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奈米線LED挑戰發光效率瓶頸

圖片來源:Mike Deal aka ZoneDancer@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

相較於傳統平面 LED 的異質結構(heterostructure),以奈米線(nanowire)製作的 LED 不僅錯位密度低,光輸出效率因表面積—體積比大而提高,而且還能與便宜、大面積的矽基板相容。不過目前已知的奈米線 LED 通常有一個致命傷:隨著注入電流增加,量子效率上升太緩慢。

為了瞭解箇中原因,加拿大麥基爾大學(McGill University)的研究人員仔細研究了奈米線 LED 的發光特性,試圖釐清基本的載子損耗機制。該團隊發展出獨特的氮化銦鎵/氮化鎵量子點嵌入奈米線式(dot-in-a-wire)異質結構,發光特性可藉由改變量子點的大小或/及組成成份加以控制。他們展示了不含磷且製作在矽基板上的白光 LED,其內部量子效率在整個可見光譜範圍創下破記錄的 ~58%,他們也發現注入電流較大時,元件效能下降的主因是電子漏出活性區,而非以往認為的歐傑重合(Auger recombination)。

研究人員在量子點活性區與 p 型氮化鎵之間嵌入氮化鋁鎵層來阻擋電子,讓這種氮化銦鎵/氮化鎵量子點嵌入奈米線式白光 LED 在操作溫度高達 150°C 且入注電流密度超過 1000 A/cm時,效能依然不會明顯下降,此元件還表現出高度穩定的發光特性。不過,相較於傳統的量子阱 LED,奈米線 LED 的量子效率通常隨注入電流增加上升得太慢,例如量子阱 LED 的最大效能通常出現在電流密度為 10 到 20 A/cm之間,奈米線 LED 則要在更大的電流密度(>100 A/cm2)才能表現最佳效能。

該團隊透過測量電致發光與溫度的關係及模擬計算,認為在奈米線側面因表面態、缺陷及大表面積-體積比所導致的 Shockley-Read-Hall 重合(SRH recombination),是量子效率上升遲緩的主因,例如在室溫下且電流密度約 100 A/cm時,大約 40% 的載子重合屬於 SRH 重合。

該團隊認為這項研究釐清了限制奈米線 LED 表現的各種損耗機制,這些理解有助於研發實用的奈米線光子元件。詳見 Nanotechnology 23, p.194012 (2012) | doi:10.1088/0957-4484/23/19/194012。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Nanowire LEDs: study examines efficiency bottleneck—nanotechweb.org [2012-06-28]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-07-14] 

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