Często przyjmuje się, że bezwzględna wewnętrzna wydajność kwantowa (IQE) diod emitujących niebieskie światło (LED) na bazie azotku indu i galu (InGaN) w niskich temperaturach wynosi 100%. Jednak nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z University of Illinois Urbana-Champaign Electrical and Computer Engineering wykazało, że założenie o zawsze doskonałym IQE jest błędne: IQE diody LED może wynosić zaledwie 27,5%.
Te nowe badania, „Absolutna wewnętrzna wydajność kwantowa niskotemperaturowa diod elektroluminescencyjnych opartych na InGaN”, zostały niedawno opublikowane w Applied Physics Letters.
Jak ujął to profesor nadzwyczajny ECE Can Bayram, diody LED są najlepszym źródłem światła. Od czasu ich wynalezienia stają się coraz bardziej popularne ze względu na ich efektywność energetyczną i opłacalność.
Dioda LED to półprzewodnik, który emituje światło, gdy prąd przepływa przez urządzenie. Generuje fotony poprzez rekombinację elektronów i dziur (nośników), uwalniając energię w postaci fotonów. Kolor emitowanego światła odpowiada energii fotonu.
Niebieskie diody LED na bazie InGaN zapewniają jasne i energooszczędne białe światło. Przejście na półprzewodnikowe źródła światła znacznie zmniejszyło zapotrzebowanie na energię i emisje gazów cieplarnianych, ale ciągłe doskonalenie wydajności jest konieczne, aby osiągnąć cele w zakresie oszczędności energii w perspektywie długoterminowej. Plan działania Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na rok 2035 zakłada zwiększenie wydajności niebieskich diod LED z 70% do 90% oraz dalsze oszczędności energii o 450 terawatogodzin (TWh) i ograniczenie emisji CO2 o 150 milionów ton metrycznych.
Bayram mówi: „Pytanie brzmi: w jaki sposób możemy ulepszyć to doskonałe źródło światła? Odpowiedź brzmi: zrozumienie jego bezwzględnej, a nie względnej wydajności”. Względna wydajność porównuje urządzenie z samym sobą, podczas gdy bezwzględna wydajność pozwala na porównanie różnych urządzeń poprzez pomiar wydajności na wspólnej skali.
IQE definiuje się jako stosunek generowanych fotonów do wstrzykniętych elektronów w obszarze aktywnym półprzewodnika i jest ważnym miernikiem do ilościowego określania wydajności diod LED. Najczęściej stosowaną metodą ilościowego określania IQE jest fotoluminescencja zależna od temperatury. W takich analizach przyjęto, że w niskich temperaturach (4, 10, a nawet 77 kelwinów) zachodzi 100% rekombinacja radiacyjna, czyli wytworzenie fotonu. W temperaturze pokojowej, ze względu na mechanizmy nieradiacyjne, które emitują nadmiar energii w postaci ciepła, a nie fotonów, wydajność jest znacznie niższa. Stosunek dwóch intensywności fotoluminescencji daje względną wydajność diody LED.
Pierwotne założenie było takie, że w niskich temperaturach nie dochodzi do rekombinacji niepromienistej – wszystkie mechanizmy utraty są „zamrożone”. Bayram i doktorant Yu-Chieh Chiu twierdzą jednak, że to założenie może być błędne, ponieważ efekty nieradiacyjne mogą w rzeczywistości nie zostać całkowicie zamrożone w niskich temperaturach.
W swoim artykule Bayram i Chiu demonstrują inną metodę ujawniania bezwzględnego IQE niskotemperaturowych diod LED opartych na InGaN. Korzystając z modelu rekombinacji opartego na kanałach, zgłaszają zaskakujące wyniki: bezwzględny IQE diody LED na tradycyjnych podłożach szafirowych i krzemowych wynosi odpowiednio 27,5% i 71,1% – drastycznie mniej niż standardowe założenie.
Aby wyjaśnić te nieoczekiwane wyniki, Chiu mówi, że model rekombinacji oparty na kanałach jest jednym ze sposobów myślenia o tym, co dzieje się wewnątrz aktywnej warstwy diody LED i jak rekombinacja w jednym kanale wpływa na inny kanał. Kanał jest ścieżką, którą nośnik może przyjąć, aby rekombinować radiacyjnie lub bez promieniowania.
“Aby określić wydajność niebieskiej diody LED, zwykle bierze się pod uwagę tylko niebieską emisję” – mówi Chiu. „Ale to ignoruje skutki wszystkiego, co dzieje się wewnątrz urządzenia, w szczególności niepromieniujących i wadliwych kanałów luminescencyjnych. Naszym podejściem jest uzyskanie bardziej holistycznego obrazu urządzenia i określenie, czy w kanale niebieskim zachodzi rekombinacja, w jaki sposób na które ma wpływ drugi i trzeci kanał(y)?”
Ponieważ badania nad diodami LED wciąż postępują, ważne jest, aby znać wydajność bezwzględną, a nie względną. Bayram podkreśla, że „bezwzględna wydajność jest bardzo ważna w tej dziedzinie, aby każdy mógł opierać się na wiedzy innych, a nie każda grupa poprawiała swoją własną wydajność. Potrzebujemy pomiarów bezwzględnych, a nie tylko względnych”.
Aby spełnić standardy wydajności określone przez DOE, coraz ważniejsze będzie prawidłowe ilościowe określenie wydajności diod LED. Nawet 1% wzrost wydajności będzie odpowiadał ton oszczędności dwutlenku węgla rocznie. Chiu mówi: „Zrozumienie bezwzględnej wydajności, zamiast względnej, da nam dokładniejszy obraz i pozwoli nam na dalsze ulepszanie urządzeń poprzez porównywanie ich ze sobą”.