Инженерное внедрение дефектов ускоряет работу светодиодов на основе нитрида галлия

Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kt15-x472

Исследование, проведенное учеными из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики (CIOMP) Китайской академии наук, продемонстрировало, как вакансии азота (V_N) решают проблему асимметричной инжекции носителей в светодиодах на основе нитрида галлия (GaN), предлагая практический способ повышения эффективности устройств.

Исследователи изучили асимметричную релаксацию носителей в квантовых ямах GaN/AlN, где электроны охлаждаются значительно медленнее, чем дырки, что приводит к потере энергии и снижению производительности светодиодов. Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

С помощью расчетов из первых принципов и моделирования неадиабатической молекулярной динамики исследователи проанализировали роль V_N, внедренных на границе раздела GaN/AlN. Эти дефекты создали промежуточные состояния, которые действовали как «ступеньки» для электронов, сокращая время их релаксации с 8,61 пс до 0,15 пс, что сопоставимо с дырками (0,12 пс). Дефектные состояния усилили электрон-фононную связь, дополнительно ускорив охлаждение носителей.

Более того, исследователи идентифицировали восемь конфигураций V_N, четыре из которых расположены в критическом энергетическом интервале (E_g2) между минимумом зоны проводимости (CBM) и высшими состояниями. Системы демонстрировали непрерывные зонные структуры и сильную неадиабатическую связь, обеспечивая сверхбыструю релаксацию электронов.

В отличие от этого, дефекты вне этой области захватывали электроны без улучшения охлаждения. Внешние легирующие примеси, такие как кремний, были исключены, поскольку их энергетические уровни не соответствовали требуемым состояниям.

Исследование предоставляет план для оптимизации оптоэлектронных устройств на основе GaN путем стратегического инженерного внедрения дефектов. Этот подход может повысить эффективность ультрафиолетовых светодиодов за счет смягчения дисбаланса носителей, которые в настоящее время страдают от квантовой эффективности ниже 10%. Кроме того, это исследование подчеркивает роль дефектов как инструментов для управления свойствами полупроводников.

Больше информации: Yuxin Yang et al, Overcoming Asymmetric Carrier Injection in III-Nitride Light-Emitting Diodes through Defect Engineering, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/kt15-x472

Источник: Chinese Academy of Sciences