國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(ucsb)的研究團(tuán)隊宣稱通過第一原理計算發(fā)現(xiàn)，對于以氮化鉀(gan)為主的發(fā)光二極管(led)，俄歇復(fù)合(auger recombination)是其效率下降(led droop)與綠色缺口(green gap)的主要原因，可惜并未同時提出有效的解決方法。

led droop是指在較高電流操作下，發(fā)光二極管的外部量子效率會下降。ucsb的kris delaney, patrick rink及chris van dewalle計算顯示，效率下降的禍?zhǔn)资嵌硇獜?fù)合，它是一種非輻射式的復(fù)合行為，在2.5ev(對應(yīng)波長為0.5 μm)時達(dá)到顛峰。這同時也解釋了“綠色缺口”——即波長從藍(lán)光進(jìn)入綠光波段時，led的量子效率會下降的由來。

稍早led制造商philips lumileds根據(jù)實驗結(jié)果主張，俄歇復(fù)合是在較高電流下效率下降的主因，這種非輻射式復(fù)合過程牽涉到三個載子的交互作用，其中至少包含一個電子與一個空穴。ucsb的計算結(jié)果支持這種說法，而不像其它理論研究團(tuán)隊認(rèn)為俄歇復(fù)合對于led droop的影響可以忽略，個中的差異在于采用不同的氮化物能帶結(jié)構(gòu)：ucsb團(tuán)隊找到第二條導(dǎo)帶(conduction band)，并納入計算中。

圖片顯示的是在一個ingan晶體內(nèi)不同的再復(fù)合過程

ucsb團(tuán)隊的氮化鎵能帶結(jié)構(gòu)是利用密度泛函理論(density-functional theory)結(jié)合多體微擾理論(many-body perturbation theory)所計算得到。接著他們采用蒙特卡洛(monte carlo)法，計算了超過4千萬個步驟的統(tǒng)計平均，才得到俄歇復(fù)合速率。

ucsb研究團(tuán)隊第一原理計算結(jié)果

隨著led droop的機(jī)制被發(fā)現(xiàn)，未來的研究方向?qū)⒕劢褂谌コ蚪档投硇獜?fù)合所造成的損失。ucsb團(tuán)隊在論文中討論了三種降低損失的方法，但都有缺點。其中一個方法是將氮化鉀長成閃鋅礦(zinc-blende)晶格結(jié)構(gòu)而非一般的纖鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu)，因為這可以將第二條導(dǎo)帶推到能量較高的位置，但是要長出高質(zhì)量的閃鋅礦結(jié)構(gòu)并非易事。其它作法包括利用應(yīng)力或是改變ingaaln的比例去調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)，不過計算顯示，這些變化都不會明顯提升led的表現(xiàn)。