GaN-පාදක ආලෝක විමෝචක ඩයෝඩ (LED) වල, එපිටැක්සියල් වර්ධන ශිල්පීය ක්‍රම සහ උපාංග ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයේ අඛණ්ඩ ප්‍රගතිය අභ්‍යන්තර ක්වොන්ටම් කාර්යක්ෂමතාව (IQE) එහි න්‍යායික උපරිමයට සමීප කර ඇත. මෙම දියුණුව තිබියදීත්, LED වල සමස්ත දීප්තිමත් ක්‍රියාකාරිත්වය ආලෝක නිස්සාරණ කාර්යක්ෂමතාව (LEE) මගින් මූලික වශයෙන් සීමා කර ඇත. GaN එපිටැක්සි සඳහා ප්‍රමුඛ උපස්ථර ද්‍රව්‍යය නිල් මැණික් ලෙස දිගටම පවතින බැවින්, උපාංගය තුළ දෘශ්‍ය පාඩු පාලනය කිරීමේදී එහි මතුපිට රූප විද්‍යාව තීරණාත්මක කාර්යභාරයක් ඉටු කරයි.

මෙම ලිපියෙන් පැතලි නිල් මැණික් උපස්ථර සහ රටා සහිතනිල් මැණික් උපස්ථර (PSS). එය PSS ආලෝකය නිස්සාරණ කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කරන දෘශ්‍ය හා ස්ඵටික විද්‍යාත්මක යාන්ත්‍රණයන් පැහැදිලි කරන අතර ඉහළ කාර්යසාධනයක් සහිත LED නිෂ්පාදනයේදී PSS තථ්‍ය ප්‍රමිතියක් බවට පත්ව ඇත්තේ මන්දැයි පැහැදිලි කරයි.

1. මූලික බාධකයක් ලෙස ආලෝක නිස්සාරණ කාර්යක්ෂමතාව

LED එකක බාහිර ක්වොන්ටම් කාර්යක්ෂමතාව (EQE) තීරණය වන්නේ ප්‍රාථමික සාධක දෙකක ගුණිතයෙනි:

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

EQE=IQE×LEE

IQE ක්‍රියාකාරී කලාපය තුළ විකිරණශීලී ප්‍රතිසංයෝජනයේ කාර්යක්ෂමතාව ප්‍රමාණනය කරන අතර, LEE උපාංගයෙන් සාර්ථකව ගැලවී යන ජනනය කරන ලද ෆෝටෝනවල කොටස විස්තර කරයි.

නිල් මැණික් උපස්ථර මත වගා කරන GaN-පාදක LED සඳහා, සාම්ප්‍රදායික මෝස්තරවල LEE සාමාන්‍යයෙන් ආසන්න වශයෙන් 30-40% දක්වා සීමා වේ. මෙම සීමාව ප්‍රධාන වශයෙන් පැන නගින්නේ:

• GaN (n ≈ 2.4), නිල් මැණික් (n ≈ 1.7), සහ වාතය (n ≈ 1.0) අතර දැඩි වර්තන දර්ශක නොගැලපීම.

• තල අතුරුමුහුණත්වල ප්‍රබල පූර්ණ අභ්‍යන්තර පරාවර්තනය (TIR)

• එපිටැක්සියල් ස්ථර සහ උපස්ථරය තුළ ෆෝටෝන උගුලට හසුවීම

එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස, ජනනය වන ෆෝටෝනවලින් සැලකිය යුතු කොටසක් බහු අභ්‍යන්තර පරාවර්තනවලට භාජනය වන අතර අවසානයේ ප්‍රයෝජනවත් ආලෝක ප්‍රතිදානයට දායක වීම වෙනුවට ද්‍රව්‍යය මගින් අවශෝෂණය කර හෝ තාපය බවට පරිවර්තනය වේ.

2. පැතලි නිල් මැණික් උපස්ථර: දෘශ්‍ය සීමාවන් සහිත ව්‍යුහාත්මක සරල බව

2.1 ව්‍යුහාත්මක ලක්ෂණ

පැතලි නිල් මැණික් උපස්ථර සාමාන්‍යයෙන් සුමට, තලීය මතුපිටක් සහිත c-තලය (0001) දිශානතියක් භාවිතා කරයි. ඒවා බහුලව භාවිතා වී ඇත්තේ:

• ඉහළ ස්ඵටිකරූපී ගුණාත්මකභාවය

• විශිෂ්ට තාප හා රසායනික ස්ථායිතාව

• පරිණත සහ ලාභදායී නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලීන්

2.2 දෘශ්‍ය හැසිරීම

දෘශ්‍ය දෘෂ්ටි කෝණයකින්, තල අතුරුමුහුණත් ඉතා දිශානුගත සහ පුරෝකථනය කළ හැකි ෆෝටෝන ප්‍රචාරණ මාර්ග වලට මග පාදයි. GaN ක්‍රියාකාරී කලාපයේ ජනනය වන ෆෝටෝන තීරණාත්මක කෝණය ඉක්මවන සිදුවීම් කෝණවලදී GaN–වාතය හෝ GaN–නිල් මැණික් අතුරුමුහුණතට ළඟා වූ විට, සම්පූර්ණ අභ්‍යන්තර පරාවර්තනය සිදු වේ.

මෙහි ප්‍රතිඵලය වන්නේ:

• උපාංගය තුළ ශක්තිමත් ෆෝටෝන සීමා කිරීම

• ලෝහ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහ දෝෂ තත්වයන් මගින් අවශෝෂණය වැඩි වීම.

• විමෝචනය වන ආලෝකයේ සීමිත කෝණික ව්‍යාප්තියක්

සාරාංශයක් ලෙස, පැතලි නිල් මැණික් උපස්ථර දෘශ්‍ය සීමා කිරීම් ජය ගැනීම සඳහා ඉතා සුළු සහයක් ලබා දෙයි.

3. රටා සහිත නිල් මැණික් උපස්ථර: සංකල්පය සහ ව්‍යුහාත්මක නිර්මාණය

ෆොටෝලිතෝග්‍රැෆි සහ කැටයම් ශිල්පීය ක්‍රම භාවිතයෙන් නිල් මැණික් මතුපිටට ආවර්තිතා හෝ අර්ධ-ආවර්තිතා ක්ෂුද්‍ර හෝ නැනෝ පරිමාණ ව්‍යුහයන් හඳුන්වා දීමෙන් රටා සහිත නිල් මැණික් උපස්ථරයක් (PSS) සෑදී ඇත.

පොදු PSS ජ්‍යාමිතීන්ට ඇතුළත් වන්නේ:

• කේතුකාකාර ව්‍යුහයන්

• අර්ධගෝලාකාර ගෝලාකාර

• පිරමිඩීය ලක්ෂණ

• සිලින්ඩරාකාර හෝ කැපූ-කේතු හැඩතල

සාමාන්‍ය ලක්ෂණ මානයන් උප-ක්ෂුද්‍රමීටරයේ සිට මයික්‍රෝමීටර කිහිපයක් දක්වා පරාසයක පවතින අතර, උස, තාරතාව සහ කාර්ය චක්‍රය ප්‍රවේශමෙන් පාලනය කළ හැකිය.

4. PSS හි ආලෝක නිස්සාරණය වැඩි දියුණු කිරීමේ යාන්ත්‍රණ

4.1 සම්පූර්ණ අභ්‍යන්තර පරාවර්තනය මර්දනය කිරීම

PSS හි ත්‍රිමාණ භූ විෂමතාව ද්‍රව්‍ය අතුරුමුහුණත්වල සිදුවීම්වල දේශීය කෝණ වෙනස් කරයි. එසේ නොමැතිනම් පැතලි මායිමකදී සම්පූර්ණ අභ්‍යන්තර පරාවර්තනය අත්විඳිය හැකි ෆෝටෝන, ගැලවීමේ කේතුව තුළ ඇති කෝණවලට හරවා යවනු ලබන අතර, එමඟින් උපාංගයෙන් පිටවීමේ සම්භාවිතාව සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි වේ.

4.2 වැඩිදියුණු කළ දෘශ්‍ය විසිරීම සහ මාර්ග සසම්භාවීකරණය

PSS ව්‍යුහයන් බහු වර්තන සහ පරාවර්තන සිදුවීම් හඳුන්වා දෙන අතර එමඟින්:

• ෆෝටෝන ප්‍රචාරණ දිශාවන් අහඹු ලෙස සිදු කිරීම

• ආලෝක නිස්සාරණ අතුරුමුහුණත් සමඟ අන්තර්ක්‍රියා වැඩි වීම.

• උපාංගය තුළ ෆෝටෝන රැඳී සිටීමේ කාලය අඩු කිරීම.

සංඛ්‍යානමය වශයෙන්, මෙම බලපෑම් අවශෝෂණය සිදුවීමට පෙර ෆෝටෝන නිස්සාරණය කිරීමේ සම්භාවිතාව වැඩි කරයි.

4.3 ඵලදායී වර්තන දර්ශක ශ්‍රේණිගත කිරීම

දෘශ්‍ය ආකෘති නිර්මාණ දෘෂ්ටිකෝණයකින්, PSS ඵලදායී වර්තන දර්ශක සංක්‍රාන්ති ස්ථරයක් ලෙස ක්‍රියා කරයි. GaN සිට වාතයට හදිසි වර්තන දර්ශක වෙනසක් වෙනුවට, රටා සහිත කලාපය ක්‍රමයෙන් වර්තන දර්ශක විචලනයක් සපයන අතර එමඟින් ෆ්‍රෙස්නෙල් පරාවර්තන පාඩු අඩු කරයි.

මෙම යාන්ත්‍රණය සංකල්පමය වශයෙන් ප්‍රති-පරාවර්තන ආලේපනවලට සමාන වේ, නමුත් එය තුනී පටල මැදිහත්වීම් වෙනුවට ජ්‍යාමිතික ප්‍රකාශ විද්‍යාව මත රඳා පවතී.

4.4 දෘශ්‍ය අවශෝෂණ පාඩු වක්‍රව අඩු කිරීම

ෆෝටෝන මාර්ග දිග කෙටි කිරීමෙන් සහ නැවත නැවත අභ්‍යන්තර පරාවර්තන මර්දනය කිරීමෙන්, PSS දෘශ්‍ය අවශෝෂණයේ සම්භාවිතාව අඩු කරන්නේ:

• ලෝහ සම්බන්ධතා

• ස්ඵටික දෝෂ තත්වයන්

• GaN හි නිදහස් වාහක අවශෝෂණය

මෙම බලපෑම් ඉහළ කාර්යක්ෂමතාව සහ වැඩිදියුණු කළ තාප ක්‍රියාකාරිත්වය යන දෙකටම දායක වේ.

5. අමතර ප්‍රතිලාභ: ස්ඵටික ගුණාත්මකභාවය වැඩිදියුණු කිරීම

දෘශ්‍ය වැඩිදියුණු කිරීමට අමතරව, පාර්ශ්වික එපිටැක්සියල් අධික වර්ධනය (LEO) යාන්ත්‍රණයන් හරහා එපිටැක්සියල් ද්‍රව්‍යවල ගුණාත්මකභාවය PSS වැඩි දියුණු කරයි:

• නිල් මැණික්–GaN අතුරුමුහුණතෙන් ආරම්භ වන විස්ථාපනයන් හරවා යවනු ලැබේ හෝ අවසන් කරනු ලැබේ.

• නූල් විස්ථාපන ඝනත්වය සැලකිය යුතු ලෙස අඩු වේ

• වැඩිදියුණු කළ ස්ඵටික ගුණාත්මකභාවය උපාංගයේ විශ්වසනීයත්වය සහ මෙහෙයුම් ආයු කාලය වැඩි දියුණු කරයි

මෙම ද්විත්ව දෘශ්‍ය සහ ව්‍යුහාත්මක ප්‍රතිලාභය PSS සම්පූර්ණයෙන්ම දෘශ්‍ය මතුපිට-වයනය කිරීමේ ප්‍රවේශයන්ගෙන් වෙන්කර හඳුනා ගනී.

6. ප්‍රමාණාත්මක සංසන්දනය: පැතලි නිල් මැණික් එදිරිව PSS

සැබෑ කාර්ය සාධන ලාභ රටා ජ්‍යාමිතිය, විමෝචන තරංග ආයාමය, චිප ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය සහ ඇසුරුම්කරණ උපාය මාර්ගය මත රඳා පවතී.

7. වෙළඳාම් සහ ඉංජිනේරු සලකා බැලීම්

එහි වාසි තිබියදීත්, PSS ප්‍රායෝගික අභියෝග කිහිපයක් හඳුන්වා දෙයි:

• අමතර ලිතෝග්‍රැෆි සහ කැටයම් කිරීමේ පියවර නිෂ්පාදන පිරිවැය වැඩි කරයි.

• රටා ඒකාකාරිත්වය සහ කැටයම් ගැඹුර සඳහා නිරවද්‍ය පාලනයක් අවශ්‍ය වේ.

• දුර්වල ලෙස ප්‍රශස්තිකරණය කරන ලද රටා එපිටැක්සියල් ඒකාකාරිත්වයට අහිතකර ලෙස බලපෑ හැකිය.

එබැවින්, PSS ප්‍රශස්තිකරණය සහජයෙන්ම දෘශ්‍ය සමාකරණය, එපිටැක්සියල් වර්ධන ඉංජිනේරු විද්‍යාව සහ උපාංග නිර්මාණය ඇතුළත් බහුවිධ කාර්යයකි.

8. කර්මාන්ත ඉදිරිදර්ශනය සහ අනාගත දැක්ම

නවීන LED නිෂ්පාදනයේදී, PSS තවදුරටත් විකල්ප වැඩිදියුණු කිරීමක් ලෙස නොසැලකේ. සාමාන්‍ය ආලෝකකරණය, මෝටර් රථ ආලෝකකරණය සහ සංදර්ශක පසුබිම් ආලෝකය ඇතුළුව මධ්‍යම සහ අධි බලැති LED යෙදුම්වල එය මූලික තාක්ෂණයක් බවට පත්ව ඇත.

අනාගත පර්යේෂණ සහ සංවර්ධන ප්‍රවණතා අතරට:

• කුඩා-LED සහ ක්ෂුද්‍ර-LED යෙදුම් සඳහා සකස් කරන ලද උසස් PSS සැලසුම්

• PSS, ෆෝටෝනික් ස්ඵටික හෝ නැනෝ පරිමාණ මතුපිට වයනය සමඟ ඒකාබද්ධ කරන දෙමුහුන් ප්‍රවේශයන්.

• පිරිවැය අඩු කිරීම සහ පරිමාණය කළ හැකි රටා තාක්ෂණයන් සඳහා අඛණ්ඩ උත්සාහයන්

නිගමනය

රටා සහිත නිල් මැණික් උපස්ථර LED උපාංගවල නිෂ්ක්‍රීය යාන්ත්‍රික ආධාරකවල සිට ක්‍රියාකාරී දෘශ්‍ය සහ ව්‍යුහාත්මක සංරචක දක්වා මූලික සංක්‍රාන්තියක් නියෝජනය කරයි. ඒවායේ මූලයේ - එනම් දෘශ්‍ය සීමා කිරීම සහ අතුරුමුහුණත් පරාවර්තනය - ආලෝක නිස්සාරණ පාඩු ආමන්ත්‍රණය කිරීමෙන් PSS ඉහළ කාර්යක්ෂමතාව, වැඩිදියුණු කළ විශ්වසනීයත්වය සහ වඩාත් ස්ථාවර උපාංග ක්‍රියාකාරිත්වය සක්‍රීය කරයි.

ඊට වෙනස්ව, පැතලි නිල් මැණික් උපස්ථර ඒවායේ නිෂ්පාදන හැකියාව සහ අඩු පිරිවැය හේතුවෙන් ආකර්ශනීයව පැවතුනද, ඒවායේ ආවේණික දෘශ්‍ය සීමාවන් ඊළඟ පරම්පරාවේ ඉහළ කාර්යක්ෂමතා LED සඳහා ඒවායේ යෝග්‍යතාවය සීමා කරයි. LED තාක්‍ෂණය අඛණ්ඩව පරිණාමය වන විට, ද්‍රව්‍ය ඉංජිනේරු විද්‍යාව පද්ධති මට්ටමේ කාර්ය සාධන ජයග්‍රහණ බවට සෘජුවම පරිවර්තනය කළ හැකි ආකාරය පිළිබඳ පැහැදිලි උදාහරණයක් ලෙස PSS පවතී.