第一原理計算揪出LED效率下降的禍首
- 上線日期：2009/6/13 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
美國加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)的研究團隊宣稱透過第一原理計算發現，對於以氮化鉀(GaN)為主的發光二極體(LED)，歐傑復合(Auger recombination)是其效率下降(LED droop)與綠色缺口(green gap)的主要原因，可惜並未同時提出有效的解決方法。
LED droop是指在較高電流操作下，發光二極體的外部量子效率會下降。UCSB的Kris Delaney, Patrick Rink及Chris Van deWalle計算顯示，效率下降的禍首是歐傑復合，它是一種非輻射式的復合行為，在2.5eV(對應波長為0.5 μm)時達到顛峰。這同時也解釋了「綠色缺口」─即波長從藍光進入綠光波段時，LED的量子效率會下降─的由來。
稍早LED製造商Philips Lumileds根據實驗結果主張，歐傑復合是在較高電流下效率下降的主因，這種非輻射式復合過程牽涉到三個載子的交互作用，其中至少包含一個電子與一個電洞。UCSB的計算結果支持這種說法，而不像其他理論研究團隊認為歐傑復合對於LED droop的影響可以忽略，箇中的差異在於採用不同的氮化物能帶結構：UCSB團隊找到第二條導帶(conduction band)，並納入計算中。
UCSB團隊的氮化鎵能帶結構是利用密度泛函理論(density-functional theory)結合多體微擾理論(many-body perturbation theory)所計算得到。接著他們採用蒙地卡羅(Monte Carlo)法，計算了超過4千萬個步驟的統計平均，才得到歐傑復合速率。
隨著LED droop的機制被發現，未來的研究方向將聚焦於去除或降低歐傑復合所造成的損失。UCSB團隊在論文中討論了三種降低損失的方法，但都有缺點。其中一個方法是將氮化鉀長成閃鋅礦(zinc-blende)晶格結構而非一般的纖鋅礦(wurtzite)結構，因為這可以將第二條導帶推到能量較高的位置，但是要長出高品質的閃鋅礦結構並非易事。其他作法包括利用應力或是改變InGaAlN的比例去調整能帶結構，不過計算顯示，這些變化都不會明顯提升LED的表現。詳見Appl. Phys. Lett ,94, 191109 (2009)。
原始網站: http://compoundsemiconductor.net/cws/article/lab/39130
譯者:蘇俊鐘(中央研究院應用科學研究中心)
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