奈米線LED挑戰發光效率瓶頸

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/cm² 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/cm² 之間，奈米線 LED 則要在更大的電流密度（>100 A/cm^2）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/cm² 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]