Videnskaben bag varierende ydeevne af forskellige farvede LED'er

Forskere fra Low Energy Electronic Systems (LEES) Interdisciplinary Research Group (IRG) ved Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MITs forskningsvirksomhed i Singapore, har sammen med Massachusetts Institute of Technology (MIT) og National University of Singapore (NUS) fundet en metode til at kvantificere fordelingen af ​​sammensætningsudsving i indium galliumnitrid (InGaN) kvantebrønde (QW'er) ved forskellige indiumkoncentrationer.

InGaN lysemitterende dioder (LED'er) har revolutioneret området for solid-state belysning på grund af deres høje effektivitet og holdbarhed, og lave omkostninger. Farven på LED-emissionen kan ændres ved at variere indiumkoncentrationen i InGaN-forbindelsen, giver InGaN LED'er potentialet til at dække hele det synlige spektrum. InGaN LED'er med relativt lave indiummængder sammenlignet med gallium, som den blå, grøn, og cyan lysdioder, har haft betydelig kommerciel succes for kommunikation, industri- og bilapplikationer. Imidlertid, LED'er med højere indiumkoncentrationer, såsom de røde og gule LED'er, lider af et fald i effektiviteten med den stigende mængde indium.

I øjeblikket, røde og ravgule LED'er er fremstillet ved hjælp af aluminium indium gallium phosphide (AlInGaP) materiale i stedet for InGaN på grund af InGaNs dårlige ydeevne i det røde og ravgule spektrum forårsaget af effektivitetsfaldet. At forstå og overvinde effektivitetsfaldet er det første skridt i retning af at udvikle InGaN LED'er, der dækker hele det synlige spektrum, hvilket ville reducere produktionsomkostningerne betydeligt.

I et papir med titlen "Unlocking the origin of compositional fluktuations in InGaN light emitting diodes", for nylig offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Materialer til fysisk gennemgang , holdet brugte en mangefacetteret metode til at forstå oprindelsen af ​​sammensætningsudsving og deres potentielle effekt på effektiviteten af ​​InGaN LED'er. Den nøjagtige bestemmelse af sammensætningsudsving er afgørende for at forstå deres rolle i at reducere effektiviteten i InGaN LED'er med højere indiumsammensætninger.

"[Oprindelsen af] effektivitetsfald oplevet i højere indiumkoncentration InGaN LED'er er stadig ukendt til denne dato, " siger medforfatter til avisen, Professor Silvija Gradecak fra Institut for Materialevidenskab og Teknik ved NUS og Principal Investigator ved SMART LEES. "Det er vigtigt at forstå dette effektivitetsfald for at skabe løsninger, der vil være i stand til at overvinde det. For at gøre det, vi har designet en metode, der er i stand til at detektere og studere sammensætningsudsvingene i InGaN QW'erne for at bestemme dens rolle i effektivitetsfaldet."

Forskerne udviklede en mangefacetteret metode til at detektere indiumsammensætningsudsving i InGaN QW'erne ved hjælp af synergistisk undersøgelse, der kombinerer komplementære beregningsmetoder, avanceret karakterisering i atomskala og autonome algoritmer til billedbehandling.

Tara Mishra, hovedforfatter af papiret og SMART Ph.D. Kollega sagde, "Denne metode udviklet og brugt i vores forskning er af generel anvendelighed og kan tilpasses andre materialevidenskabelige undersøgelser, hvor sammensætningsudsving skal undersøges."

"Den metode, vi udviklede, kan anvendes bredt og give betydelig værdi og indflydelse på andre materialevidenskabelige studier, hvor atomistiske sammensætningsudsving spiller en vigtig rolle i materialets ydeevne, " sagde Dr. Pieremanuele Canepa, medforfatter til papiret og Principal Investigator ved SMART LEES og også adjunkt fra Institut for Materialevidenskab og Engineering, og Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved NUS. "Forståelsen af ​​atomfordelingen af ​​InGaN ved varierende indiumkoncentrationer er nøglen til at udvikle næste generation af fuldfarveskærme ved hjælp af InGaN LED-platformen."

Forskningen fandt, at indium-atomerne er tilfældigt fordelt i et relativt lavt indiumindhold InGaN. På den anden side, partiel faseadskillelse observeres i højere indiumindhold InGaN, hvor tilfældige sammensætningsudsving er samtidige med lommer af indiumrige regioner.

Resultaterne fremmede forståelsen af ​​den atomare mikrostruktur af InGaN og dens potentielle effekt på LED'ers ydeevne, bane vejen for fremtidig forskning for at bestemme rollen af ​​sammensætningsudsving i den nye generation af InGaN LED'er og designstrategier for at forhindre nedbrydning af disse enheder.