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 za III-nitriti InGaN/GaN (LED) ndio msingi wa taa za kisasa za hali imara (SSL), huku LED za bluu zikifikia ufanisi wa ubadilishaji wa nguvu zaidi ya 80%. Njia inayotumika sana ya kutoa mwanga mweupe inahusisha kufunika LED ya bluu kwa fosforasi ili kubadilisha sehemu ya mionzi kuwa manjano/kijani. Hata hivyo, upotezaji huu wa mabadiliko ya Stokes unaweka kikomo ufanisi wa mwisho. Njia bora ya kufikia SSL yenye ufanisi wa hali ya juu ni kuchanganya rangi moja kwa moja kwa kutumia LED za semiconductor nyekundu, kijani na bluu (RGB), ikiruhusu udhibiti bora wa ufanisi na wigo.

Kizuizi muhimu kwa njia hii ni "pengo la kijani": kushuka kwa kasi na kwa utaratibu kwa ufanisi wa ndani wa quantum (IQE) wa LED zinazotoa mwanga katika eneo la kijani-hadi-manjano (~530-590 nm) ikilinganishwa na vitoa mwanga vya bluu na nyekundu. Kazi hii inadai kuwa mchango muhimu, ambao haujachunguzwa vya kutosha hapo awali kwa pengo hili katika visima vya quantum (QWs) vya c-plane InGaN/GaN, ni mabadiliko ya asili ya bahati nasibu ya atomi za Indiamu ndani ya aloi ya In_xGa_1-xN, ambayo inakuwa mbaya zaidi kwa viwango vya juu vya Indiamu vinavyohitajika kwa utoaji wa mwanga wa kijani.

2. Njia ya Utafiti: Uigizaji wa Ki-Atomi wa Tight-Binding

Ili kuchunguza sifa za elektroniki katika kiwango cha nanomita zaidi ya miundo ya mfululizo, utafiti huu unatumia mfumo wa ki-atomi wa tight-binding. Njia hii inazingatia wazi muundo wa atomi tofauti na mazingira ya kikemia ya kila atomi.

2.1. Mfumo wa Uigizaji

Muundo wa elektroniki unahesabiwa kwa kutumia muundo wa sp³d⁵s* wa tight-binding pamoja na muunganisho wa spin-orbit. Athari za mkazo kutokana na kutofautiana kwa kimiani kati ya InGaN na GaN zimejumuishwa kupitia njia za uwanja wa nguvu za valence (VFF). Mlinganyo wa Schrödinger wa chembe moja unatatuliwa kwa mfumo wa QW ili kupata mawimbi ya elektroni na mashimo.

2.2. Kuiga Mabadiliko ya Bahati Nasibu ya Aloi

Aloi ya InGaN inaigizwa kama usambazaji wa bahati nasibu wa atomi za Indiamu na Galiamu kwenye sublattice ya kationi kulingana na muundo wa jina x. Matokeo mengi ya kitakwimu (usanidi) ya aloi hutengenezwa na kuigizwa ili kukamata wastani wa sifa kama kipengele cha matrix ya macho, kinachoongoza kiwango cha uunganishaji tena wa mionzi.

3. Matokeo & Uchambuzi

Uigizaji wa ki-atomi unaonyesha athari mbili zinazounganishwa zinazosukumwa na mabadiliko ya aloi.

3.1. Athari kwenye Ulinganisho wa Mawimbi

Makundi ya bahati nasibu ya Indiamu huunda maeneo madogo ya uwezekano ambayo huziweka mahali pa kudumu kwa mawimbi ya mashimo. Elektroni, zikiwa hazijaathiriwa sana, hubaki zimeenea zaidi. Kutenganishwa huku kwa anga zaidi ya kile kinachosababishwa na athari ya Stark iliyofungwa kwa quantum (QCSE) kunapunguza zaidi ujumuishaji wa mawimbi ya elektroni na mashimo, ambayo ni pembejeo ya moja kwa moja kwenye kiwango cha mionzi.

3.2. Mgawo wa Uunganishaji tena wa Mionzi ($B$)

Mgawo wa msingi wa uunganishaji tena wa mionzi $B$ unalingana na mraba wa kipengele cha matrix cha kasi $|M|^2$, ambacho yenyewe kinategemea ulinganisho wa mawimbi. Uigizaji unaonyesha kuwa $B$ hupungua kwa kiasi kikubwa kadiri maudhui ya Indiamu x yanavyoongezeka. Kupungua huku kunasababishwa na kuziweka mahali pa kudumu kutokana na mabadiliko ya aloi, ikitoa sababu ya msingi ya vifaa kwa ufanisi wa chini katika QWs zinazotoa mwanga wa kijani, hata kabla ya kuzingatia kasoro zisizo za mionzi.

4. Majadiliano: Zaidi ya QCSE

Ingawa QCSE kutokana na uwanja wa upolarishaji katika QWs za c-plane ni kizuizi kinachojulikana cha ufanisi, kazi hii inasisitiza kuwa mabadiliko ya aloi ni sababu huru na inayozidisha. Kwa maudhui makubwa ya Indiamu, athari ya pamoja ya QCSE kali (kutenganisha elektroni na mashimo) na kuziweka mahali pa kudimu kwa mashimo (kuzifunga mashimo kwenye makundi yenye Indiamu nyingi) huunda "mshtuko maradufu" ambao hususia kwa kiasi kikubwa ufanisi wa mionzi. Hii inaelezea kwa nini kuongeza tu maudhui ya Indiamu ili kufikia urefu wa mawimbi ya kijani husababisha utendaji duni usiofanana.

5. Uelewa wa Msingi & Mtazamo wa Mchambuzi

Uelewa wa Msingi: Jitihada za tasnia ya kujenga daraja juu ya pengo la kijani zimezingatia sana kupunguza kasoro za kiwango kikubwa na uwanja wa upolarishaji. Karatasi hii inatoa marekebisho muhimu ya kiwango cha nanomita: ubahatishaji wenyewe wa aloi ya InGaN yenyewe ni muuaji wa asili wa ufanisi katika urefu wa mawimbi ya kijani. Sio tu tatizo la "sampuli mbaya"; ni tatizo la msingi la fizikia ya vifaa.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni nadhifu na ya kulazimisha. 1) Utoaji wa kijani unahitaji maudhui makubwa ya In. 2) Maudhui makubwa ya In yanaongeza ubahatishaji wa muundo. 3) Ubahatishaji huunda mabadiliko ya uwezekano yaliyoko mahali pa kudumu. 4) Mabadiliko haya hukamata kwa upendeleo mashimo, huku yakiyatenganisha na elektroni. 5) Kutenganishwa huku kunapunguza moja kwa moja mgawo wa mionzi $B$. Mnyororo kutoka kwa mpangilio wa atomi hadi utendaji wa kifaa umewekwa wazi kupitia jaribio la kompyuta.

Nguvu & Kasoro: Nguvu iko katika matumizi ya hali ya juu ya uigizaji wa ki-atomi kufunua utaratibu usioonekana kwa miundo ya kawaida ya drift-diffusion au mfululizo, sawa na jinsi CycleGAN ilivyotumia upotezaji wa mzunguko kufunua uwezekano mpya katika tafsiri ya picha zisizolingana. Kasoro kuu, iliyokubaliwa na waandishi, ni kuzingatia tu mgawo wa mionzi $B$. Inapuuza suala muhimu la jinsi mabadiliko ya aloi yanaweza pia kuongeza uunganishaji tena usio wa mionzi (k.m., kwa kuongeza viwango vya Shockley-Read-Hall karibu na makundi ya In), ambayo kuna uwezekano kuwa ni mshirika katika pengo la kijani. Muundo kamili lazima ujumuishe njia zote za mionzi na zisizo za mionzi, kama ilivyosisitizwa katika ukaguzi kutoka kwa ushirikiano wa utafiti kama programu ya SSL ya DOE.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Hii sio mazoezi ya kitaaluma tu. Inaelekeza upya mkakati wa Utafiti na Uendelezaji. Kwanza, inaimarisha hoja ya kuondoka kwenye c-plane kwenda kwenye vifaa vya msingi vya GaN vya semi-polar au isiyo ya polar ili kuondoa QCSE, na hivyo kuondoa tofauti moja kubwa na kutenganisha tatizo la aloi. Pili, inaitaji uhandisi wa vifaa unaolenga kupunguza mabadiliko ya aloi. Hii inaweza kuhusisha kuchunguza mbinu za ukuaji kwa ajili ya ujumuishaji wa In wenye usawa zaidi, matumizi ya aloi za dijiti (superlattices fupi za InN/GaN badala ya aloi za bahati nasibu), au hata ukuzaji wa misombo mipya ya nitriti yenye mapengo ya bendi nyembamba zaidi, ikipunguza hitaji la sehemu kubwa za In. Njia ya mbele sio tu "kuikua vizuri," bali "kubuni aloi tofauti."

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Kihisabati

Kiwango cha uunganishaji tena wa mionzi $R_{rad}$ kwa semiconductor yenye pengo la bendi moja kwa moja kinatolewa na: $$R_{rad} = B \, n \, p$$ ambapo $n$ na $p$ ni msongamano wa elektroni na mashimo, na $B$ ni mgawo wa uunganishaji tena wa mionzi. Katika kisima cha quantum, $B$ inatokana na Sheria ya Dhahabu ya Fermi: $$B \propto |M|^2 \, \rho_{r}$$ Hapa, $|M|^2$ ni kipengele cha matrix cha kasi kilichokwadrati, kilichochukuliwa wastani kwa hali zote zinazohusika, na $\rho_{r}$ ni msongamano uliopunguzwa wa hali. Hesabu ya ki-atomi inazingatia $|M|^2$, ambayo kwa mpito wa macho ni: $$|M|^2 = \left| \langle \psi_c | \mathbf{p} | \psi_v \rangle \right|^2$$ ambapo $\psi_c$ na $\psi_v$ ni mawimbi ya elektroni na mashimo, na $\mathbf{p}$ ni kiendeshaji cha kasi. Ugunduzi muhimu ni kwamba mabadiliko ya aloi husababisha $\psi_v$ kuwa mahali pa kudumu sana, ikipunguza ujumuishaji wa anga katika hesabu ya kipengele cha matrix na hivyo kupunguza $|M|^2$ na hatimaye $B$.

7. Mazingira ya Majaribio & Ufasiri wa Chati

Karatasi hii inarejelea Kielelezo cha 1 cha kimawazo (hakijarudiwa katika kipande cha maandishi) ambacho kwa kawaida kingeonyesha Ufanisi wa Quantum wa Nje (EQE) au IQE dhidi ya urefu wa mawimbi ya utoaji kwa LED za III-nitriti (bluu-kijani) na III-fosfidi (nyekundu). Chati ingeonyesha wazi bonde lenye umbo la pengo katika eneo la kijani-manjano—"pengo la kijani." Matokeo ya uigizaji katika karatasi hii yanatoa maelezo ya kiwango cha mikroskopiki kwa upande wa kushoto (nitriti) wa bonde hilo. Kupungua kunakotabiriwa kwa $B$ kadiri maudhui ya In yanavyoongezeka kungedhihirika kwa majaribio kama IQE ya kilele cha chini kwa LED zenye urefu wa mawimbi ya lengo mrefu, hata kama msongamano wa kasoro ya vifaa ungehifadhiwa mara kwa mara.

8. Mfumo wa Uchambuzi: Utafiti wa Kisa wa Kimawazo

Hali: Mtengenezaji wa LED anaona kushuka kwa 40% kwa IQE iliyopimwa wakati wa kubadilisha kilele cha utoaji wa QW kutoka 450 nm (bluu) hadi 530 nm (kijani), licha ya kutumia mapishi yale yale ya ukuaji yaliyoboreshwa kwa msongamano wa chini wa kasoro za kiwango kikubwa.

Utumiaji wa Mfumo:

1. Uundaji wa Dhana: Je, kushuka kunasababishwa na (a) kuongezeka kwa kasoro za pointi, (b) QCSE kali zaidi, au (c) fizikia ya asili ya aloi?
2. Kutenganisha kwa Hesabu: Tumia muundo wa ki-atomi wa tight-binding kama ilivyoelezewa. Pembejeo: muundo wa jina wa In kwa QWs za bluu na kijani. Weka vigezo vingine vyote (upana wa kisima, muundo wa kizuizi, mkazo) mara kwa mara katika muundo.
3. Uigizaji Unaodhibitiwa:
   • Mbio ya 1: Igiza kwa aloi ya InGaN iliyopangwa kikamilifu (makadirio ya fuwele ya virtual). Angalia mabadiliko katika ulinganisho wa mawimbi na $B$ kutokana tu na uwanja ulioongezeka wa upolarishaji (QCSE).
   • Mbio ya 2: Igiza kwa aloi ya bahati nasibu ya kweli kwa muundo wote. Angalia kupungua kwa ziada kwa $B$.
4. Uchambuzi: Pima asilimia ya mchango wa QCSE safi dhidi ya mabadiliko ya aloi kwa kupungua kwa jumla kwa $B$. Hii hutenganisha athari hizo mbili.
5. Matokeo Yanayoweza Kutekelezwa: Ikiwa mabadiliko ya aloi yanachangia >50% ya kupungua kwa $B$, mkakati wa ukuzi unapaswa kugeukia kuelekea uhandisi wa aloi (k.m., kuchunguza aloi za dijiti) badala ya kufuata tu kupunguza zaidi kasoro au usimamizi wa upolarishaji.

9. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

• Ukuzaji wa LED zisizo za Polar na Semi-Polar: Kuondoa QCSE katika GaN isiyo ya polar/semi-polar itaonyesha athari safi ya mabadiliko ya aloi, ikithibitisha muundo huu na kuweka kiwango kipya cha ufanisi kwa vitoa mwanga vya kijani.
• Uhandisi wa Aloi: Utafiti katika mbinu za ukuaji (k.m., MOCVD ya mipigo, uwiano uliobadilishwa wa V/III) ili kufikia ujumuishaji wa In wenye usawa zaidi. Uchunguzi wa "aloi za dijiti" (superlattices fupi za InN/GaN) kama kikwazo cha aloi za bahati nasibu za InGaN, ikitoa muundo unaodhibitiwa na uwezekano wa kupunguza kuziweka mahali pa kudumu.
• Mifumo Mipya ya Vifaa: Uchunguzi wa misombo mbadala ya nitriti (k.m., GaNAs, InAlN yenye maudhui makubwa ya In) au vifaa vya 2D ambavyo vinaweza kufikia utoaji wa kijani bila sehemu kubwa za aloi za bahati nasibu.
• Usanifu wa Hali ya Juu wa Vifaa: Kubuni QWs zenye wasifu wa uwezekano ulioboreshwa (k.m., muundo uliogrediwa, tabaka za delta) ili kupinga athari ya kuziweka mahali pa kudimu kwa mashimo ya makundi ya In.
• Ujumuishaji wa Uigizaji wa Viwango Mbalimbali: Kuunganisha matokeo ya ki-atomi yaliyowasilishwa hapa na miundo ya kiwango kikubwa ya drift-diffusion au Monte Carlo ya kinetic ili kutabiri sifa kamili za kifaa cha LED chini ya hali ya uendeshaji.

10. 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. (Uvumbuzi wa 1993 uliotajwa).
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. (Inataja ufanisi >80%).
3. Wizara ya Nishati ya Marekani, "Solid-State Lighting R&D Plan," 2022. (Chanzo cha mamlaka kwenye uwezo wa SSL na kuchanganya rangi).
4. J. Y. Tsao et al., "Toward smart and ultra-efficient solid-state lighting," Adv. Opt. Mater., vol. 2, no. 9, uk. 809–836, 2014.
5. E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes, toleo la 3. Cambridge University Press, 2018. (Kumbukumbu ya kawaida kwenye fizikia ya LED, ikijumuisha pengo la kijani).
6. Z. Zhuang, D. Iida, K. Ohkawa, "Review of long-wavelength III-nitride semiconductors and their applications," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 54, no. 38, uk. 383001, 2021. (Ukaguzi wa hivi karibuni unaoshughulikia pengo la kijani).
7. J. Jun et al., "The potential of III-nitride laser diodes for solid-state lighting," Prog. Quantum Electron., vol. 55, uk. 1–31, 2017.
8. C. J. Humphreys, "The 2018 nitride semiconductor roadmap," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 51, no. 16, uk. 163001, 2018. (Inajadili QCSE na changamoto za vifaa).
9. P. G. Eliseev, P. Perlin, J. Lee, M. Osinski, "'Blue' temperature-induced shift and band-tail emission in InGaN-based light sources," Appl. Phys. Lett., vol. 71, no. 5, uk. 569–571, 1997. (Kazi ya mapema juu ya athari za kuziweka mahali pa kudumu).
10. J. Zhu, T. Shih, D. Yoo, "Atomistic simulations of alloy fluctuations in InGaN quantum wells," Phys. Status Solidi B, vol. 257, no. 6, uk. 1900648, 2020. (Kazi ya kisasa inayohusiana).