InGaN LED性能背后的科学

研究人员发现，组分波动可能与铟含量更高的LED效率下降相关

新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的低能耗电子系统（LEES）跨学科研究小组（IRG）的研究人员，麻省理工学院在新加坡的研究企业，麻省理工学院（MIT）和新加坡国立大学（ NUS）已经找到一种方法来量化不同铟浓度下InGaN量子阱（QW）中组分波动的分布。

InGaN LED凭借其高效率和耐用性以及低成本而彻底改变了固态照明领域。可以通过改变InGaN化合物中的铟浓度来改变LED发射的颜色，从而使InGaN LED能够覆盖整个可见光谱。与镓相比铟含量相对较低的InGaN LED，例如蓝色，绿色和青色LED，在通信，工业和汽车应用中获得了巨大的商业成功。但是，随着铟含量的增加，具有较高铟浓度的LED（例如红色和琥珀色LED）的效率会下降。

目前，红色和琥珀色的LED都是用AlInGaP材料代替InGaN制作的，这是由于InGaN在红色和琥珀色的光谱中由于效率的下降而表现出较差的性能。理解和克服效率下降是开发覆盖整个可见光谱的InGaN LED的第一步，这将大大降低生产成本。

（上图为周期性排列的多色LED阵列，用于发出可见光；基于InGaN的红色、蓝色和绿色LED的组合对于有效覆盖整个可见光谱的照明需求至关重要。）

在最近发表在《物理评论材料》（Physical Review Materials）上的一篇题为“解开InGaN发光二极管中的组分波动的起源”的论文中，研究小组采用了一种多方面的方法来了解组分波动的起因及其对InGaN LED效率的潜在影响。准确确定组分波动对于了解其在降低具有更高铟组成的InGaN LED中的效率中的作用至关重要。

该论文的合著者，美国国立大学材料科学与工程系的Silvija Gradecak和SMART LEES的首席研究员表示：“迄今为止，铟浓度更高的InGaN LED效率下降的原因还不清楚。” 。 “理解这种效率下降对于创造能够克服它的解决方案非常重要。为此，我们设计了一种方法，该方法能够检测和研究InGaN QW中的组分波动，以确定其在效率下降中的作用。”

研究人员开发了一种多方面的方法来检测InGaN QW中的铟组分波动，这种方法采用了协同研究，这种方法结合了互补的计算方法、先进的原子尺度表征和图像处理的自主算法。

该论文的主要作者和SMART博士研究员Tara Mishra表示：“在我们的研究中开发和使用的这种方法具有普遍的适用性，可以适用于需要研究组分波动的其他材料科学研究。”

 “我们开发的方法可以广泛应用，并为其他材料科学研究提供重要的价值和影响，在这些研究中，原子组份波动对材料性能起着重要作用。” 论文合著者、SMART-LEES首席研究员、国立大学材料科学与工程系、化学与生物分子工程系助理教授Pieremanuele Canepa说。“了解不同铟浓度下InGaN的原子分布是使用InGaN LED平台开发下一代全彩显示器的关键。”

研究发现，铟原子随机分布在铟含量相对较低的InGaN中。另一方面，在较高铟含量的InGaN中观察到部分相分离，其中随机的组分波动与富铟区域的凹坑同时发生。

这些发现加深了人们对InGaN原子微观结构及其对LED性能的潜在影响的理解，为未来研究确定组分波动在新一代InGaN LED中的作用以及防止LED退化的设计策略铺平了道路。

该研究由SMART进行，并由新加坡国家研究基金会（NRF）在其“卓越研究与技术企业校园（create）”计划的支持下进行。