GaN-ভিত্তিক আলোক-নির্গমনকারী ডায়োড (LEDs) তে, এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির কৌশল এবং ডিভাইস আর্কিটেকচারের ক্রমাগত অগ্রগতি অভ্যন্তরীণ কোয়ান্টাম দক্ষতা (IQE) কে ক্রমশ তার তাত্ত্বিক সর্বোচ্চের কাছাকাছি পৌঁছে দিয়েছে। এই অগ্রগতি সত্ত্বেও, LED এর সামগ্রিক আলোকিত কর্মক্ষমতা আলো নিষ্কাশন দক্ষতা (LEE) দ্বারা মৌলিকভাবে সীমিত রয়ে গেছে। যেহেতু নীলকান্তমণি GaN এপিট্যাক্সির জন্য প্রধান সাবস্ট্রেট উপাদান হিসাবে অব্যাহত রয়েছে, তাই এর পৃষ্ঠের রূপবিদ্যা ডিভাইসের মধ্যে অপটিক্যাল ক্ষতি নিয়ন্ত্রণে একটি নির্ধারক ভূমিকা পালন করে।

এই নিবন্ধটি সমতল নীলকান্তমণি স্তর এবং প্যাটার্নযুক্তের মধ্যে একটি বিস্তৃত তুলনা উপস্থাপন করেনীলকান্তমণি স্তর (PSS)। এটি অপটিক্যাল এবং স্ফটিক সংক্রান্ত প্রক্রিয়াগুলি ব্যাখ্যা করে যার মাধ্যমে PSS আলো নিষ্কাশন দক্ষতা বৃদ্ধি করে এবং ব্যাখ্যা করে কেন PSS উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন LED উৎপাদনে একটি কার্যত মান হয়ে উঠেছে।

১. মৌলিক বাধা হিসেবে আলো নিষ্কাশন দক্ষতা

একটি LED এর বাহ্যিক কোয়ান্টাম দক্ষতা (EQE) দুটি প্রাথমিক কারণের গুণফল দ্বারা নির্ধারিত হয়:

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

EQE=IQE×LEE

IQE সক্রিয় অঞ্চলের মধ্যে বিকিরণ পুনর্মিলনের দক্ষতা পরিমাপ করলেও, LEE ডিভাইস থেকে সফলভাবে বেরিয়ে আসা ফোটনের ভগ্নাংশ বর্ণনা করে।

নীলকান্তমণি স্তরে জন্মানো GaN-ভিত্তিক LED-এর ক্ষেত্রে, প্রচলিত নকশায় LEE সাধারণত প্রায় 30-40% এর মধ্যে সীমাবদ্ধ থাকে। এই সীমাবদ্ধতা মূলত নিম্নলিখিত বিষয়গুলি থেকে উদ্ভূত হয়:

• GaN (n ≈ 2.4), নীলকান্তমণি (n ≈ 1.7), এবং বায়ু (n ≈ 1.0) এর মধ্যে গুরুতর প্রতিসরাঙ্কের অমিল।

• প্ল্যানার ইন্টারফেসে শক্তিশালী মোট অভ্যন্তরীণ প্রতিফলন (TIR)

• এপিট্যাক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যে ফোটন আটকে থাকা

ফলস্বরূপ, উৎপন্ন ফোটনের একটি উল্লেখযোগ্য অংশ একাধিক অভ্যন্তরীণ প্রতিফলনের মধ্য দিয়ে যায় এবং শেষ পর্যন্ত উপাদান দ্বারা শোষিত হয় বা কার্যকর আলো উৎপাদনে অবদান রাখার পরিবর্তে তাপে রূপান্তরিত হয়।

2. ফ্ল্যাট নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেট: অপটিক্যাল সীমাবদ্ধতা সহ কাঠামোগত সরলতা

২.১ কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য

সমতল নীলকান্তমণি স্তরগুলি সাধারণত একটি মসৃণ, সমতল পৃষ্ঠ সহ একটি c-plane (0001) অভিযোজন ব্যবহার করে। এগুলি ব্যাপকভাবে গৃহীত হয়েছে কারণ:

• উচ্চ স্ফটিক মানের

• চমৎকার তাপ এবং রাসায়নিক স্থিতিশীলতা

• পরিপক্ক এবং সাশ্রয়ী উৎপাদন প্রক্রিয়া

২.২ অপটিক্যাল আচরণ

অপটিক্যাল দৃষ্টিকোণ থেকে, প্ল্যানার ইন্টারফেসগুলি অত্যন্ত দিকনির্দেশনামূলক এবং অনুমানযোগ্য ফোটন প্রচারের পথের দিকে পরিচালিত করে। যখন GaN সক্রিয় অঞ্চলে উৎপন্ন ফোটনগুলি সমালোচনামূলক কোণ অতিক্রম করে আপতিত কোণে GaN-বায়ু বা GaN-নীলকান্তমণি ইন্টারফেসে পৌঁছায়, তখন সম্পূর্ণ অভ্যন্তরীণ প্রতিফলন ঘটে।

এর ফলে:

• ডিভাইসের মধ্যে শক্তিশালী ফোটন বন্দিদশা

• ধাতব ইলেকট্রোড এবং ত্রুটিপূর্ণ অবস্থা দ্বারা বর্ধিত শোষণ

• নির্গত আলোর একটি সীমিত কৌণিক বন্টন

মূলত, সমতল নীলকান্তমণি স্তরগুলি আলোকীয় সীমাবদ্ধতা কাটিয়ে উঠতে খুব কম সহায়তা প্রদান করে।

৩. প্যাটার্নযুক্ত নীলকান্তমণি স্তর: ধারণা এবং কাঠামোগত নকশা

ফটোলিথোগ্রাফি এবং এচিং কৌশল ব্যবহার করে নীলকান্তমণির পৃষ্ঠে পর্যায়ক্রমিক বা আধা-পর্যায়ক্রমিক মাইক্রো- বা ন্যানোস্কেল কাঠামো প্রবর্তন করে একটি প্যাটার্নযুক্ত নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেট (PSS) তৈরি করা হয়।

সাধারণ PSS জ্যামিতির মধ্যে রয়েছে:

• শঙ্কুযুক্ত কাঠামো

• অর্ধগোলাকার গম্বুজ

• পিরামিডাল বৈশিষ্ট্য

• নলাকার বা ছাঁটা-শঙ্কু আকৃতি

সাধারণ বৈশিষ্ট্যের মাত্রা সাব-মাইক্রোমিটার থেকে শুরু করে বেশ কয়েকটি মাইক্রোমিটার পর্যন্ত বিস্তৃত, সাবধানে নিয়ন্ত্রিত উচ্চতা, পিচ এবং কর্তব্য চক্র সহ।

৪. পিএসএস-এ আলো নিষ্কাশন বৃদ্ধির প্রক্রিয়া

৪.১ পূর্ণ অভ্যন্তরীণ প্রতিফলনের দমন

PSS-এর ত্রিমাত্রিক ভূসংস্থান বস্তুগত ইন্টারফেসে স্থানীয় আপতন কোণগুলিকে পরিবর্তন করে। যে ফোটনগুলি অন্যথায় একটি সমতল সীমানায় পূর্ণ অভ্যন্তরীণ প্রতিফলন অনুভব করত, সেগুলিকে এস্কেপ কোনের মধ্যে কোণে পুনঃনির্দেশিত করা হয়, যা ডিভাইস থেকে বেরিয়ে যাওয়ার সম্ভাবনা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি করে।

৪.২ উন্নত অপটিক্যাল স্ক্যাটারিং এবং পাথ র‍্যান্ডমাইজেশন

PSS কাঠামো একাধিক প্রতিসরণ এবং প্রতিফলন ঘটনার সূচনা করে, যার ফলে:

• ফোটন প্রচারের দিকনির্দেশের এলোমেলোকরণ

• আলোক-নিষ্কাশন ইন্টারফেসের সাথে বর্ধিত মিথস্ক্রিয়া

• ডিভাইসের মধ্যে ফোটনের বসবাসের সময় হ্রাস পেয়েছে

পরিসংখ্যানগতভাবে, এই প্রভাবগুলি শোষণের আগে ফোটন নিষ্কাশনের সম্ভাবনা বৃদ্ধি করে।

৪.৩ কার্যকর প্রতিসরাঙ্ক গ্রেডিং

অপটিক্যাল মডেলিংয়ের দৃষ্টিকোণ থেকে, PSS একটি কার্যকর প্রতিসরাঙ্ক পরিবর্তন স্তর হিসেবে কাজ করে। GaN থেকে বায়ুতে আকস্মিক প্রতিসরাঙ্ক পরিবর্তনের পরিবর্তে, প্যাটার্নযুক্ত অঞ্চলটি ধীরে ধীরে প্রতিসরাঙ্ক পরিবর্তন প্রদান করে, যার ফলে ফ্রেসনেলের প্রতিফলন ক্ষতি হ্রাস পায়।

এই প্রক্রিয়াটি ধারণাগতভাবে প্রতিফলন-বিরোধী আবরণের অনুরূপ, যদিও এটি পাতলা-ফিল্ম হস্তক্ষেপের পরিবর্তে জ্যামিতিক আলোকবিদ্যার উপর নির্ভর করে।

৪.৪ অপটিক্যাল অ্যাবসর্পশন ক্ষতির পরোক্ষ হ্রাস

ফোটন পথের দৈর্ঘ্য সংক্ষিপ্ত করে এবং বারবার অভ্যন্তরীণ প্রতিফলন দমন করে, PSS অপটিক্যাল শোষণের সম্ভাবনা হ্রাস করে:

• ধাতব যোগাযোগ

• স্ফটিক ত্রুটি অবস্থা

• GaN-তে ফ্রি-ক্যারিয়ার শোষণ

এই প্রভাবগুলি উচ্চ দক্ষতা এবং উন্নত তাপীয় কর্মক্ষমতা উভয় ক্ষেত্রেই অবদান রাখে।

৫. অতিরিক্ত সুবিধা: স্ফটিকের গুণমান উন্নত করা

অপটিক্যাল এনহ্যান্সমেন্টের পাশাপাশি, পিএসএস ল্যাটেরাল এপিট্যাক্সিয়াল ওভারগ্রোথ (LEO) প্রক্রিয়ার মাধ্যমে এপিট্যাক্সিয়াল উপাদানের মানও উন্নত করে:

• নীলকান্তমণি-GaN ইন্টারফেসে উৎপন্ন স্থানচ্যুতিগুলি পুনঃনির্দেশিত বা সমাপ্ত করা হয়

• থ্রেডিং স্থানচ্যুতির ঘনত্ব উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পেয়েছে

• উন্নত স্ফটিকের গুণমান ডিভাইসের নির্ভরযোগ্যতা এবং কার্যক্ষম জীবনকাল বৃদ্ধি করে

এই দ্বৈত অপটিক্যাল এবং কাঠামোগত সুবিধা PSS কে সম্পূর্ণরূপে অপটিক্যাল পৃষ্ঠ-টেক্সচারিং পদ্ধতি থেকে পৃথক করে।

৬. পরিমাণগত তুলনা: ফ্ল্যাট নীলকান্তমণি বনাম পিএসএস

প্রকৃত কর্মক্ষমতা লাভ প্যাটার্ন জ্যামিতি, নির্গমন তরঙ্গদৈর্ঘ্য, চিপ আর্কিটেকচার এবং প্যাকেজিং কৌশলের উপর নির্ভর করে।

৭. বিনিময় এবং প্রকৌশল বিবেচনা

এর সুবিধা থাকা সত্ত্বেও, পিএসএস বেশ কয়েকটি ব্যবহারিক চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়:

• অতিরিক্ত লিথোগ্রাফি এবং এচিং ধাপগুলি তৈরির খরচ বাড়ায়

• প্যাটার্নের অভিন্নতা এবং খোদাইয়ের গভীরতার জন্য সুনির্দিষ্ট নিয়ন্ত্রণ প্রয়োজন

• খারাপভাবে অপ্টিমাইজ করা প্যাটার্নগুলি এপিট্যাক্সিয়াল অভিন্নতার উপর বিরূপ প্রভাব ফেলতে পারে

অতএব, পিএসএস অপ্টিমাইজেশন স্বভাবতই একটি বহুমুখী কাজ যার মধ্যে অপটিক্যাল সিমুলেশন, এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ ইঞ্জিনিয়ারিং এবং ডিভাইস ডিজাইন জড়িত।

৮. শিল্প দৃষ্টিভঙ্গি এবং ভবিষ্যতের দৃষ্টিভঙ্গি

আধুনিক LED উৎপাদনে, PSS কে আর ঐচ্ছিক বর্ধন হিসেবে বিবেচনা করা হয় না। মাঝারি এবং উচ্চ-ক্ষমতার LED অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে - সাধারণ আলোকসজ্জা, স্বয়ংচালিত আলো এবং ডিসপ্লে ব্যাকলাইটিং সহ - এটি একটি বেসলাইন প্রযুক্তিতে পরিণত হয়েছে।

ভবিষ্যতের গবেষণা এবং উন্নয়নের প্রবণতাগুলির মধ্যে রয়েছে:

• মিনি-এলইডি এবং মাইক্রো-এলইডি অ্যাপ্লিকেশনের জন্য তৈরি উন্নত পিএসএস ডিজাইন

• ফোটোনিক স্ফটিক বা ন্যানোস্কেল পৃষ্ঠের টেক্সচারিংয়ের সাথে PSS-এর সমন্বয়ে হাইব্রিড পদ্ধতি

• খরচ কমানো এবং স্কেলেবল প্যাটার্নিং প্রযুক্তির দিকে অব্যাহত প্রচেষ্টা

উপসংহার

প্যাটার্নযুক্ত নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলি LED ডিভাইসগুলিতে প্যাসিভ যান্ত্রিক সমর্থন থেকে কার্যকরী অপটিক্যাল এবং কাঠামোগত উপাদানগুলিতে একটি মৌলিক রূপান্তরের প্রতিনিধিত্ব করে। তাদের মূলে আলো নিষ্কাশনের ক্ষতি - যেমন অপটিক্যাল কনফাইনমেন্ট এবং ইন্টারফেস প্রতিফলন - মোকাবেলা করে PSS উচ্চ দক্ষতা, উন্নত নির্ভরযোগ্যতা এবং আরও সামঞ্জস্যপূর্ণ ডিভাইস কর্মক্ষমতা সক্ষম করে।

বিপরীতে, যদিও ফ্ল্যাট নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলি তাদের উৎপাদনযোগ্যতা এবং কম খরচের কারণে আকর্ষণীয় থাকে, তাদের অন্তর্নিহিত অপটিক্যাল সীমাবদ্ধতাগুলি পরবর্তী প্রজন্মের উচ্চ-দক্ষ LED-এর জন্য তাদের উপযুক্ততাকে সীমিত করে। LED প্রযুক্তির বিকশিত হওয়ার সাথে সাথে, PSS কীভাবে উপকরণ প্রকৌশল সরাসরি সিস্টেম-স্তরের কর্মক্ষমতা লাভে অনুবাদ করতে পারে তার একটি স্পষ্ট উদাহরণ হিসাবে দাঁড়িয়ে আছে।