Uchambuzi wa Ki-Atomi wa Pengo la Kijani katika LED za InGaN/GaN: Jukumu la Mabadiliko ya Bahati Nasibu ya Aloi

1. Utangulizi & Tatizo la Pengo la Kijani

Diodi za mwanga (LED) za InGaN/GaN zenye msingi wa III-nitridi zinawakilisha kilele cha ufanisi wa taa zenye hali ngumu (SSL), huku LED za bluu zikizidi 80% ufanisi wa ubadilishaji wa nguvu. Njia inayotumika sana ya kutoa mwanga mweupe inahusisha kutumia fosforasi kubadilisha chini mionzi ya LED ya bluu, mchakato unaosababisha hasara za Stokes (~25%). Ili kufikia kiwango cha juu cha ufanisi, njia ya mchanganyiko wa rangi moja kwa moja isiyotumia fosforasi, ikitumia LED nyekundu, kijani na bluu (RGB), ni muhimu. Hata hivyo, mkakati huu unakwamishwa sana na "pengo la kijani" – kushuka kwa ukali na kwa utaratibu katika ufanisi wa quantum wa nje (EQE) wa LED zinazotoa katika wigo wa kijani-hadi-manjano (takriban 530-590 nm) ikilinganishwa na zile za bluu na nyekundu.

Kazi hii inadai kuwa mchango mkubwa katika kushuka huku kwa ufanisi katika LED za kisima cha quantum (QW) za InGaN/GaN za ndege-c ni mabadiliko ya ndani ya bahati nasibu ya atomi za Indiamu (In) ndani ya aloi ya InGaN. Kadiri maudhui ya In yanavyoongezeka ili kubadilisha mionzi kutoka kwa urefu wa mawimbi ya bluu hadi kijani, mabadiliko haya hukua wazi zaidi, na kusababisha kuongezeka kwa uwekaji mahali wa vibeba na hivyo kupungua kwa mgawo wa mchanganyiko wa mionzi.

2. Njia ya Utafiti: Mbinu ya Uigaji wa Kiatomi

Ili kutenganisha athari ya utovu wa aloi kutoka kwa sababu nyingine zinazojulikana kama athari ya Stark iliyofungwa kwa quantum (QCSE) au kasoro za nyenzo, waandishi walitumia mfumo wa uigaji wa kiatomi.

2.1 Mfumo wa Uigaji

Muundo wa elektroniki wa mfumo wa QW wa InGaN/GaN ulihesabiwa kwa kutumia mbinu ya kufungia kwa nguvu au njia ya pseudopotential ya kimaumbile katika kiwango cha kiatomi. Njia hii inazingatia wazi uwekaji wa bahati nasibu wa atomi za In na Ga kwenye sublattice ya kationi, na kuendelea zaidi ya makadirio ya kawaida ya kioo bandia (VCA) ambayo inadhania aloi sawa kabisa.

2.2 Kuiga Mabadiliko ya Bahati Nasibu ya Aloi

Mipangilio mingi ya bahati nasibu ya atomi ilitengenezwa kwa muundo fulani wa wastani wa Indiamu (mfano, 15%, 25%, 35%). Kwa kila mpangilio, mandhari ya uwezo wa ndani, kazi-mawimbi ya elektroni na shimo, na mwingiliano wao zilihesabiwa. Uchambuzi wa takwimu katika mipangilio mingi ulitoa tabia ya wastani na usambazaji wa vigezo muhimu kama kiwango cha mchanganyiko wa mionzi.

3. Matokeo & Uchambuzi

3.1 Mgawo wa Mchanganyiko wa Mionzi dhidi ya Maudhui ya Indiamu

Ugunduzi wa msingi ni kwamba mgawo wa mchanganyiko wa mionzi (B) hupungua kwa kiasi kikubwa kadiri maudhui ya wastani ya Indiamu katika QW yanavyoongezeka. Uigaji unaonyesha hii ni matokeo ya moja kwa moja ya mabadiliko ya aloi. Maudhui ya juu ya In husababisha mabadiliko makubwa zaidi ya uwezo, na kusababisha kuongezeka kwa kutenganishwa kwa nafasi kati ya kazi-mawimbi za elektroni na shimo zilizowekwa mahali.

3.2 Mwingiliano wa Kazi-Mawimbi na Uwekaji Mahali

Uigaji wa kiatomi unaonyesha wazi uwekaji mahali wa vibeba. Elektroni na mashimo huwa na kukamatwa katika sehemu ndogo za chini za uwezo zilizoundwa na maeneo yenye mkusanyiko wa juu kidogo wa In (kwa mashimo) na mabadiliko yanayolingana ya mkazo/uwezo (kwa elektroni). Kiunganishi cha mwingiliano $\Theta = \int |\psi_e(r)|^2 |\psi_h(r)|^2 dr$ , ambacho ni sawia na kiwango cha mionzi, kinapatikana kupungua kadiri hali hizi zilizowekwa mahali zinavyotenganishwa zaidi kwa nafasi na mabadiliko makubwa ya In.

3.3 Ulinganisho na Sababu Nyingine (QCSE, Kasoro)

Karatasi hii inakubali kuwa QCSE (ilisababishwa na uwanja mkali wa upolishaji katika nitridi za ndege-c) na kuongezeka kwa msongamano wa kasoro kwa maudhui ya juu ya In pia hupunguza ufanisi. Hata hivyo, uigaji wa kiatomi unaonyesha kuwa hata kukosekana kwa sababu hizi za ziada, utovu wa ndani wa aloi pekee unaweza kuelezea sehemu kubwa ya "pengo la kijani" linaloonekana kwa kupunguza kiwango cha msingi cha mionzi.

4. Maelezo ya Kiufundi & Uundaji wa Kihisabati

Kiwango cha mchanganyiko wa mionzi kwa mpito kinatolewa na Kanuni ya Dhahabu ya Fermi: $$R_{spon} = \frac{4\alpha n E}{3\hbar^2 c^2} |M|^2 \rho_{red}(E) f_e(E) f_h(E)$$ ambapo $|M|^2$ ni kipengele cha mraba cha matriki ya kasi, $\rho_{red}$ ni msongamano uliopunguzwa wa hali, na $f_e$, $f_h$ ni vitendakazi vya Fermi. Athari kuu ya mabadiliko ya aloi iko kwenye kipengele cha matriki $|M|^2 \propto \Theta$, mwingiliano wa kazi-mawimbi. Hesabu ya kiatomi hubadilisha wastani wa $\Theta$ kutoka VCA na wastani wa kikundi juu ya mipangilio ya bahati nasibu: $\langle \Theta \rangle_{config} = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} \Theta_i$, ambayo inaonyeshwa kupungua na maudhui ya In.

5. Muktadha wa Majaribio & Maelezo ya Chati

Karatasi hii inarejelea chati ya kawaida ya majaribio (inayodokezwa kama Mchoro 1) inayopanga Ufanisi wa Quantum wa Nje (EQE) dhidi ya urefu wa mawimbi ya mionzi kwa LED za kisasa za hivi karibuni. Chati hii ingeonyesha:

• Kilele cha juu (~80%) katika eneo la bluu (450-470 nm) kwa LED za InGaN.
• Kushuka kwa kasi kwa EQE kupitia eneo la kijani (520-550 nm) na manjano (570-590 nm), kikishuka chini ya 30%.
• Kurejea kwa ufanisi katika eneo la nyekundu (>620 nm) kwa LED zenye msingi wa AlInGaP.
• "Pengo la kijani" kwa macho ni bonde refu kati ya kilele cha bluu cha InGaN na kilele cha nyekundu cha AlInGaP.

Matokeo ya uigaji kwa mgawo wa mionzi $B$ yangehusiana na mwelekeo huu, na kutoa maelezo ya msingi ya kimwili kwa upande wa kushoto (wenye msingi wa nitridi) wa bonde hili la ufanisi.

6. Mfumo wa Uchambuzi: Uchunguzi wa Kesi

Kesi: Kutathmini Kichocheo Kipya cha Epitaksi ya LED ya Kijani
Kituo cha uzalishaji kinaunda kichocheo kipya cha ukuaji wa MOCVD kinachodai kupunguza "pengo la kijani." Kwa kutumia mfumo kutoka kwenye karatasi hii, mchambuzi ange:

1. Kutenganisha Kigezo: Kutambua muundo mpya wa maudhui ya wastani ya In na upana wa kisima. Tumia mnong'ono wa X-ray wa usahihi wa juu (HRXRD) na fotoluminesheni (PL).
2. Kukadiria Usawa wa Aloi: Tumia tomografia ya kichungu cha atomi (APT) au mikroskopu ya elektroni ya usambazaji wa skenning (STEM) na ramani ya EDS ili kupima kiwango na ukubwa wa mabadiliko ya muundo wa In. Linganisha na sampuli za kawaida.
3. Kuiga Athari: Ingiza takwimu za mabadiliko yaliyopimwa kwenye kifaa cha kutatua cha kufungia kwa nguvu kiatomi (kama NEMO au sawa) ili kuhesabu mwingiliano unaotarajiwa wa kazi-mawimbi $\langle \Theta \rangle$ na mgawo wa mionzi $B$.
4. Kutenganisha kutoka QCSE/Kasoro: Pima ufanisi wa PL ya joto la chini na PL iliyowekwa wakati ili kukadiria michango ya jamaa ya viwango vya mionzi dhidi ya visivyo vya mionzi. Tumia vipimo vya piezoelectric ili kukadiria uwanja wa ndani.
5. Uamuzi: Ikiwa kichocheo kipya kinaonyesha mabadiliko yaliyopunguzwa na $B$ iliyomodelishwa imeongezeka, uboreshaji uwezekano ni wa msingi. Ikiwa sivyo, faida yoyote ya ufanisi inaweza kuwa kwa sababu ya kasoro zilizopunguzwa au uwanja uliobadilishwa, ambao una mipaka tofauti ya uwezo wa kuongezeka.

7. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: "Pengo la kijani" sio tu usumbufu wa uhandisi; ni tatizo la msingi la fizikia ya nyenzo lililojengwa ndani ya asili ya aloi ya bahati nasibu ya InGaN. Karatasi hii inasema kwa nguvu kuwa hata kwa fuwele kamili na uwanja wa upolishaji sifuri, kusanyiko kwa takwimu kwa atomi za Indiamu kwa asili hupunguza kiwango cha mionzi tunapojitahidi kwa urefu wa mawimbi mrefu. Hii hubadilisha hadithi kutoka kwa kufuata tu msongamano wa chini wa kasoro hadi kusimamia kwa nguvu utovu wa aloi katika kiwango cha atomi.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni nadhifu na ya mlolongo: 1) Mchanganyiko wa rangi unahitaji vito vya ufanisi vya kijani. 2) Mionzi ya kijani inahitaji InGaN yenye In ya juu. 3) In ya juu inamaanisha mabadiliko makubwa zaidi ya muundo. 4) Mabadiliko huweka vibeba mahali na kupunguza mwingiliano wa kazi-mawimbi. 5) Mwingiliano uliopunguzwa hukata mgawo wa mionzi, na kuunda pengo. Inatenganisha kikomo hiki cha ndani kutoka kwa sababu za nje kama QCSE.

Nguvu & Kasoro: Nguvu iko katika njia ya utafiti—kutumia uigaji wa kiatomi kuangalia chini ya pazia la VCA ni yenye nguvu na ya kushawishi, ikilingana na mielekeo katika mifumo mingine isiyo na utaratibu kama LED za perovskite. Kasoro, iliyokubaliwa na waandishi, ni kutenganisha kwa sababu hii moja. Katika vifaa halisi, utovu wa aloi, QCSE, na kasoro huunda ushirikiano mbaya. Modeli ya karatasi hii uwezekano inapunguza ukali kamili wa pengo kwa sababu haijaunganisha kikamilifu athari hizi; kwa mfano, hali zilizowekwa mahali zinaweza pia kuwa nyeti zaidi kwa mchanganyiko usio wa mionzi kwenye kasoro, hoja iliyochunguzwa katika kazi za baadaye kama zile za kikundi cha Speck au Weisbuch.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wazalishaji wa LED, utafiti huu ni wito wa wazi wa kuhamia zaidi ya kupima tu muundo wa wastani na unene. Metrolojia ya takwimu za mabadiliko lazima ikawa ya kawaida. Mikakati ya ukuaji inapaswa kulenga sio tu kuunganishwa kwa In ya juu lakini usambazaji wake sawa. Mbinu kama aloi ya dijiti (superlattices za kipindi kifupi), ukuaji chini ya hali zilizobadilishwa (mfano, joto la juu na surfactants), au matumizi ya vitu vya msingi visivyo vya polar/nusu-polar ili kuondoa QCSE na kufunua wazi zaidi kiwango cha juu kilichowekwa na aloi, zinakuwa njia muhimu za maendeleo. Njia ya kuleta SSL yenye ufanisi wa hali ya juu sasa inajumuisha wazi "uhandisi wa aloi" kama hatua muhimu.

8. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

• Ukuaji Unaoelekezwa na Metrolojia: Ujumuishaji wa ufuatiliaji wa muundo wa ndani na udhibiti wa majibu ya wakati halisi wakati wa ukuaji wa MOCVD/MBE ili kuzuia kusanyiko kwa In.
• Aloi za Dijiti & Miundo Iliyopangwa: Kuchunguza superlattices fupi za InN/GaN kama mbadala kwa aloi za bahati nasibu ili kutoa muundo wa elektroniki wenye uhakika zaidi.
• Mwelekeo Mbadala wa Vitu vya Msingi: Maendeleo ya kasi ya LED kwenye ndege zisizo za polar (ndege-m, ndege-a) au ndege za nusu-polar (mfano, (20-21)) ili kuondoa QCSE. Hii itaruhusu tathmini wazi zaidi na kulenga kikomo cha mabadiliko ya aloi safi.
• Uigaji wa Hali ya Juu: Kuunganisha muundo wa elektroniki wa kiatomi na modeli za kifaa za drift-diffusion au Monte Carlo ya kinetic ili kutabiri ufanisi kamili wa LED chini ya hali halisi za uendeshaji, ikijumuisha mwingiliano wa utovu wa utaratibu, upolishaji, na kasoro.
• Zaidi ya Taa: Kuelewa na kudhibiti mabadiliko ya aloi pia ni muhimu kwa utendaji wa diodi za laser (LD) za kijani zenye msingi wa InGaN kwa vitu vya kuonyesha, mawasiliano ya mwanga unaoonekana (Li-Fi), na teknolojia za quantum.

9. Marejeo

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, uk. 1687–1689, 1994. (Marejeo ya mafanikio ya 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, uk. 160–175, 2007.
3. B. D. Piercy, "The Case for a Phosphor-Free LED Future," Compound Semiconductor Magazine, vol. 24, no. 5, 2018. (Mfano wa mtazamo wa tasnia kuhusu mchanganyiko wa rangi).
4. E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes, toleo la 3. Cambridge University Press, 2018. (Kitabu cha mafundisho chenye mamlaka juu ya fizikia ya LED).
5. J. Piprek, "Efficiency Drop in Green InGaN/GaN Light-Emitting Diodes: The Role of Random Alloy Fluctuations," Proc. SPIE 9768, 97681M, 2016. (Ukaguzi unaohusiana, uliofuata).
6. Wizara ya Nishati ya Marekani, "Solid-State Lighting R&D Plan," 2022. (Njia rasmi inayokazia changamoto ya pengo la kijani).
7. A. David et al., "The Physics of Recombination in InGaN Quantum Wells," katika Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs), Woodhead Publishing, 2018. (Majadiliano ya kina juu ya taratibu za mionzi na zisizo za mionzi).