Forskare från Low Energy Electronic Systems (LEES) Interdisciplinary Research Group (IRG) vid Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT:s forskningsföretag i Singapore, har tillsammans med Massachusetts Institute of Technology (MIT) och National University of Singapore (NUS) hittat en metod för att kvantifiera fördelningen av sammansättningsfluktuationer i indiumgalliumnitrid (InGaN) kvantbrunnar (QW) vid olika indiumkoncentrationer.

InGaN ljusemitterande dioder (LED) har revolutionerat området för halvledarbelysning på grund av deras höga effektivitet och hållbarhet, och låga kostnader. Färgen på LED-emissionen kan ändras genom att variera indiumkoncentrationen i InGaN-föreningen, ger InGaN lysdioder potential att täcka hela det synliga spektrumet. InGaN lysdioder med relativt låga indiummängder jämfört med gallium, som den blå, grön, och cyan lysdioder, har haft betydande kommersiell framgång för kommunikation, industri- och fordonstillämpningar. Dock, Lysdioder med högre indiumkoncentrationer, som röda och bärnstensfärgade lysdioder, lider av en nedgång i effektivitet med den ökande mängden indium.

För närvarande, röda och bärnstensfärgade lysdioder är gjorda av aluminiumindiumgalliumfosfid (AlInGaP)-materialet istället för InGaN på grund av InGaN:s dåliga prestanda i det röda och bärnstensfärgade spektrumet orsakat av effektivitetsfallet. Att förstå och övervinna effektivitetsfallet är det första steget mot att utveckla InGaN-lysdioder som täcker hela det synliga spektrumet, vilket avsevärt skulle minska produktionskostnaderna.

I en artikel med titeln "Unlocking the origin of kompositionsfluktuationer i InGaN light emitting diodes", nyligen publicerad i den prestigefyllda tidskriften Material för fysisk granskning , teamet använde en mångfacetterad metod för att förstå ursprunget till fluktuationer i sammansättningen och deras potentiella effekt på effektiviteten hos InGaN lysdioder. Den exakta bestämningen av sammansättningsfluktuationer är avgörande för att förstå deras roll för att minska effektiviteten i InGaN-lysdioder med högre indiumkompositioner.

"[Ursprunget till] effektivitetsminskningen som upplevs i högre indiumkoncentrationer av InGaN lysdioder är fortfarande okänd till denna dag, säger medförfattaren till tidningen, Professor Silvija Gradecak från institutionen för materialvetenskap och teknik vid NUS och huvudutredare vid SMART LEES. "Det är viktigt att förstå detta effektivitetsfall för att skapa lösningar som kommer att kunna övervinna det. För att göra det, vi har designat en metod som kan upptäcka och studera sammansättningsfluktuationerna i InGaN QWs för att bestämma dess roll i effektivitetsfallet."

Forskarna utvecklade en mångfacetterad metod för att detektera indiumsammansättningsfluktuationer i InGaN QWs med hjälp av synergistisk undersökning som kombinerar kompletterande beräkningsmetoder, avancerad karakterisering i atomär skala och autonoma algoritmer för bildbehandling.

Tara Mishra, huvudförfattare till uppsatsen och SMART Ph.D. Kamrat sa, "Denna metod som utvecklats och används i vår forskning är allmänt användbar och kan anpassas till andra materialvetenskapliga undersökningar där sammansättningsfluktuationer behöver undersökas."

"Metoden som vi utvecklade kan tillämpas brett och ge betydande värde och inverkan på andra materialvetenskapliga studier, där atomistiska sammansättningsfluktuationer spelar en viktig roll för materialprestanda, " sa Dr Pieremanuele Canepa, medförfattare till uppsatsen och huvudutredare vid SMART LEES och även biträdande professor från institutionen för materialvetenskap och teknik, och Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid NUS. "Förståelsen av atomfördelningen av InGaN vid varierande indiumkoncentrationer är nyckeln till att utveckla nästa generations fullfärgsskärmar med hjälp av InGaN LED-plattformen."

Forskningen fann att indiumatomerna är slumpmässigt fördelade i en relativt låg indiumhalt InGaN. Å andra sidan, partiell fasseparation observeras i högre indiumhalt InGaN, där slumpmässiga sammansättningsfluktuationer är samtidiga med fickor av indiumrika regioner.

Fynden förbättrade förståelsen av den atomära mikrostrukturen hos InGaN och dess potentiella effekt på prestanda hos lysdioder, banar väg för framtida forskning för att fastställa vilken roll sammansättningsfluktuationer spelar i den nya generationen InGaN LED och designstrategier för att förhindra nedbrytning av dessa enheter.