GaN-അധിഷ്ഠിത പ്രകാശ-ഉൽസർജ്ജന ഡയോഡുകളിൽ (LED-കൾ), എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചാ സാങ്കേതിക വിദ്യകളിലും ഉപകരണ വാസ്തുവിദ്യയിലുമുള്ള തുടർച്ചയായ പുരോഗതി ആന്തരിക ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമതയെ (IQE) അതിന്റെ സൈദ്ധാന്തിക പരമാവധിയിലേക്ക് അടുപ്പിച്ചു. ഈ പുരോഗതികൾ ഉണ്ടായിരുന്നിട്ടും, LED-കളുടെ മൊത്തത്തിലുള്ള പ്രകാശ പ്രകടനം പ്രകാശ വേർതിരിച്ചെടുക്കൽ കാര്യക്ഷമത (LEE) വഴി അടിസ്ഥാനപരമായി പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് പ്രധാന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലായി നീലക്കല്ല് തുടരുന്നതിനാൽ, ഉപകരണത്തിനുള്ളിലെ ഒപ്റ്റിക്കൽ നഷ്ടങ്ങൾ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിൽ അതിന്റെ ഉപരിതല രൂപഘടന നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു.

പരന്ന നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളും പാറ്റേൺ ചെയ്ത നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളും തമ്മിലുള്ള സമഗ്രമായ താരതമ്യം ഈ ലേഖനം അവതരിപ്പിക്കുന്നു.നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ (PSS). പ്രകാശസമാഹരണ കാര്യക്ഷമത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിന് പി‌എസ്‌എസ് ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒപ്റ്റിക്കൽ, ക്രിസ്റ്റലോഗ്രാഫിക് സംവിധാനങ്ങൾ ഇത് വിശദീകരിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഉയർന്ന പ്രകടനമുള്ള എൽഇഡി നിർമ്മാണത്തിൽ പി‌എസ്‌എസ് ഒരു യഥാർത്ഥ മാനദണ്ഡമായി മാറിയതിന്റെ കാരണവും ഇത് വിശദീകരിക്കുന്നു.

1. ഒരു അടിസ്ഥാന തടസ്സമായി പ്രകാശ വേർതിരിച്ചെടുക്കൽ കാര്യക്ഷമത

ഒരു എൽഇഡിയുടെ ബാഹ്യ ക്വാണ്ടം കാര്യക്ഷമത (EQE) നിർണ്ണയിക്കുന്നത് രണ്ട് പ്രാഥമിക ഘടകങ്ങളുടെ ഉൽപ്പന്നമാണ്:

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

EQE=IQE×LEE

സജീവ മേഖലയ്ക്കുള്ളിലെ വികിരണ പുനഃസംയോജനത്തിന്റെ കാര്യക്ഷമത IQE കണക്കാക്കുമ്പോൾ, ഉപകരണത്തിൽ നിന്ന് വിജയകരമായി രക്ഷപ്പെടുന്ന ജനറേറ്റഡ് ഫോട്ടോണുകളുടെ അംശത്തെ LEE വിവരിക്കുന്നു.

നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളർത്തുന്ന GaN-അധിഷ്ഠിത LED-കൾക്ക്, പരമ്പരാഗത ഡിസൈനുകളിലെ LEE സാധാരണയായി ഏകദേശം 30–40% ആയി പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു. ഈ പരിമിതി പ്രധാനമായും ഇതിൽ നിന്നാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്:

• GaN (n ≈ 2.4), സഫയർ (n ≈ 1.7), വായു (n ≈ 1.0) എന്നിവയ്ക്കിടയിലുള്ള കടുത്ത റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക പൊരുത്തക്കേട്.

• പ്ലാനർ ഇന്റർഫേസുകളിൽ ശക്തമായ പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം (TIR)

• എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികളിലും അടിവസ്ത്രത്തിലും ഫോട്ടോൺ ട്രാപ്പിംഗ്

തൽഫലമായി, ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണുകളുടെ ഒരു പ്രധാന ഭാഗം ഒന്നിലധികം ആന്തരിക പ്രതിഫലനങ്ങൾക്ക് വിധേയമാവുകയും ഉപയോഗപ്രദമായ പ്രകാശ ഉൽ‌പാദനത്തിന് സംഭാവന ചെയ്യുന്നതിനുപകരം ആത്യന്തികമായി മെറ്റീരിയൽ ആഗിരണം ചെയ്യുകയോ താപമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യുകയോ ചെയ്യുന്നു.

2. ഫ്ലാറ്റ് സഫയർ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ: ഒപ്റ്റിക്കൽ നിയന്ത്രണങ്ങളോടുകൂടിയ ഘടനാപരമായ ലാളിത്യം

2.1 ഘടനാപരമായ സവിശേഷതകൾ

പരന്ന നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ സാധാരണയായി മിനുസമാർന്നതും സമതലവുമായ പ്രതലത്തോടുകൂടിയ ഒരു സി-പ്ലെയിൻ (0001) ഓറിയന്റേഷൻ ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഇവ വ്യാപകമായി സ്വീകരിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് ഇനിപ്പറയുന്ന കാരണങ്ങളാലാണ്:

• ഉയർന്ന ക്രിസ്റ്റലിൻ ഗുണമേന്മ

• മികച്ച താപ, രാസ സ്ഥിരത

• പക്വവും ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമായ നിർമ്മാണ പ്രക്രിയകൾ

2.2 ഒപ്റ്റിക്കൽ സ്വഭാവം

ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ കാഴ്ചപ്പാടിൽ, പ്ലാനർ ഇന്റർഫേസുകൾ വളരെ ദിശാസൂചനയുള്ളതും പ്രവചിക്കാവുന്നതുമായ ഫോട്ടോൺ പ്രചാരണ പാതകളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു. GaN സജീവ മേഖലയിൽ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണുകൾ ക്രിട്ടിക്കൽ കോണിനേക്കാൾ കൂടുതലുള്ള സംഭവ കോണുകളിൽ GaN–എയർ അല്ലെങ്കിൽ GaN–സഫയർ ഇന്റർഫേസിൽ എത്തുമ്പോൾ, പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം സംഭവിക്കുന്നു.

ഇതിന്റെ ഫലമായി:

• ഉപകരണത്തിനുള്ളിൽ ശക്തമായ ഫോട്ടോൺ നിയന്ത്രണങ്ങൾ

• ലോഹ ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ ആഗിരണം വർദ്ധിക്കുകയും വൈകല്യ അവസ്ഥകൾ വർദ്ധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

• പുറത്തുവിടുന്ന പ്രകാശത്തിന്റെ പരിമിതമായ കോണീയ വിതരണം

സാരാംശത്തിൽ, പരന്ന നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ ഒപ്റ്റിക്കൽ ബന്ധനത്തെ മറികടക്കുന്നതിന് കാര്യമായ സഹായം നൽകുന്നില്ല.

3. പാറ്റേൺ ചെയ്ത സഫയർ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ: ആശയവും ഘടനാ രൂപകൽപ്പനയും

ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി, എച്ചിംഗ് ടെക്നിക്കുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നീലക്കല്ലിന്റെ പ്രതലത്തിൽ ആനുകാലികമോ അർദ്ധ-ആവർത്തനമോ ആയ മൈക്രോ- അല്ലെങ്കിൽ നാനോസ്കെയിൽ ഘടനകൾ അവതരിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് ഒരു പാറ്റേൺ ചെയ്ത നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രം (PSS) രൂപപ്പെടുന്നു.

സാധാരണ PSS ജ്യാമിതികളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• കോണാകൃതിയിലുള്ള ഘടനകൾ

• അർദ്ധഗോളാകൃതിയിലുള്ള താഴികക്കുടങ്ങൾ

• പിരമിഡൽ സവിശേഷതകൾ

• സിലിണ്ടർ അല്ലെങ്കിൽ വെട്ടിച്ചുരുക്കിയ കോൺ ആകൃതികൾ

സാധാരണ സവിശേഷത അളവുകൾ സബ്-മൈക്രോമീറ്റർ മുതൽ നിരവധി മൈക്രോമീറ്റർ വരെ വ്യത്യാസപ്പെടുന്നു, ഉയരം, പിച്ച്, ഡ്യൂട്ടി സൈക്കിൾ എന്നിവ ശ്രദ്ധാപൂർവ്വം നിയന്ത്രിക്കപ്പെടുന്നു.

4. പി‌എസ്‌എസിൽ പ്രകാശ സന്തുലന മെച്ചപ്പെടുത്തലിന്റെ സംവിധാനങ്ങൾ

4.1 പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനത്തിന്റെ അടിച്ചമർത്തൽ

PSS ന്റെ ത്രിമാന ഭൂപ്രകൃതി മെറ്റീരിയൽ ഇന്റർഫേസുകളിലെ സംഭവങ്ങളുടെ പ്രാദേശിക കോണുകളെ പരിഷ്കരിക്കുന്നു. അല്ലാത്തപക്ഷം ഒരു പരന്ന അതിർത്തിയിൽ പൂർണ്ണ ആന്തരിക പ്രതിഫലനം അനുഭവപ്പെടുന്ന ഫോട്ടോണുകളെ എസ്കേപ്പ് കോണിനുള്ളിലെ കോണുകളിലേക്ക് റീഡയറക്‌ട് ചെയ്യുന്നു, ഇത് ഉപകരണത്തിൽ നിന്ന് പുറത്തുകടക്കാനുള്ള സാധ്യത ഗണ്യമായി വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

4.2 മെച്ചപ്പെടുത്തിയ ഒപ്റ്റിക്കൽ സ്‌കാറ്ററിംഗും പാത്ത് റാൻഡമൈസേഷനും

പി‌എസ്‌എസ് ഘടനകൾ ഒന്നിലധികം അപവർത്തന, പ്രതിഫലന സംഭവങ്ങൾ അവതരിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ഇനിപ്പറയുന്നതിലേക്ക് നയിക്കുന്നു:

• ഫോട്ടോൺ പ്രചാരണ ദിശകളുടെ ക്രമരഹിതവൽക്കരണം

• പ്രകാശ-സഞ്ചയ ഇന്റർഫേസുകളുമായുള്ള വർദ്ധിച്ച ഇടപെടൽ

• ഉപകരണത്തിനുള്ളിൽ ഫോട്ടോൺ താമസ സമയം കുറച്ചു.

സ്ഥിതിവിവരക്കണക്കുകൾ പ്രകാരം, ഈ ഫലങ്ങൾ ആഗിരണം സംഭവിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് ഫോട്ടോൺ വേർതിരിച്ചെടുക്കാനുള്ള സാധ്യത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

4.3 ഫലപ്രദമായ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക ഗ്രേഡിംഗ്

ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡലിംഗ് വീക്ഷണകോണിൽ, PSS ഒരു ഫലപ്രദമായ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക സംക്രമണ പാളിയായി പ്രവർത്തിക്കുന്നു. GaN-ൽ നിന്ന് വായുവിലേക്കുള്ള പെട്ടെന്നുള്ള റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക മാറ്റത്തിന് പകരം, പാറ്റേൺ ചെയ്ത ഭാഗം ക്രമേണ റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക വ്യതിയാനം നൽകുന്നു, അതുവഴി ഫ്രെസ്നെൽ പ്രതിഫലന നഷ്ടം കുറയ്ക്കുന്നു.

ഈ സംവിധാനം ആശയപരമായി പ്രതിപ്രതിഫലന വിരുദ്ധ കോട്ടിംഗുകളുമായി സാമ്യമുള്ളതാണ്, എന്നിരുന്നാലും ഇത് നേർത്ത-ഫിലിം ഇടപെടലിനെക്കാൾ ജ്യാമിതീയ ഒപ്റ്റിക്സിനെയാണ് ആശ്രയിക്കുന്നത്.

4.4 ഒപ്റ്റിക്കൽ അബ്സോർപ്ഷൻ നഷ്ടങ്ങളുടെ പരോക്ഷ കുറവ്

ഫോട്ടോൺ പാതയുടെ ദൈർഘ്യം കുറയ്ക്കുന്നതിലൂടെയും ആവർത്തിച്ചുള്ള ആന്തരിക പ്രതിഫലനങ്ങളെ അടിച്ചമർത്തുന്നതിലൂടെയും, പി‌എസ്‌എസ് ഒപ്റ്റിക്കൽ ആഗിരണം കുറയ്ക്കുന്നു:

• മെറ്റൽ കോൺടാക്റ്റുകൾ

• സ്ഫടിക വൈകല്യ അവസ്ഥകൾ

• GaN-ൽ സ്വതന്ത്ര കാരിയർ ആഗിരണം

ഈ ഇഫക്റ്റുകൾ ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയ്ക്കും മെച്ചപ്പെട്ട താപ പ്രകടനത്തിനും കാരണമാകുന്നു.

5. അധിക നേട്ടങ്ങൾ: ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരത്തിലെ പുരോഗതി

ഒപ്റ്റിക്കൽ എൻഹാൻസ്‌മെന്റിനു പുറമേ, ലാറ്ററൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഓവർഗ്രോത്ത് (LEO) മെക്കാനിസങ്ങൾ വഴി എപ്പിറ്റാക്സിയൽ മെറ്റീരിയലിന്റെ ഗുണനിലവാരവും PSS മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നു:

• സഫയർ–GaN ഇന്റർഫേസിൽ നിന്ന് ഉത്ഭവിക്കുന്ന ഡിസ്ലോക്കേഷനുകൾ റീഡയറക്ട് ചെയ്യുകയോ അവസാനിപ്പിക്കുകയോ ചെയ്യുന്നു.

• ത്രെഡിംഗ് ഡിസ്ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത ഗണ്യമായി കുറയുന്നു

• മെച്ചപ്പെട്ട ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരം ഉപകരണ വിശ്വാസ്യതയും പ്രവർത്തന ആയുസ്സും വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു.

ഈ ഇരട്ട ഒപ്റ്റിക്കൽ, ഘടനാപരമായ നേട്ടം PSS-നെ പൂർണ്ണമായും ഒപ്റ്റിക്കൽ ഉപരിതല-ടെക്സ്ചറിംഗ് സമീപനങ്ങളിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമാക്കുന്നു.

6. അളവ് താരതമ്യം: ഫ്ലാറ്റ് സഫയർ vs. PSS

യഥാർത്ഥ പ്രകടന നേട്ടങ്ങൾ പാറ്റേൺ ജ്യാമിതി, എമിഷൻ തരംഗദൈർഘ്യം, ചിപ്പ് ആർക്കിടെക്ചർ, പാക്കേജിംഗ് തന്ത്രം എന്നിവയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു.

7. ട്രേഡ്-ഓഫുകളും എഞ്ചിനീയറിംഗ് പരിഗണനകളും

ഗുണങ്ങളുണ്ടെങ്കിലും, പി‌എസ്‌എസ് നിരവധി പ്രായോഗിക വെല്ലുവിളികൾ ഉയർത്തുന്നു:

• അധിക ലിത്തോഗ്രാഫി, എച്ചിംഗ് ഘട്ടങ്ങൾ നിർമ്മാണ ചെലവ് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നു

• പാറ്റേൺ യൂണിഫോമിറ്റിക്കും എച്ചിന്റെ ആഴത്തിനും കൃത്യമായ നിയന്ത്രണം ആവശ്യമാണ്.

• മോശമായി ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത പാറ്റേണുകൾ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഏകീകൃതതയെ പ്രതികൂലമായി ബാധിച്ചേക്കാം.

അതുകൊണ്ട്, പിഎസ്എസ് ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ അന്തർലീനമായി ഒപ്റ്റിക്കൽ സിമുലേഷൻ, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഗ്രോത്ത് എഞ്ചിനീയറിംഗ്, ഉപകരണ രൂപകൽപ്പന എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്ന ഒരു ബഹുമുഖ ജോലിയാണ്.

8. വ്യവസായ വീക്ഷണവും ഭാവി വീക്ഷണവും

ആധുനിക എൽഇഡി നിർമ്മാണത്തിൽ, പിഎസ്എസ് ഇനി ഒരു ഓപ്ഷണൽ എൻഹാൻസ്‌മെന്റായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നില്ല. ജനറൽ ഇല്യൂമിനേഷൻ, ഓട്ടോമോട്ടീവ് ലൈറ്റിംഗ്, ഡിസ്പ്ലേ ബാക്ക്‌ലൈറ്റിംഗ് എന്നിവയുൾപ്പെടെ മീഡിയം, ഹൈ-പവർ എൽഇഡി ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഇത് ഒരു അടിസ്ഥാന സാങ്കേതികവിദ്യയായി മാറിയിരിക്കുന്നു.

ഭാവിയിലെ ഗവേഷണ വികസന പ്രവണതകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• മിനി-എൽഇഡി, മൈക്രോ-എൽഇഡി ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കായി രൂപകൽപ്പന ചെയ്ത നൂതന പിഎസ്എസ് ഡിസൈനുകൾ.

• പി‌എസ്‌എസിനെ ഫോട്ടോണിക് ക്രിസ്റ്റലുകളുമായോ നാനോസ്കെയിൽ ഉപരിതല ടെക്സ്ചറിങ്ങുമായോ സംയോജിപ്പിക്കുന്ന ഹൈബ്രിഡ് സമീപനങ്ങൾ.

• ചെലവ് ചുരുക്കലിനും വിപുലീകരിക്കാവുന്ന പാറ്റേണിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യകൾക്കും വേണ്ടിയുള്ള തുടർച്ചയായ ശ്രമങ്ങൾ.

തീരുമാനം

പാറ്റേൺ ചെയ്ത നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ LED ഉപകരണങ്ങളിലെ നിഷ്ക്രിയ മെക്കാനിക്കൽ സപ്പോർട്ടുകളിൽ നിന്ന് ഫങ്ഷണൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ, സ്ട്രക്ചറൽ ഘടകങ്ങളിലേക്കുള്ള ഒരു അടിസ്ഥാന പരിവർത്തനത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. അവയുടെ മൂലത്തിൽ - അതായത് ഒപ്റ്റിക്കൽ കൺഫെയിൻമെന്റ്, ഇന്റർഫേസ് റിഫ്ലക്ഷൻ - പ്രകാശ എക്സ്ട്രാക്ഷൻ നഷ്ടങ്ങൾ പരിഹരിക്കുന്നതിലൂടെ, ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമത, മെച്ചപ്പെട്ട വിശ്വാസ്യത, കൂടുതൽ സ്ഥിരതയുള്ള ഉപകരണ പ്രകടനം എന്നിവ PSS പ്രാപ്തമാക്കുന്നു.

ഇതിനു വിപരീതമായി, നിർമ്മാണക്ഷമതയും കുറഞ്ഞ വിലയും കാരണം പരന്ന നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ ആകർഷകമായി തുടരുമ്പോൾ, അവയുടെ അന്തർലീനമായ ഒപ്റ്റിക്കൽ പരിമിതികൾ അടുത്ത തലമുറയിലെ ഉയർന്ന കാര്യക്ഷമതയുള്ള LED-കൾക്ക് അനുയോജ്യതയെ നിയന്ത്രിക്കുന്നു. LED സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നതിനാൽ, മെറ്റീരിയൽ എഞ്ചിനീയറിംഗ് സിസ്റ്റം-ലെവൽ പ്രകടന നേട്ടങ്ങളിലേക്ക് നേരിട്ട് എങ്ങനെ വിവർത്തനം ചെയ്യാമെന്നതിന്റെ വ്യക്തമായ ഉദാഹരണമായി PSS നിലകൊള്ളുന്നു.