تحليل ذري للفجوة الخضراء في مصابيح InGaN/GaN الثنائية الباعثة للضوء: دور التقلبات العشوائية في السبيكة

1. المقدمة ومشكلة الفجوة الخضراء

تمثل مصابيح InGaN/GaN الثنائية الباعثة للضوء (LEDs) القائمة على نتريدات المجموعة الثالثة ذروة الكفاءة في الإضاءة ذات الحالة الصلبة (SSL)، حيث تتجاوز كفاءة تحويل الطاقة في المصابيح الزرقاء 80%. الطريقة السائدة لتوليد الضوء الأبيض تتضمن استخدام مادة فسفورية لتحويل انبعاث المصباح الأزرق إلى أطوال موجية أطول، وهي عملية تتكبد خسائر ستوكس (~25%). لتحقيق سقف الكفاءة النهائي، فإن نهج خلط الألوان المباشر الخالي من المواد الفسفورية باستخدام مصابيح حمراء وخضراء وزرقاء (RGB) أمر أساسي. ومع ذلك، فإن هذه الاستراتيجية تعاني بشكل حاسم من "الفجوة الخضراء" – وهو انخفاض حاد ومنهجي في الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) للمصابيح الباعثة في الطيف الأخضر إلى الأصفر (حوالي 590-530 نانومتر) مقارنة بنظيراتها الزرقاء والحمراء.

تقترح هذه الدراسة أن أحد المساهمين الرئيسيين في هذا الانخفاض في الكفاءة في مصابيح InGaN/GaN ذات البئر الكمومي (QW) ذات المستوى c هو التقلب العشوائي الجوهري لذرات الإنديوم (In) داخل سبيكة InGaN. مع زيادة محتوى الإنديوم لتحويل الانبعاث من الأطوال الموجية الزرقاء إلى الخضراء، تصبح هذه التقلبات أكثر وضوحًا، مما يؤدي إلى زيادة توطين حاملات الشحنة وبالتالي انخفاض في معامل إعادة التركيب الإشعاعي.

2. المنهجية: نهج المحاكاة الذرية

لعزل تأثير اضطراب السبيكة عن العوامل المعروفة الأخرى مثل تأثير ستارك المحصور كميًا (QCSE) أو عيوب المادة، استخدم المؤلفون إطار محاكاة ذري.

2.1 إطار المحاكاة

تم حساب البنية الإلكترونية لنظام InGaN/GaN QW باستخدام طريقة الربط المحكم أو طريقة الجهد الكاذب التجريبية على المستوى الذري. يأخذ هذا النهج في الاعتبار بشكل صريح المواضع العشوائية لذرات الإنديوم والغاليوم على الشبكة الفرعية للكاتيون، متجاوزًا تقريب البلورة الافتراضية التقليدي (VCA) الذي يفترض سبيكة موحدة تمامًا.

2.2 نمذجة التقلبات العشوائية في السبيكة

تم توليد تكوينات ذرية عشوائية متعددة لمحتوى إنديوم متوسط معين (مثل 35%، 25%، 15%). لكل تكوين، تم حساب المشهد الجهدي المحلي، ودوال موجات الإلكترونات والثقوب، وتداخلها. وفر التحليل الإحصائي عبر العديد من التكوينات متوسط السلوك وتوزيع المعلمات الرئيسية مثل معدل إعادة التركيب الإشعاعي.

3. النتائج والتحليل

3.1 معامل إعادة التركيب الإشعاعي مقابل محتوى الإنديوم

النتيجة الأساسية هي أن معامل إعادة التركيب الإشعاعي (B) ينخفض بشكل كبير مع زيادة متوسط محتوى الإنديوم في البئر الكمومي. تظهر المحاكاة أن هذا نتيجة مباشرة لتقلبات السبيكة. يؤدي ارتفاع محتوى الإنديوم إلى تقلبات جهدية أقوى، مما يسبب زيادة في الفصل المكاني بين دوال موجات الإلكترونات والثقوب الموضعية.

3.2 تداخل دالة الموجة والتوطين

تتيح المحاكاة الذرية تصور توطين حاملات الشحنة. تميل الإلكترونات والثقوب إلى الاحتجاز في الحدود الدنيا الجهدية المحلية التي تنشأها مناطق ذات تركيز إنديوم أعلى قليلاً (للثقوب) وتغيرات الإجهاد/الجهد المقابلة (للإلكترونات). وجد أن تكامل التداخل $\Theta = \int |\psi_e(r)|^2 |\psi_h(r)|^2 dr$، وهو متناسب مع المعدل الإشعاعي، يتضاءل مع زيادة الفصل المكاني بين هذه الحالات الموضعية مع زيادة تقلبات الإنديوم.

3.3 المقارنة مع العوامل الأخرى (QCSE، العيوب)

تقر الورقة بأن تأثير ستارك المحصور كميًا (الناجم عن مجالات استقطاب قوية في نتريدات المستوى c) وزيادة كثافة العيوب عند محتوى إنديوم أعلى يؤديان أيضًا إلى تدهور الكفاءة. ومع ذلك، تشير المحاكاة الذرية إلى أنه حتى في غياب هذه العوامل الإضافية، يمكن لاضطراب السبيكة الجوهري وحده أن يفسر جزءًا كبيرًا من "الفجوة الخضراء" الملاحظة عن طريق تقليل المعدل الإشعاعي الأساسي.

4. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

معدل إعادة التركيب الإشعاعي للانتقال يُعطى بقاعدة فيرمي الذهبية: $$R_{spon} = \frac{4\alpha n E}{3\hbar^2 c^2} |M|^2 \rho_{red}(E) f_e(E) f_h(E)$$ حيث $|M|^2$ هو مربع عنصر المصفوفة للزخم، $\rho_{red}$ هي كثافة الحالات المخفضة، و $f_e$، $f_h$ هما دالتا فيرمي. التأثير الرئيسي لتقلبات السبيكة هو على عنصر المصفوفة $|M|^2 \propto \Theta$، أي تداخل دالة الموجة. يستبدل الحساب الذري متوسط $\Theta$ من تقريب البلورة الافتراضية بمتوسط المجموعة عبر التكوينات العشوائية: $\langle \Theta \rangle_{config} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \Theta_i$، والذي يظهر أنه يتناقص مع محتوى الإنديوم.

5. السياق التجريبي ووصف المخطط البياني

تشير الورقة إلى مخطط تجريبي نموذجي (مُفترض أنه الشكل 1) يرسم الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) مقابل الطول الموجي للانبعاث لأحدث المصابيح الثنائية الباعثة للضوء. سيظهر هذا المخطط:

• ذروة عالية (~80%) في المنطقة الزرقاء (470-450 نانومتر) لمصابيح InGaN.
• انخفاض حاد في الكفاءة الكمية الخارجية عبر المنطقة الخضراء (550-520 نانومتر) والصفراء (590-570 نانومتر)، لينخفض ربما إلى أقل من 30%.
• تعافي الكفاءة في المنطقة الحمراء (>620 نانومتر) لمصابيح LED القائمة على AlInGaP.
• تظهر "الفجوة الخضراء" بصريًا على أنها الحوض العميق بين ذروة InGaN الزرقاء وذروة AlInGaP الحمراء.

ستتوافق نتائج المحاكاة لمعامل الإشعاع $B$ مع هذا الاتجاه، مما يوفر تفسيرًا فيزيائيًا أساسيًا للجانب الأيسر (القائم على النتريد) من وادي الكفاءة هذا.

6. إطار التحليل: دراسة حالة

الحالة: تقييم وصفة نمو جديدة لمصباح LED أخضر
تقوم مصنعة بتطوير وصفة نمو جديدة باستخدام ترسيب الأبخرة الكيميائية للعضوية المعدنية (MOCVD) تدعي تقليل "الفجوة الخضراء". باستخدام الإطار من هذه الورقة، سيقوم المحلل بما يلي:

1. عزل المتغير: توصيف متوسط محتوى الإنديوم وعرض البئر في البنية الجديدة. استخدام حيود الأشعة السينية عالي الدقة (HRXRD) والتألق الضوئي (PL).
2. تقييم تجانس السبيكة: استخدام مجهر المسبار الذري (APT) أو مجهر الإلكتروني النافذ الماسح (STEM) مع رسم خرائط تحليل طيفي لطاقة الأشعة السينية (EDS) لقياس حجم ومدى تقلبات تركيب الإنديوم. المقارنة مع العينات القياسية.
3. نمذجة التأثير: إدخال إحصائيات التقلبات المقاسة في محلل ربط محكم ذري (مثل NEMO أو ما يعادله) لحساب تداخل دالة الموجة المتوقع $\langle \Theta \rangle$ ومعامل الإشعاع $B$.
4. فصل تأثيرات QCSE/العيوب: قياس كفاءة التألق الضوئي عند درجة حرارة منخفضة والتألق الضوئي المحدد زمنيًا لتقدير المساهمات النسبية للمعدلات الإشعاعية مقابل غير الإشعاعية. استخدام قياسات كهرضغطية لتقدير المجال الداخلي.
5. الحكم: إذا أظهرت الوصفة الجديدة تقلبات مخفضة وزاد معامل $B$ النموذجي، فمن المرجح أن التحسين أساسي. إذا لم يكن الأمر كذلك، فقد يكون أي مكسب في الكفاءة بسبب انخفاض العيوب أو تعديل المجالات، والتي لها حدود قابلة للتطوير مختلفة.

7. الفكرة الأساسية ومنظور المحلل

الفكرة الأساسية: "الفجوة الخضراء" ليست مجرد إزعاج هندسي؛ إنها مشكلة فيزياء المواد الأساسية متأصلة في الطبيعة العشوائية لسبيكة InGaN. تجادل هذه الورقة بشكل مقنع بأنه حتى مع بلورات مثالية ومجالات استقطاب صفرية، فإن التكتل الإحصائي لذرات الإنديوم يخفض بشكل جوهري المعدل الإشعاعي بينما نسعى لتحقيق أطوال موجية أطول. هذا يحول السرد من مجرد السعي لتحقيق كثافة عيوب أقل إلى الإدارة النشطة لاضطراب السبيكة على المستوى الذري.

التسلسل المنطقي: الحجة أنيقة ومتسلسلة: 1) خلط الألوان يتطلب باعثات خضراء فعالة. 2) الانبعاث الأخضر يتطلب InGaN عالي الإنديوم. 3) ارتفاع محتوى الإنديوم يعني تقلبات تركيبية أقوى. 4) التقلبات توطن حاملات الشحنة وتقلل من تداخل دالة الموجة. 5) التداخل المخفض يخفض معامل الإشعاع، مكونًا الفجوة. إنه يفصل بوضوح هذا الحد الجوهري عن العوامل الخارجية مثل تأثير ستارك المحصور كميًا.

نقاط القوة والضعف: تكمن القوة في المنهجية – استخدام المحاكاة الذرية للنظر تحت ستار تقريب البلورة الافتراضية قوي ومقنع، ويتوافق مع الاتجاهات في الأنظمة المضطربة الأخرى مثل مصابيح البيروفسكايت. العيب، كما اعترف المؤلفون، هو عزل هذا العامل الوحيد. في الأجهزة الحقيقية، يشكل اضطراب السبيكة، وتأثير ستارك المحصور كميًا، والعيوب تآزرًا خبيثًا. من المرجح أن نموذج الورقة يقلل من تقدير شدة الفجوة الكاملة لأنه لا يقترن بهذه التأثيرات بشكل كامل؛ على سبيل المثال، قد تكون الحالات الموضعية أيضًا أكثر عرضة لإعادة التركيب غير الإشعاعي عند العيوب، وهي نقطة تم استكشافها في أعمال لاحقة مثل أعمال مجموعة سبيك أو وايسبوخ.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة لمصنعي مصابيح LED، يمثل هذا البحث دعوة واضحة للانتقال إلى ما هو أبعد من مجرد قياس متوسط التركيب والسمك. يجب أن يصبح قياس إحصائيات التقلبات معيارًا. يجب أن تهدف استراتيجيات النمو ليس فقط لدمج إنديوم عالي ولكن لـ توزيعه الموحد. تصبح التقنيات مثل السبائك الرقمية (الموصلات الفائقة قصيرة الدورة)، أو النمو تحت ظروف معدلة (مثل درجة حرارة أعلى مع عوامل سطحية)، أو استخدام ركائز غير قطبية/شبه قطبية لإزالة تأثير ستارك المحصور كميًا وكشف السقف المحدد بالسبيكة بشكل أفضل، مسارات تطوير حاسمة. أصبح الطريق إلى إضاءة ذات حالة صلبة فائقة الكفاءة يتضمن بوضوح "هندسة السبيكة" كمعلم رئيسي.

8. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

• النمو الموجه بالقياس: دمج مراقبة التركيب في الموقع والتحكم في الوقت الحقيقي أثناء نمو ترسيب الأبخرة الكيميائية للعضوية المعدنية/الترسيب الشعاعي الجزيئي لقمع تكتل الإنديوم.
• السبائك الرقمية والتراكيب المرتبة: استكشاف الموصلات الفائقة قصيرة الدورة InN/GaN كبديل للسبائك العشوائية لتوفير بنية إلكترونية أكثر حتمية.
• اتجاهات الركائز البديلة: تسريع تطوير مصابيح LED على المستويات غير القطبية (المستوى m، المستوى a) أو شبه القطبية (مثل (21-20)) للقضاء على تأثير ستارك المحصور كميًا. وهذا سيسمح بتقييم واستهداف حد تقلب السبيكة النقي بشكل أوضح.
• محاكاة متقدمة: اقتران البنية الإلكترونية الذرية مع نماذج جهاز الانتقال-الانتشار أو مونت كارلو الحركية للتنبؤ بكفاءة مصباح LED الكاملة تحت ظروف التشغيل الواقعية، بما في ذلك التفاعل بين الاضطراب، والاستقطاب، والعيوب.
• ما وراء الإضاءة: فهم وتحكم تقلبات السبيكة أمر بالغ الأهمية أيضًا لأداء الثنائيات الليزرية (LDs) الخضراء القائمة على InGaN للعرض، والاتصالات بالضوء المرئي (Li-Fi)، والتقنيات الكمومية.

9. المراجع

1. S. Nakamura, T. Mukai, M. Senoh, "Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes," Appl. Phys. Lett., vol. 64, no. 13, pp. 1687–1689, 1994. (المرجع الرائد لعام 1993).
2. M. R. Krames et al., "Status and Future of High-Power Light-Emitting Diodes for Solid-State Lighting," J. Disp. Technol., vol. 3, no. 2, pp. 160–175, 2007.
3. B. D. Piercy, "The Case for a Phosphor-Free LED Future," Compound Semiconductor Magazine, vol. 24, no. 5, 2018. (مثال على منظور الصناعة حول خلط الألوان).
4. E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes, 3rd ed. Cambridge University Press, 2018. (كتاب مرجعي موثوق في فيزياء مصابيح LED).
5. J. Piprek, "Efficiency Drop in Green InGaN/GaN Light-Emitting Diodes: The Role of Random Alloy Fluctuations," Proc. SPIE 9768, 97681M, 2016. (مراجعة ذات صلة لاحقة).
6. U.S. Department of Energy, "Solid-State Lighting R&D Plan," 2022. (خارطة الطريق الرسمية التي تسلط الضوء على تحدي الفجوة الخضراء).
7. A. David et al., "The Physics of Recombination in InGaN Quantum Wells," in Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs), Woodhead Publishing, 2018. (مناقشة مفصلة حول الآليات الإشعاعية وغير الإشعاعية).