने से पहले फोटॉन निष्कर्षण की संभावना में सुधार करता है।
ऑप्टिकल मॉडलिंग के दृष्टिकोण से, पीएसएस एक प्रभावी अपवर्तन सूचकांक संक्रमण परत के रूप में व्यवहार करता है।पैटर्न क्षेत्र एक क्रमिक अपवर्तन सूचकांक भिन्नता बनाता है, फ्रेनेल प्रतिबिंब हानि को कम करता है।
यह तंत्र प्रतिबिंब रोधी कोटिंग्स के समान है, लेकिन पतली फिल्म हस्तक्षेप के बजाय ज्यामितीय प्रकाशिकी के माध्यम से काम करता है।
फोटॉन पथ की लंबाई को छोटा करके और दोहराए गए प्रतिबिंबों को कम करके, पीएसएस अवशोषण की संभावना को निम्नानुसार कम करता हैः
धातु संपर्क
दोष की स्थिति
GaN में मुक्त वाहक अवशोषण
यह उच्च दक्षता और बेहतर थर्मल व्यवहार दोनों में योगदान देता है।
ऑप्टिक्स के अलावा, पीएसएस पार्श्व उपोक्षीय अतिवृद्धि (एलईओ) तंत्र के माध्यम से उपोक्षीय गुणवत्ता में भी सुधार करता हैः
नीलमणि-गाएन इंटरफेस से उत्पन्न विस्थापन को पुनर्निर्देशित या समाप्त किया जाता है
थ्रेडिंग विस्थापन घनत्व कम हो जाता है
बेहतर सामग्री की गुणवत्ता से उपकरण की विश्वसनीयता और जीवनकाल बढ़ता है
यह दोहरे लाभ ़ऑप्टिकल और संरचनात्मक ़ PSS को विशुद्ध रूप से ऑप्टिकल सतह उपचार से अलग करता है।
| पैरामीटर | फ्लैट सैफिर सब्सट्रेट | पैटर्न वाला नीलमदार सब्सट्रेट |
|---|---|---|
| सतह टोपोलॉजी | समतल | सूक्ष्म/नैनो-पैटर्न |
| प्रकाश फैलाव | न्यूनतम | मजबूत |
| कुल आंतरिक प्रतिबिंब | प्रमुख | काफी दमित |
| प्रकाश निष्कर्षण दक्षता | आधार रेखा | +20% से +40% (सामान्य) |
| विस्थापन घनत्व | उच्चतर | निचला |
| विनिर्माण जटिलता | कम | मध्यम |
| लागत | निचला | उच्चतर |
वास्तविक प्रदर्शन लाभ पैटर्न ज्यामिति, तरंग दैर्ध्य, चिप डिजाइन और पैकेजिंग पर निर्भर करता है।
अपने फायदे के बावजूद, पीएसएस व्यावहारिक चुनौतियों का परिचय देता हैः
अतिरिक्त लिथोग्राफी और उत्कीर्णन चरण लागत में वृद्धि करते हैं
पैटर्न की एकरूपता और उत्कीर्णन की गहराई को सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए
अपर्याप्त पैटर्न डिजाइन नकारात्मक रूप से epitaxial एकरूपता को प्रभावित कर सकते हैं
इसलिए, पीएसएस अनुकूलन एक बहु-विषयक कार्य है जिसमें ऑप्टिकल मॉडलिंग, एपिटेक्सियल वृद्धि और डिवाइस इंजीनियरिंग शामिल है।
आज, पीएसएस को अब एक वैकल्पिक वृद्धि नहीं माना जाता है। मध्यम और उच्च शक्ति वाले एलईडी अनुप्रयोगों में, सामान्य प्रकाश व्यवस्था, ऑटोमोबाइल प्रकाश व्यवस्था सहित,और डिस्प्ले बैकलाइटिंग यह एक बेसलाइन तकनीक बन गई है.
आगे की ओर देख रहा हूँ:
मिनी एलईडी और माइक्रो एलईडी के लिए उन्नत पीएसएस डिजाइनों की खोज की जा रही है।
पीएसएस को फोटोनिक क्रिस्टल या नैनो-टेक्सचरिंग के साथ जोड़ने वाले हाइब्रिड दृष्टिकोणों की जांच की जा रही है
लागत में कमी और पैटर्न स्केलेबिलिटी उद्योग के प्रमुख लक्ष्य बने हुए हैं
पैटर्न वाले सफीर सब्सट्रेट एलईडी उपकरणों में निष्क्रिय समर्थन सामग्री से कार्यात्मक ऑप्टिकल और संरचनात्मक घटकों में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करते हैं।प्रकाश निष्कर्षण के नुकसान को उनके मूल में दूर करके, ऑप्टिकल कैप्चर और इंटरफेस रिफ्लेक्शन के माध्यम से, पीएसएस उच्च दक्षता को सक्षम करता है।, बेहतर विश्वसनीयता, और बेहतर प्रदर्शन स्थिरता।
इसके विपरीत, सपाईर के सपाट सब्सट्रेट, जबकि विनिर्माण योग्य और किफायती हैं, अगली पीढ़ी के उच्च दक्षता वाले एलईडी का समर्थन करने की उनकी क्षमता स्वाभाविक रूप से सीमित है।जैसे-जैसे एलईडी तकनीक विकसित होती जाती है, पीएसएस इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे सामग्री इंजीनियरिंग सीधे सिस्टम स्तर पर प्रदर्शन लाभ में तब्दील होती है।
GaN आधारित प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) में, उपमहाक्षीय विकास और उपकरण डिजाइन में निरंतर प्रगति ने आंतरिक क्वांटम दक्षता (IQE) को अपनी सैद्धांतिक सीमा के करीब धकेल दिया है।एलईडी की समग्र प्रकाश दक्षता प्रकाश निष्कर्षण दक्षता (एलईई) द्वारा मौलिक रूप से सीमित हैचूंकि नीलम GaN उपमा के लिए प्रमुख सब्सट्रेट सामग्री बनी हुई है, इसलिए इसकी सतह संरचना ऑप्टिकल हानि को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।यह लेख फ्लैट के बीच एक गहन तुलना प्रदान करता हैनीलमणि के सब्सट्रेटऔर पैटर्न वाले नीलमणि सब्सट्रेट (पीएसएस), यह समझाते हुए कि कैसे पीएसएस अच्छी तरह से स्थापित ऑप्टिकल और क्रिस्टलोग्राफिक तंत्रों के माध्यम से प्रकाश निष्कर्षण दक्षता में सुधार करता है,और क्यों यह उच्च प्रदर्शन एलईडी विनिर्माण में एक वास्तविक मानक बन गया है.
एलईडी की कुल बाहरी क्वांटम दक्षता (ईक्यूई) दो प्रमुख कारकों के उत्पाद द्वारा शासित होती हैः
EQE=IQE×LEE
जबकि IQE यह दर्शाता है कि इलेक्ट्रॉन और छेद सक्रिय क्षेत्र के अंदर फोटॉन उत्पन्न करने के लिए कितनी कुशलता से पुनः संयोजन करते हैं, LEE वर्णन करता है कि वे फोटॉन डिवाइस से कितनी प्रभावी ढंग से बचते हैं।
गैएन आधारित एलईडी में, एलईडी आमतौर पर पारंपरिक डिजाइनों में 30-40% तक सीमित होती है। मुख्य कारणों में शामिल हैंः
गा एन (एन ≈ 2.4), नीलम (एन ≈ 1.7) और हवा (एन ≈ 1.0) के बीच गंभीर अपवर्तक सूचकांक असंगतता
समतल इंटरफेस पर कुल आंतरिक प्रतिबिंब (टीआईआर)
एपिटाक्सियल परतों और सब्सट्रेट के भीतर फोटॉन कैप्चर
नतीजतन, उत्पन्न फोटॉन का एक बड़ा अंश कई प्रतिबिंबों से गुजरता है और अंततः उपयोगी प्रकाश के बजाय गर्मी में अवशोषित या परिवर्तित हो जाता है।
फ्लैट नीलम के सब्सट्रेट में एक चिकनी, सपाट सतह होती है, आमतौर पर सी-प्लेन (0001) अभिविन्यास के साथ।
उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता
उत्कृष्ट थर्मल और रासायनिक स्थिरता
परिपक्व, लागत प्रभावी विनिर्माण प्रक्रियाएं
ऑप्टिकल दृष्टिकोण से, फ्लैट इंटरफेस पूर्वानुमानित और अत्यधिक दिशात्मक फोटॉन प्रसार पथ पेश करते हैं।जब GaN सक्रिय क्षेत्र में उत्पन्न फोटॉन महत्वपूर्ण कोण से अधिक कोणों पर GaN/air या GaN/sapphire इंटरफेस तक पहुंचते हैं, कुल आंतरिक प्रतिबिंब होता है।
इसके परिणामों में निम्नलिखित शामिल हैंः
उपकरण के भीतर फोटॉन की कैद
इलेक्ट्रोड और दोषों द्वारा अवशोषण में वृद्धि
उत्सर्जित प्रकाश का सीमित कोणीय वितरण
असल में, सपाईर के सपाट सब्सट्रेट ऑप्टिकल कैद को दूर करने में न्यूनतम सहायता प्रदान करते हैं।
एक पैटर्नित नीलम सब्सट्रेट (पीएसएस) को फोटोलिथोग्राफी और उत्कीर्णन प्रक्रियाओं के माध्यम से नीलम की सतह पर आवधिक या अर्ध आवधिक सूक्ष्म या नैनो-स्केल संरचनाओं को पेश करके बनाया जाता है।
सामान्य पीएसएस ज्यामिति में शामिल हैंः
शंकुयुक्त संरचनाएं
गोलार्धीय गुंबद
पिरामिड
बेलनाकार या काटे हुए शंकु
विशिष्ट विशेषता आकार उप-माइक्रोन से लेकर कई माइक्रोमीटर तक होते हैं, सावधानीपूर्वक नियंत्रित ऊंचाई, पिच और ड्यूटी चक्र के साथ।
पीएसएस की त्रि-आयामी टोपोलॉजी इंटरफेस पर स्थानीय घटना कोण को बदलती है।फ़ोटोन जो अन्यथा एक सपाट सीमा पर पूर्ण आंतरिक प्रतिबिंब से गुजरते हैं, उन्हें बचने के शंकु के भीतर कोणों में पुनर्निर्देशित किया जाता है.
इससे प्रकाशकों के उपकरण से बाहर निकलने की संभावना काफी बढ़ जाती है।
पीएसएस संरचनाएं कई अपवर्तन और प्रतिबिंब घटनाओं को पेश करती हैं, जिसके परिणामस्वरूपः
फोटॉन के प्रक्षेपवक्रों का दिशात्मक यादृच्छिकरण
एस्केप इंटरफेस के साथ अधिक बातचीत
उपकरण के अंदर फोटॉन के निवास का समय कम
सांख्यिकीय रूप से, यह अवशोषण होने से पहले फोटॉन निष्कर्षण की संभावना में सुधार करता है।
ऑप्टिकल मॉडलिंग के दृष्टिकोण से, पीएसएस एक प्रभावी अपवर्तन सूचकांक संक्रमण परत के रूप में व्यवहार करता है।पैटर्न क्षेत्र एक क्रमिक अपवर्तन सूचकांक भिन्नता बनाता है, फ्रेनेल प्रतिबिंब हानि को कम करता है।
यह तंत्र प्रतिबिंब रोधी कोटिंग्स के समान है, लेकिन पतली फिल्म हस्तक्षेप के बजाय ज्यामितीय प्रकाशिकी के माध्यम से काम करता है।
फोटॉन पथ की लंबाई को छोटा करके और दोहराए गए प्रतिबिंबों को कम करके, पीएसएस अवशोषण की संभावना को निम्नानुसार कम करता हैः
धातु संपर्क
दोष की स्थिति
GaN में मुक्त वाहक अवशोषण
यह उच्च दक्षता और बेहतर थर्मल व्यवहार दोनों में योगदान देता है।
ऑप्टिक्स के अलावा, पीएसएस पार्श्व उपोक्षीय अतिवृद्धि (एलईओ) तंत्र के माध्यम से उपोक्षीय गुणवत्ता में भी सुधार करता हैः
नीलमणि-गाएन इंटरफेस से उत्पन्न विस्थापन को पुनर्निर्देशित या समाप्त किया जाता है
थ्रेडिंग विस्थापन घनत्व कम हो जाता है
बेहतर सामग्री की गुणवत्ता से उपकरण की विश्वसनीयता और जीवनकाल बढ़ता है
यह दोहरे लाभ ़ऑप्टिकल और संरचनात्मक ़ PSS को विशुद्ध रूप से ऑप्टिकल सतह उपचार से अलग करता है।
| पैरामीटर | फ्लैट सैफिर सब्सट्रेट | पैटर्न वाला नीलमदार सब्सट्रेट |
|---|---|---|
| सतह टोपोलॉजी | समतल | सूक्ष्म/नैनो-पैटर्न |
| प्रकाश फैलाव | न्यूनतम | मजबूत |
| कुल आंतरिक प्रतिबिंब | प्रमुख | काफी दमित |
| प्रकाश निष्कर्षण दक्षता | आधार रेखा | +20% से +40% (सामान्य) |
| विस्थापन घनत्व | उच्चतर | निचला |
| विनिर्माण जटिलता | कम | मध्यम |
| लागत | निचला | उच्चतर |
वास्तविक प्रदर्शन लाभ पैटर्न ज्यामिति, तरंग दैर्ध्य, चिप डिजाइन और पैकेजिंग पर निर्भर करता है।
अपने फायदे के बावजूद, पीएसएस व्यावहारिक चुनौतियों का परिचय देता हैः
अतिरिक्त लिथोग्राफी और उत्कीर्णन चरण लागत में वृद्धि करते हैं
पैटर्न की एकरूपता और उत्कीर्णन की गहराई को सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए
अपर्याप्त पैटर्न डिजाइन नकारात्मक रूप से epitaxial एकरूपता को प्रभावित कर सकते हैं
इसलिए, पीएसएस अनुकूलन एक बहु-विषयक कार्य है जिसमें ऑप्टिकल मॉडलिंग, एपिटेक्सियल वृद्धि और डिवाइस इंजीनियरिंग शामिल है।
आज, पीएसएस को अब एक वैकल्पिक वृद्धि नहीं माना जाता है। मध्यम और उच्च शक्ति वाले एलईडी अनुप्रयोगों में, सामान्य प्रकाश व्यवस्था, ऑटोमोबाइल प्रकाश व्यवस्था सहित,और डिस्प्ले बैकलाइटिंग यह एक बेसलाइन तकनीक बन गई है.
आगे की ओर देख रहा हूँ:
मिनी एलईडी और माइक्रो एलईडी के लिए उन्नत पीएसएस डिजाइनों की खोज की जा रही है।
पीएसएस को फोटोनिक क्रिस्टल या नैनो-टेक्सचरिंग के साथ जोड़ने वाले हाइब्रिड दृष्टिकोणों की जांच की जा रही है
लागत में कमी और पैटर्न स्केलेबिलिटी उद्योग के प्रमुख लक्ष्य बने हुए हैं
पैटर्न वाले सफीर सब्सट्रेट एलईडी उपकरणों में निष्क्रिय समर्थन सामग्री से कार्यात्मक ऑप्टिकल और संरचनात्मक घटकों में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करते हैं।प्रकाश निष्कर्षण के नुकसान को उनके मूल में दूर करके, ऑप्टिकल कैप्चर और इंटरफेस रिफ्लेक्शन के माध्यम से, पीएसएस उच्च दक्षता को सक्षम करता है।, बेहतर विश्वसनीयता, और बेहतर प्रदर्शन स्थिरता।
इसके विपरीत, सपाईर के सपाट सब्सट्रेट, जबकि विनिर्माण योग्य और किफायती हैं, अगली पीढ़ी के उच्च दक्षता वाले एलईडी का समर्थन करने की उनकी क्षमता स्वाभाविक रूप से सीमित है।जैसे-जैसे एलईडी तकनीक विकसित होती जाती है, पीएसएस इस बात का स्पष्ट उदाहरण है कि कैसे सामग्री इंजीनियरिंग सीधे सिस्टम स्तर पर प्रदर्शन लाभ में तब्दील होती है।
