Это новое исследование "Абсолютная внутренняя квантовая эффективность светодиодов на основе InGaN при низких температурах" было недавно опубликовано в журнале Письма по прикладной физике.

Как говорит доцент ЕЭК Джан Байрам, светодиоды являются основным источником освещения. С момента своего изобретения они становятся все более популярными благодаря своей энергоэффективности и экономичности.

Светодиод - это полупроводник, который излучает свет, когда через устройство протекает ток. Он генерирует фотоны путем рекомбинации электронов и дырок (носителей заряда), высвобождая энергию в виде фотонов. Цвет испускаемого света соответствует энергии фотона.

Синие светодиоды на основе InGaN обеспечивают яркое и энергосберегающее белое освещение. Переход на твердотельные источники освещения значительно сократил потребности в энергии и выбросы парниковых газов, но для достижения целей энергосбережения в долгосрочной перспективе необходимо постоянное повышение эффективности. Дорожная карта Министерства энергетики США на 2035 год предусматривает повышение эффективности использования синих светодиодов с 70% до 90% и дальнейшую экономию энергии на 450 тераватт-часов (ТВтч) и CO₂ экономия выбросов на 150 миллионов метрических тонн.

Байрам говорит: "Вопрос в том, как мы можем продвинуть этот идеальный источник освещения дальше? Ответ заключается в понимании его абсолютной эффективности, а не относительной". Относительная эффективность сравнивает устройство с самим собой, в то время как абсолютная эффективность позволяет сравнивать различные устройства, измеряя эффективность по общепринятой шкале.

IQE определяется как отношение генерируемых фотонов к инжектируемым электронам в активной области полупроводника и является важным показателем для количественной оценки характеристик светодиодов. Наиболее широко используемым методом количественной оценки IQE является зависящая от температуры фотолюминесценция. В таких анализах предполагалось, что при низких температурах (4, 10 или даже 77 Кельвинов) происходит 100%-ная радиационная рекомбинация, что означает образование фотона. При комнатной температуре из-за нерадиационных механизмов, которые выделяют избыточную энергию в виде тепла, а не фотонов, эффективность значительно ниже. Соотношение двух интенсивностей фотолюминесценции дает относительную эффективность светодиода.

Первоначальное предположение состояло в том, что при низких температурах не происходит безызлучательной рекомбинации - все механизмы потерь "заморожены". Байрам и аспирант Ю-Чи Чиу утверждают, однако, что это предположение может быть неверным, поскольку нерадиационные эффекты на самом деле могут не полностью исчезать при низких температурах.

В своей статье Байрам и Чиу демонстрируют другой метод определения абсолютного IQE светодиодов на основе InGaN при низких температурах. Используя "канальную" модель рекомбинации, они сообщают об удивительных результатах: абсолютный коэффициент полезного действия светодиода на традиционных сапфировой и кремниевой подложках составляет 27,5% и 71,1% соответственно, что значительно ниже стандартного предположения.

Чтобы объяснить эти неожиданные результаты, Чиу говорит, что модель рекомбинации на основе каналов - это один из способов задуматься о том, что происходит внутри активного слоя светодиода и как рекомбинация в одном канале влияет на другой канал. Канал - это путь, по которому носитель может рекомбинировать радиационно или безызлучательно.

"Чтобы определить эффективность синего светодиода, обычно учитывается только синее излучение", - говорит Чиу. "Но это игнорирует эффекты всего остального, происходящего внутри устройства, в частности, безызлучательных каналов и каналов люминесценции дефектов. Наш подход заключается в том, чтобы получить более целостное представление об устройстве и определить, происходит ли рекомбинация в синем канале, как на это влияют второй и третий каналы?"

Поскольку исследования в области светодиодов продолжают продвигаться вперед, важно знать абсолютную эффективность, а не относительную. Байрам подчеркивает, что "абсолютная эффективность очень важна для отрасли, чтобы каждый мог опираться на знания друг друга, а не каждая группа повышала свою собственную эффективность. Нам нужны абсолютные измерения, а не только относительные".

Чтобы соответствовать стандартам эффективности, установленным Министерством энергетики, будет становиться все более важным правильно определять эффективность светодиодов количественно. Даже повышение эффективности на 1% будет соответствовать тоннам экономии углекислого газа в год. Чиу говорит: "Понимание абсолютной эффективности, а не относительной, даст нам более точную картину и позволит нам еще больше совершенствовать устройства, имея возможность сравнивать их друг с другом".