美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校 (UCSB)的研究團(tuán)隊(duì)宣稱通過(guò)第一原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于以氮化鉀(GaN)為主的LED，俄歇復(fù)合(Auger recombination)是其效率下降(LED droop)與綠色缺口(green gap)的主要原因，可惜并未同時(shí)提出有效的解決方法。

LED droop是指在較高電流操作下，發(fā)光二極管的外部量子效率會(huì)下降。UCSB的Kris Delaney, Patrick Rink及Chris Van deWalle計(jì)算顯示，效率下降的主要影響因素是俄歇復(fù)合，它是一種非輻射式的復(fù)合行為，在2.5eV(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為0.5 μm)時(shí)達(dá)到顛峰。這同時(shí)也解釋了“綠色缺口”——即波長(zhǎng)從藍(lán)光進(jìn)入綠光波段時(shí)，LED的量子效率會(huì)下降的由來(lái)。

此前，Philips Lumileds曾提出，俄歇復(fù)合是在較高電流下效率下降的主因，這種非輻射式復(fù)合過(guò)程牽涉到三個(gè)載子的交互作用，其中至少包含一個(gè)電子與一個(gè)空穴。

UCSB的計(jì)算結(jié)果支持這種說(shuō)法，但不像其它理論研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為俄歇復(fù)合對(duì)于LED droop的影響可以忽略，個(gè)中的差異在于采用不同的氮化物能帶結(jié)構(gòu)。UCSB團(tuán)隊(duì)找到第二條導(dǎo)帶(conduction band)，并納入計(jì)算中。

UCSB團(tuán)隊(duì)的氮化鎵能帶結(jié)構(gòu)是利用密度泛函理論(density-functional theory)結(jié)合多體微擾理論(many-body perturbation theory)所計(jì)算得到。接著他們采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法，計(jì)算了超過(guò)4千萬(wàn)個(gè)步驟的統(tǒng)計(jì)平均，才得到俄歇復(fù)合速率。

UCSB研究團(tuán)隊(duì)第一原理計(jì)算結(jié)果

隨著LED droop的機(jī)制被發(fā)現(xiàn)，未來(lái)的研究方向?qū)⒕劢褂谌コ蚪档投硇獜?fù)合所造成的損失。UCSB團(tuán)隊(duì)在論文中討論了三種降低損失的方法，但都有其劣勢(shì)所在。其中一個(gè)方法是將氮化鉀長(zhǎng)成閃鋅礦(zinc-blende)晶格結(jié)構(gòu)而非一般的纖鋅礦(wurtzite)結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@可以將第二條導(dǎo)帶推到能量較高的位置，但是要長(zhǎng)出高質(zhì)量的閃鋅礦結(jié)構(gòu)并非易事。其它作法包括利用應(yīng)力或是改變InGaAlN的比例去調(diào)整能帶結(jié)構(gòu)，不過(guò)計(jì)算顯示，這些變化都不會(huì)明顯提升LED的表現(xiàn)。