UCSB:俄歇复合为LED效率下降的主要原因

发布日期:2009-06-19

美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的研究团队宣称通过第一原理计算发现,对于以氮化钾(GaN)为主的LED,俄歇复合(Augerrecombination)是其效率下降(LED droop)与绿色缺口(greengap)的主要原因,可惜并未同时提出有效的解决方法。

 

LED droop是指在较高电流操作下,发光二极管的外部量子效率会下降。UCSBKris Delaney, PatrickRinkChris VandeWalle计算显示,效率下降的主要影响因素是俄歇复合,它是一种非辐射式的复合行为,在2.5eV(对应波长为0.5μm)时达到颠峰。这同时也解释了“绿色缺口”--即波长从蓝光进入绿光波段时,LED的量子效率会下降的由来。

 

此前,PhilipsLumileds曾提出,俄歇复合是在较高电流下效率下降的主因,这种非辐射式复合过程牵涉到三个载子的交互作用,其中至少包含一个电子与一个空穴。

 

UCSB的计算结果支持这种说法,但不像其它理论研究团队认为俄歇复合对于LEDdroop的影响可以忽略,个中的差异在于采用不同的氮化物能带结构。UCSB团队找到第二条导带(conductionband),并纳入计算中。

 

UCSB团队的氮化镓能带结构是利用密度泛函理论(density-functionaltheory)结合多体微扰理论(many-body perturbationtheory)所计算得到。接着他们采用蒙特卡洛(MonteCarlo)法,计算了超过4千万个步骤的统计平均,才得到俄歇复合速率。

 

随着LEDdroop的机制被发现,未来的研究方向将聚焦于去除或降低俄歇复合所造成的损失。UCSB团队在论文中讨论了三种降低损失的方法,但都有其劣势所在。其中一个方法是将氮化钾长成闪锌矿(zinc-blende)晶格结构而非一般的纤锌矿(wurtzite)结构,因为这可以将第二条导带推到能量较高的位置,但是要长出高质量的闪锌矿结构并非易事。其它作法包括利用应力或是改变InGaAlN的比例去调整能带结构,不过计算显示,这些变化都不会明显提升LED的表现。

 

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