GaN-આધારિત પ્રકાશ-ઉત્સર્જન કરતા ડાયોડ્સ (LEDs) માં, એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ તકનીકો અને ઉપકરણ સ્થાપત્યમાં સતત પ્રગતિએ આંતરિક ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા (IQE) ને તેની સૈદ્ધાંતિક મહત્તમતા સુધી વધુને વધુ નજીક લાવી છે. આ પ્રગતિઓ છતાં, LEDs નું એકંદર તેજસ્વી પ્રદર્શન પ્રકાશ નિષ્કર્ષણ કાર્યક્ષમતા (LEE) દ્વારા મૂળભૂત રીતે મર્યાદિત રહે છે. GaN એપિટેક્સિ માટે નીલમ મુખ્ય સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી તરીકે ચાલુ રહે છે, તેથી તેની સપાટીનું આકારશાસ્ત્ર ઉપકરણમાં ઓપ્ટિકલ નુકસાનને નિયંત્રિત કરવામાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે.

આ લેખ ફ્લેટ નીલમ સબસ્ટ્રેટ અને પેટર્નવાળા વચ્ચે વ્યાપક સરખામણી રજૂ કરે છેનીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ (PSS). તે ઓપ્ટિકલ અને ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક મિકેનિઝમ્સને સ્પષ્ટ કરે છે જેના દ્વારા PSS પ્રકાશ નિષ્કર્ષણ કાર્યક્ષમતામાં વધારો કરે છે અને સમજાવે છે કે શા માટે PSS ઉચ્ચ-પ્રદર્શન LED ઉત્પાદનમાં વાસ્તવિક ધોરણ બની ગયું છે.

૧. મૂળભૂત અવરોધ તરીકે પ્રકાશ નિષ્કર્ષણ કાર્યક્ષમતા

LED ની બાહ્ય ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા (EQE) બે પ્રાથમિક પરિબળોના ગુણાંક દ્વારા નક્કી થાય છે:

$EQE=IQE\times LEE\backslash ટેક્સ્ટ\{EQE\}\; =\; \backslash ટેક્સ્ટ\{IQE\}\; \backslash વખત\; \backslash ટેક્સ્ટ\{LEE\}$

EQE=IQE×LEE

જ્યારે IQE સક્રિય પ્રદેશમાં કિરણોત્સર્ગી પુનઃસંયોજનની કાર્યક્ષમતાનું પ્રમાણ નક્કી કરે છે, ત્યારે LEE ઉપકરણમાંથી સફળતાપૂર્વક બહાર નીકળેલા જનરેટ થયેલા ફોટોનના અપૂર્ણાંકનું વર્ણન કરે છે.

નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવતા GaN-આધારિત LED માટે, પરંપરાગત ડિઝાઇનમાં LEE સામાન્ય રીતે આશરે 30-40% સુધી મર્યાદિત હોય છે. આ મર્યાદા મુખ્યત્વે આનાથી ઉદ્ભવે છે:

• GaN (n ≈ 2.4), નીલમ (n ≈ 1.7), અને હવા (n ≈ 1.0) વચ્ચે ગંભીર રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ મેળ ખાતો નથી.

• પ્લેનર ઇન્ટરફેસ પર મજબૂત કુલ આંતરિક પ્રતિબિંબ (TIR)

• એપિટેક્સિયલ સ્તરો અને સબસ્ટ્રેટમાં ફોટોન ફસાઈ જવું

પરિણામે, ઉત્પન્ન થયેલા ફોટોનનો નોંધપાત્ર ભાગ બહુવિધ આંતરિક પ્રતિબિંબમાંથી પસાર થાય છે અને આખરે ઉપયોગી પ્રકાશ આઉટપુટમાં ફાળો આપવાને બદલે સામગ્રી દ્વારા શોષાય છે અથવા ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે.

2. ફ્લેટ સેફાયર સબસ્ટ્રેટ્સ: ઓપ્ટિકલ મર્યાદાઓ સાથે માળખાકીય સરળતા

૨.૧ માળખાકીય લાક્ષણિકતાઓ

ફ્લેટ નીલમ સબસ્ટ્રેટ સામાન્ય રીતે સરળ, સમતલ સપાટી સાથે સી-પ્લેન (0001) ઓરિએન્ટેશનનો ઉપયોગ કરે છે. તેમને વ્યાપકપણે અપનાવવામાં આવ્યા છે કારણ કે:

• ઉચ્ચ સ્ફટિકીય ગુણવત્તા

• ઉત્તમ થર્મલ અને રાસાયણિક સ્થિરતા

• પરિપક્વ અને ખર્ચ-અસરકારક ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ

૨.૨ ઓપ્ટિકલ બિહેવિયર

ઓપ્ટિકલ દૃષ્ટિકોણથી, પ્લેનર ઇન્ટરફેસ ખૂબ જ દિશાત્મક અને અનુમાનિત ફોટોન પ્રચાર માર્ગો તરફ દોરી જાય છે. જ્યારે GaN સક્રિય પ્રદેશમાં ઉત્પન્ન થતા ફોટોન નિર્ણાયક કોણ કરતાં વધુ ઘટના ખૂણા પર GaN-એર અથવા GaN-નીલમ ઇન્ટરફેસ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે કુલ આંતરિક પ્રતિબિંબ થાય છે.

આના પરિણામે:

• ઉપકરણની અંદર મજબૂત ફોટોન કેદ

• મેટલ ઇલેક્ટ્રોડ્સ અને ખામીયુક્ત સ્થિતિઓ દ્વારા શોષણમાં વધારો

• ઉત્સર્જિત પ્રકાશનું પ્રતિબંધિત કોણીય વિતરણ

સારમાં, ફ્લેટ નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ ઓપ્ટિકલ કેદને દૂર કરવામાં બહુ ઓછી મદદ કરે છે.

૩. પેટર્નવાળા નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ: ખ્યાલ અને માળખાકીય ડિઝાઇન

ફોટોલિથોગ્રાફી અને એચિંગ તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને નીલમની સપાટી પર સામયિક અથવા અર્ધ-સામયિક સૂક્ષ્મ- અથવા નેનોસ્કેલ રચનાઓ દાખલ કરીને પેટર્નવાળી નીલમ સબસ્ટ્રેટ (PSS) બનાવવામાં આવે છે.

સામાન્ય PSS ભૂમિતિઓમાં શામેલ છે:

• શંકુ આકારની રચનાઓ

• અર્ધગોળાકાર ગુંબજ

• પિરામિડલ લક્ષણો

• નળાકાર અથવા કાપેલા શંકુ આકાર

લાક્ષણિક લાક્ષણિકતા પરિમાણો સબ-માઇક્રોમીટરથી લઈને કેટલાક માઇક્રોમીટર સુધીના હોય છે, જેમાં કાળજીપૂર્વક નિયંત્રિત ઊંચાઈ, પિચ અને ડ્યુટી ચક્ર હોય છે.

4. PSS માં પ્રકાશ નિષ્કર્ષણ વધારવાની પદ્ધતિઓ

૪.૧ કુલ આંતરિક પ્રતિબિંબનું દમન

PSS ની ત્રિ-પરિમાણીય ટોપોગ્રાફી મટીરીયલ ઇન્ટરફેસ પર સ્થાનિક ઘટના ખૂણાઓને સુધારે છે. જે ફોટોન અન્યથા સપાટ સીમા પર સંપૂર્ણ આંતરિક પ્રતિબિંબ અનુભવતા હતા તેમને એસ્કેપ શંકુની અંદરના ખૂણાઓમાં રીડાયરેક્ટ કરવામાં આવે છે, જે ઉપકરણમાંથી બહાર નીકળવાની તેમની સંભાવનાને નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે.

૪.૨ ઉન્નત ઓપ્ટિકલ સ્કેટરિંગ અને પાથ રેન્ડમાઇઝેશન

PSS માળખાં બહુવિધ વક્રીભવન અને પ્રતિબિંબ ઘટનાઓ રજૂ કરે છે, જેના કારણે:

• ફોટોન પ્રસાર દિશાઓનું રેન્ડમાઇઝેશન

• પ્રકાશ-નિષ્કર્ષણ ઇન્ટરફેસ સાથે વધેલી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા

• ઉપકરણમાં ફોટોન નિવાસ સમય ઘટાડ્યો

આંકડાકીય રીતે, આ અસરો શોષણ થાય તે પહેલાં ફોટોન નિષ્કર્ષણની સંભાવનાને વધારે છે.

૪.૩ અસરકારક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ગ્રેડિંગ

ઓપ્ટિકલ મોડેલિંગના દ્રષ્ટિકોણથી, PSS એક અસરકારક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ટ્રાન્ઝિશન લેયર તરીકે કાર્ય કરે છે. GaN થી હવામાં રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સના અચાનક ફેરફારને બદલે, પેટર્નવાળો પ્રદેશ ધીમે ધીમે રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ ભિન્નતા પ્રદાન કરે છે, જેનાથી ફ્રેસ્નેલ રિફ્લેક્શન લોસ ઓછો થાય છે.

આ મિકેનિઝમ કલ્પનાત્મક રીતે પ્રતિબિંબ વિરોધી કોટિંગ્સ જેવું જ છે, જોકે તે પાતળા-ફિલ્મ હસ્તક્ષેપને બદલે ભૌમિતિક ઓપ્ટિક્સ પર આધાર રાખે છે.

૪.૪ ઓપ્ટિકલ શોષણ નુકસાનમાં પરોક્ષ ઘટાડો

ફોટોન પાથ લંબાઈને ટૂંકી કરીને અને પુનરાવર્તિત આંતરિક પ્રતિબિંબને દબાવીને, PSS ઓપ્ટિકલ શોષણની સંભાવનાને આના દ્વારા ઘટાડે છે:

• ધાતુના સંપર્કો

• સ્ફટિક ખામી સ્થિતિઓ

• GaN માં મુક્ત-વાહક શોષણ

આ અસરો ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને સુધારેલ થર્મલ કામગીરી બંનેમાં ફાળો આપે છે.

5. વધારાના ફાયદા: ક્રિસ્ટલ ગુણવત્તામાં સુધારો

ઓપ્ટિકલ એન્હાન્સમેન્ટ ઉપરાંત, PSS લેટરલ એપિટેક્સિયલ ઓવરગ્રોથ (LEO) મિકેનિઝમ્સ દ્વારા એપિટેક્સિયલ સામગ્રીની ગુણવત્તામાં પણ સુધારો કરે છે:

• નીલમ-GaN ઇન્ટરફેસ પર ઉદ્ભવતા અવ્યવસ્થાઓને રીડાયરેક્ટ અથવા સમાપ્ત કરવામાં આવે છે.

• થ્રેડીંગ ડિસલોકેશન ઘનતા નોંધપાત્ર રીતે ઓછી થઈ છે

• સુધારેલ ક્રિસ્ટલ ગુણવત્તા ઉપકરણની વિશ્વસનીયતા અને કાર્યકારી જીવનકાળમાં વધારો કરે છે

આ બેવડા ઓપ્ટિકલ અને માળખાકીય લાભ PSS ને સંપૂર્ણપણે ઓપ્ટિકલ સપાટી-ટેક્ષ્ચરિંગ અભિગમોથી અલગ પાડે છે.

6. માત્રાત્મક સરખામણી: ફ્લેટ સેફાયર વિરુદ્ધ PSS

વાસ્તવિક કામગીરીમાં વધારો પેટર્ન ભૂમિતિ, ઉત્સર્જન તરંગલંબાઇ, ચિપ આર્કિટેક્ચર અને પેકેજિંગ વ્યૂહરચના પર આધાર રાખે છે.

૭. ટ્રેડ-ઓફ અને એન્જિનિયરિંગ વિચારણાઓ

તેના ફાયદા હોવા છતાં, PSS અનેક વ્યવહારુ પડકારો રજૂ કરે છે:

• વધારાના લિથોગ્રાફી અને એચિંગ સ્ટેપ્સ ફેબ્રિકેશન ખર્ચમાં વધારો કરે છે

• પેટર્ન એકરૂપતા અને કોતરણી ઊંડાઈ માટે ચોક્કસ નિયંત્રણની જરૂર છે

• નબળી રીતે ઑપ્ટિમાઇઝ કરેલ પેટર્ન એપિટેક્સિયલ એકરૂપતાને પ્રતિકૂળ અસર કરી શકે છે

તેથી, PSS ઑપ્ટિમાઇઝેશન એ સ્વાભાવિક રીતે એક બહુ-શાખાકીય કાર્ય છે જેમાં ઓપ્ટિકલ સિમ્યુલેશન, એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ એન્જિનિયરિંગ અને ડિવાઇસ ડિઝાઇનનો સમાવેશ થાય છે.

૮. ઉદ્યોગ પરિપ્રેક્ષ્ય અને ભવિષ્યનો અંદાજ

આધુનિક LED ઉત્પાદનમાં, PSS ને હવે વૈકલ્પિક ઉન્નતીકરણ તરીકે ગણવામાં આવતું નથી. મધ્યમ અને ઉચ્ચ-શક્તિવાળા LED એપ્લિકેશનોમાં - જેમાં સામાન્ય પ્રકાશ, ઓટોમોટિવ લાઇટિંગ અને ડિસ્પ્લે બેકલાઇટિંગનો સમાવેશ થાય છે - તે એક મૂળભૂત તકનીક બની ગઈ છે.

ભવિષ્યના સંશોધન અને વિકાસ વલણોમાં શામેલ છે:

• મીની-એલઇડી અને માઇક્રો-એલઇડી એપ્લિકેશનો માટે તૈયાર કરાયેલ અદ્યતન PSS ડિઝાઇન

• ફોટોનિક સ્ફટિકો અથવા નેનોસ્કેલ સપાટી ટેક્સચરિંગ સાથે PSS ને જોડતા હાઇબ્રિડ અભિગમો

• ખર્ચ ઘટાડા અને સ્કેલેબલ પેટર્નિંગ ટેકનોલોજી તરફ સતત પ્રયાસો

નિષ્કર્ષ

પેટર્નવાળા નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ LED ઉપકરણોમાં નિષ્ક્રિય યાંત્રિક સપોર્ટથી કાર્યાત્મક ઓપ્ટિકલ અને માળખાકીય ઘટકોમાં મૂળભૂત સંક્રમણનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. તેમના મૂળમાં પ્રકાશ નિષ્કર્ષણના નુકસાનને સંબોધિત કરીને - એટલે કે ઓપ્ટિકલ કન્ફાઇનમેન્ટ અને ઇન્ટરફેસ પ્રતિબિંબ - PSS ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા, સુધારેલ વિશ્વસનીયતા અને વધુ સુસંગત ઉપકરણ પ્રદર્શનને સક્ષમ કરે છે.

તેનાથી વિપરીત, જ્યારે ફ્લેટ નીલમ સબસ્ટ્રેટ તેમની ઉત્પાદનક્ષમતા અને ઓછી કિંમતને કારણે આકર્ષક રહે છે, ત્યારે તેમની અંતર્ગત ઓપ્ટિકલ મર્યાદાઓ આગામી પેઢીના ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતાવાળા LED માટે તેમની યોગ્યતાને મર્યાદિત કરે છે. જેમ જેમ LED ટેકનોલોજીનો વિકાસ ચાલુ રહે છે, તેમ તેમ PSS એ સ્પષ્ટ ઉદાહરણ તરીકે ઉભું છે કે મટીરીયલ એન્જિનિયરિંગ સિસ્ટમ-સ્તરના પ્રદર્શન લાભોમાં કેવી રીતે સીધું ભાષાંતર કરી શકે છે.