InGaN/GaN LED में "ग्रीन गैप" का परमाणु स्तर विश्लेषण: रैंडम इंडियम अलॉय फ्लक्चुएशन की महत्वपूर्ण भूमिका

1. परिचय और हरित प्रकाश अंतराल समस्या

III-नाइट्राइड InGaN/GaN प्रकाश उत्सर्जक डायोड (LED) आधुनिक ठोस-राज्य प्रकाशन (SSL) की आधारशिला हैं, जहाँ नीले LED की शक्ति रूपांतरण दक्षता 80% से अधिक हो चुकी है। वर्तमान में सफेद प्रकाश उत्पन्न करने की प्रमुख विधि नीले LED पर फॉस्फोर को लेपित करना है, जो आंशिक नीले प्रकाश को नीचे की ओर (स्टोक्स विस्थापन) पीले/हरे प्रकाश में परिवर्तित करता है। हालाँकि, यह स्टोक्स विस्थापन हानि अंतिम दक्षता को सीमित करती है। अति-उच्च दक्षता SSL प्राप्त करने का एक बेहतर मार्ग लाल, हरे, नीले (RGB) अर्धचालक LED का उपयोग करके प्रत्यक्ष रंग मिश्रण है, जो उच्चतर दक्षता और वर्णक्रमीय नियंत्रण प्राप्त कर सकता है।

इस पद्धति की मुख्य बाधा "ग्रीन गैप" है: ब्लू और रेड एमिटर्स की तुलना में, हरे से पीले क्षेत्र (लगभग 530-590 nm) में चमकने वाले LED की आंतरिक क्वांटम दक्षता (IQE) में गंभीर और व्यवस्थित गिरावट आती है। यह अध्ययन प्रस्तावित करता है किc-प्लेनInGaN/GaN क्वांटम वेल (QW) में, इस अंतर का एक महत्वपूर्ण और पहले पर्याप्त रूप से अन्वेषित न किया गया कारक In है।_xGa_1-xInGaN मिश्रधातु के भीतर इंडियम परमाणुओं का आंतरिक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव। यह उतार-चढ़ाव हरे प्रकाश उत्सर्जन के लिए आवश्यक उच्च इंडियम सांद्रता पर अपना नकारात्मक प्रभाव और अधिक स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करता है।

2. विधि: परमाण्विक स्तर टाइट-बाइंडिंग सिमुलेशन

नैनो-स्केल इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच करने के लिए जो सातत्य माध्यम मॉडल से परे हैं, इस अध्ययन ने परमाणु-स्केल टाइट-बाइंडिंग ढांचे को अपनाया है। यह विधि विवेकपूर्ण परमाणु संरचना और प्रत्येक परमाणु के स्थानीय रासायनिक वातावरण को स्पष्ट रूप से ध्यान में रखती है।

2.1. सिमुलेशन ढांचा

इलेक्ट्रॉनिक संरचना गणना स्पिन-ऑर्बिट युग्मन को शामिल करते हुए की गईsp³d⁵s*टाइट-बाइंडिंग मॉडल। InGaN और GaN के बीच लैटिस मिसमैच के कारण उत्पन्न स्ट्रेन प्रभाव को वैलेंस फोर्स फील्ड (VFF) विधि के माध्यम से शामिल किया गया है। क्वांटम वेल सिस्टम के लिए सिंगल-पार्टिकल श्रोडिंगर समीकरण को हल करके इलेक्ट्रॉन और होल वेवफंक्शन प्राप्त किए जाते हैं।

2.2. यादृच्छिक मिश्र धातु उतार-चढ़ाव मॉडलिंग

InGaN मिश्रधातु को नाममात्र संघटन के अनुसार कैटायन उपजालक पर इंडियम और गैलियम परमाणुओं के यादृच्छिक वितरण के रूप में मॉडल किया गया है।xमिश्रधातु के कई सांख्यिकीय अभिविन्यास (कॉन्फ़िगरेशन) उत्पन्न और अनुकरण किए गए, ताकि विकिरण पुनर्संयोजन दर निर्धारित करने वाले प्रकाशिक आव्यूह तत्व जैसी विशेषताओं के समूह औसत को पकड़ा जा सके।

3. परिणाम और विश्लेषण

परमाणु-स्केल अनुकरण ने मिश्रधातु उतार-चढ़ाव द्वारा संचालित दो परस्पर संबंधित प्रभावों का खुलासा किया।

3.1. वेवफंक्शन ओवरलैप पर प्रभाव

यादृच्छिक इंडियम परमाणु समूह स्थानीय विभव निम्नतम उत्पन्न करते हैं, जिससे होल तरंग फलन अत्यधिक स्थानीयकृत हो जाता है। इससे कम प्रभावित इलेक्ट्रॉन अधिक विस्तारित अवस्था में रहते हैं। यहक्वांटम परिरोध स्टार्क प्रभाव (QCSE) से परे उत्पन्न होता हैस्थानिक पृथक्करण ने इलेक्ट्रॉन-होल तरंग फलन ओवरलैप इंटीग्रल को और कम कर दिया, जो विकिरण दर का प्रत्यक्ष इनपुट पैरामीटर है।

3.2. रेडिएटिव रिकॉम्बिनेशन गुणांक ($B$)

मूल रेडिएटिव रिकॉम्बिनेशन गुणांक $B$ संवेग मैट्रिक्स तत्व $|M|^2$ के वर्ग के समानुपाती होता है, और $|M|^2$ स्वयं तरंग फलन ओवरलैप पर निर्भर करता है। सिमुलेशन दर्शाता है कि $B$ इंडियम सामग्री के साथ x में वृद्धि के साथ काफी कम हो जाती है। यह गिरावट मिश्र धातु अव्यवस्था द्वारा प्रेरित स्थानीयकरण के लिए जिम्मेदार ठहराई गई है, जो हरे प्रकाश उत्सर्जक क्वांटम कुएं की कम दक्षता के लिए एक मौलिक, सामग्री भौतिकी-आधारित कारण प्रदान करती है, जो गैर-विकिरण दोषों पर विचार करने से पहले भी मौजूद है।

4. चर्चा: क्वांटम-सीमित स्टार्क प्रभाव से परे

हालांकि c-सतह क्वांटम कुओं में ध्रुवीकरण क्षेत्र के कारण QCSE एक ज्ञात दक्षता-सीमित कारक है, यह अध्ययन इस बात पर जोर देता है किमिश्र धातु अव्यवस्था एक स्वतंत्र और योगात्मक कारक है।उच्च इंडियम सामग्री पर, मजबूत QCSE (इलेक्ट्रॉनों और होल्स को अलग खींचना) और मजबूत होल स्थानीयकरण (होल्स को समृद्ध-इंडियम समूहों पर पिन करना) के संयुक्त प्रभाव ने एक "डबल व्हैमी" बनाई, जिसने विकिरण दक्षता को बहुत दबा दिया। यह बताता है कि केवल हरे प्रकाश तरंगदैर्ध्य तक पहुंचने के लिए इंडियम सामग्री बढ़ाने से प्रदर्शन अनुपातहीन रूप से खराब क्यों हो जाता है।

5. मुख्य अंतर्दृष्टि और विश्लेषणात्मक परिप्रेक्ष्य

मुख्य अंतर्दृष्टि:हरित प्रकाश अंतराल को पाटने के उद्योग के प्रयास मैक्रोस्कोपिक दोषों और ध्रुवीकरण क्षेत्रों को कम करने पर अत्यधिक केंद्रित हैं। यह पेपर एक महत्वपूर्ण नैनो-स्केल संशोधन प्रदान करता है: InGaN मिश्र धातु की स्वयं की यादृच्छिकता, हरित तरंगदैर्ध्य पर एक मौलिक, आंतरिक दक्षता हत्यारा है। यह केवल "खराब नमूना गुणवत्ता" का मुद्दा नहीं है, बल्कि एक मौलिक सामग्री भौतिकी समस्या है।

तार्किक संरचना:तर्क प्रक्रिया सुंदर और सम्मोहक है। 1) हरित प्रकाश उत्सर्जन के लिए उच्च इंडियम सामग्री की आवश्यकता होती है। 2) उच्च इंडियम सामग्री संघटन यादृच्छिकता को बढ़ाती है। 3) यादृच्छिकता स्थानीय संभावित ऊर्जा उतार-चढ़ाव उत्पन्न करती है। 4) ये उतार-चढ़ाव छिद्रों को प्राथमिकता से फंसाते हैं, उन्हें इलेक्ट्रॉनों से अलग कर देते हैं। 5) यह अलगाव सीधे विकिरण गुणांक $B$ को कम कर देता है। परमाणु व्यवस्था से लेकर उपकरण प्रदर्शन तक का कारण-प्रभाव श्रृंखला गणनात्मक प्रयोगों के माध्यम से स्पष्ट रूप से स्थापित की गई है।

फायदे और कमियाँ:इसका लाभ यह है कि इसने परमाणु स्तर के सिमुलेशन का कुशलता से उपयोग करके एक ऐसी प्रक्रिया को उजागर किया है जिसे पारंपरिक ड्रिफ्ट-डिफ्यूजन या कंटीन्यूअम मॉडल द्वारा नहीं देखा जा सकता, जो कुछ हद तकCycleGANगैर-जोड़ी छवि अनुवाद में चक्रीय स्थिरता हानि का उपयोग करके नई संभावनाओं को उजागर करना। लेखक द्वारा स्वीकृत मुख्य कमी केवल विकिरण गुणांक $B$ पर ध्यान केंद्रित करना है। यह एक महत्वपूर्ण प्रश्न से बचता है: मिश्र धातु उतार-चढ़ाव कैसे संभवतःवृद्धिगैर-विकिरण पुनर्संयोजन (उदाहरण के लिए, इंडियम समूहों के निकट शॉक्ले-रीड-हॉल पुनर्संयोजन दर में वृद्धि करके), जो संभवतः ग्रीन गैप का एक सहयोगी कारक है। जैसा कि DOE SSL कार्यक्रम जैसे अनुसंधान गठबंधनों के अवलोकनों द्वारा रेखांकित किया गया है, एक व्यापक मॉडल को विकिरण और गैर-विकिरण दोनों चैनलों को एक साथ एकीकृत करना चाहिए।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि:यह केवल एक शैक्षणिक अध्ययन नहीं है। इसने अनुसंधान एवं विकास रणनीति को पुनः निर्देशित किया है। सबसे पहले, इसने QCSE को समाप्त करने के लिएc-प्लेनअर्ध-ध्रुवीय या गैर-ध्रुवीय GaN सब्सट्रेट की ओर बढ़ने के तर्क को मजबूत किया, जिससे एक प्रमुख चर हट गया और मिश्र धातु समस्या अलग हो गई। दूसरा, इसने उन प्रयासों का आह्वान किया जिनका उद्देश्यमिश्र धातु अव्यवस्था को कम करनासामग्री इंजीनियरिंग। इसमें अधिक समान इंडियम समावेशन प्राप्त करने के लिए विकास तकनीकों (जैसे पल्स MOCVD, V/III अनुपात समायोजन) की खोज, "डिजिटल मिश्र धातुओं" (यादृच्छिक मिश्र धातु के स्थान पर लघु-अवधि InN/GaN सुपरलैटिस) के उपयोग, या यहां तक कि उच्च इंडियम सामग्री की आवश्यकता को कम करने के लिए आंतरिक रूप से संकीर्ण बैंडगैप वाले नए नाइट्राइड यौगिकों के विकास शामिल हो सकते हैं। भविष्य का मार्ग केवल "बेहतर विकसित करना" नहीं, बल्कि "मिश्र धातु को अलग तरीके से डिजाइन करना" है।

6. तकनीकी विवरण और गणितीय ढांचा

प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक के लिए विकिरण पुनर्संयोजन दर $R_{rad}$ निम्नलिखित समीकरण द्वारा दी जाती है:

7. प्रयोगात्मक पृष्ठभूमि और ग्राफ़ व्याख्या

इस लेख में संकल्पनात्मक चित्र 1 (पाठ अंश में प्रतिलिपि नहीं) का उल्लेख किया गया है, जो आमतौर पर III-नाइट्राइड (नीली-हरी रोशनी) और III-फॉस्फाइड (लाल रोशनी) एलईडी की बाहरी क्वांटम दक्षता (EQE) या आंतरिक क्वांटम दक्षता (IQE) को उत्सर्जन तरंगदैर्ध्य के साथ बदलते हुए दर्शाता है। यह ग्राफ़ हरे-पीले प्रकाश क्षेत्र में एक स्पष्ट गर्त - "ग्रीन गैप" - को ज्वलंत रूप से प्रदर्शित करेगा। इस लेख के सिमुलेशन परिणाम इस गर्त के बाएं हिस्से (नाइट्राइड भाग) के लिए एक सूक्ष्म व्याख्या प्रदान करते हैं। $B$ के इंडियम सामग्री बढ़ने के साथ घटने की भविष्यवाणी, प्रयोगों में लंबी लक्ष्य तरंगदैर्ध्य वाले एलईडी की निम्न शिखर IQE के रूप में प्रकट होगी, भले ही सामग्री दोष घनत्व अपरिवर्तित रहे।

8. विश्लेषणात्मक ढांचा: संकल्पनात्मक केस अध्ययन

परिदृश्य:एक LED निर्माता ने देखा कि जब क्वांटम वेल का शिखर उत्सर्जन 450 nm (नीला प्रकाश) से 530 nm (हरा प्रकाश) की ओर स्थानांतरित किया गया, तो मापित IQE 40% गिर गया, भले ही कम मैक्रोस्कोपिक दोष घनत्व के लिए अनुकूलित वही विकास नुस्खा इस्तेमाल किया गया था।

ढांचे का अनुप्रयोग:

1. परिकल्पना उत्पन्न करना:क्या दक्षता में गिरावट (a) बिंदु दोषों में वृद्धि, (b) मजबूत QCSE, या (c) आंतरिक मिश्र धातु भौतिकी के कारण है?
2. गणना अलगाव:पहले वर्णित परमाणु-स्तरीय टाइट-बाइंडिंग मॉडल का उपयोग करें। इनपुट: नीली और हरी रोशनी क्वांटम वेल्स के नाममात्र इंडियम संघटक। मॉडल में अन्य सभी पैरामीटर (वेल चौड़ाई, बैरियर परत संघटक, स्ट्रेन) को अपरिवर्तित रखें।
3. नियंत्रित सिमुलेशन:
   • सिमुलेशन 1: पूर्णतः क्रमबद्ध (वर्चुअल क्रिस्टल एप्रॉक्सिमेशन) InGaN मिश्र धातु का उपयोग करके सिमुलेशन करें। केवल बढ़े हुए ध्रुवीकरण क्षेत्र (QCSE) के कारण होने वाले वेवफंक्शन ओवरलैप और $B$ में परिवर्तन का अवलोकन करें।
   • सिमुलेशन 2: दोनों संघटकों के लिए यथार्थवादी यादृच्छिक मिश्र धातु का उपयोग करके सिमुलेशन। $B$ में अतिरिक्त कमी का अवलोकन करें।
4. विश्लेषण:QCSE और मिश्रधातु अव्यवस्था द्वारा $B$ में कुल गिरावट के प्रतिशत योगदान का मात्रात्मक मूल्यांकन। यह दोनों प्रभावों को अलग करता है।
5. क्रियान्वयन योग्य आउटपुट:यदि $B$ में गिरावट के लिए मिश्रधातु अव्यवस्था का योगदान 50% से अधिक है, तो विकास रणनीति को केवल और दोष कमी या स्ट्रेन प्रबंधन के बजाय मिश्रधातु इंजीनियरिंग (उदाहरण के लिए, डिजिटल मिश्रधातु की खोज) की ओर मोड़ना चाहिए।

9. भविष्य के अनुप्रयोग एवं शोध दिशाएँ

• गैर-ध्रुवीय और अर्ध-ध्रुवीय LED विकास:गैर-ध्रुवीय/अर्ध-ध्रुवीय GaN में QCSE को समाप्त करने से मिश्र धातु उतार-चढ़ाव का शुद्ध प्रभाव प्रकट होगा, इस मॉडल को सत्यापित करेगा, और हरे प्रकाश उत्सर्जकों के लिए दक्षता का एक नया मानक स्थापित करेगा।
• मिश्र धातु इंजीनियरिंग:अधिक समान इंडियम समावेशन प्राप्त करने के लिए विकास तकनीकों (जैसे पल्स MOCVD, V/III अनुपात समायोजन) का अध्ययन करें। यादृच्छिक InGaN के विकल्प के रूप में "डिजिटल मिश्र धातु" (लघु-अवधि InN/GaN सुपरलैटिस) का अन्वेषण करें, जो नियंत्रित संघटन प्रदान करता है और संभवतः स्थानीयकरण को कम करता है।
• नई सामग्री प्रणालियाँ:वैकल्पिक नाइट्राइड यौगिकों (जैसे GaNAs, उच्च इंडियम सामग्री वाले InAlN) या द्वि-आयामी सामग्रियों का अध्ययन करें, जो उच्च यादृच्छिक मिश्र धातु संघटन पर निर्भर किए बिना हरे प्रकाश उत्सर्जन को सक्षम कर सकते हैं।
• उन्नत उपकरण आर्किटेक्चर:क्वांटम वेल्स को कस्टमाइज़्ड पोटेंशियल एनर्जी डिस्ट्रीब्यूशन (जैसे ग्रेडिएंट कंपोजिशन, δ-डोप्ड लेयर्स) के साथ डिज़ाइन करना, ताकि इंडियम क्लस्टर्स के कारण होल्स पर होने वाले लोकलाइज़ेशन प्रभाव को काउंटर किया जा सके।
• मल्टीस्केल मॉडलिंग एकीकरण:प्रस्तुत परमाणु-स्केल परिणामों को बड़े स्केल के ड्रिफ्ट-डिफ्यूजन या काइनेटिक मोंटे कार्लो मॉडल के साथ युग्मित करके, कार्यशील परिस्थितियों में संपूर्ण LED उपकरण विशेषताओं का पूर्वानुमान लगाया जाता है।

10. संदर्भ सूची

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