Российский математический физик из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН совместно с коллегами из Германии исследовал свойства светодиодов на основе нитрида галлия и построил математическую модель, объясняющую, почему лишь малая часть затраченной электрической энергии переходит в световую. В будущем это поможет создать светодиоды с более высоким КПД. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в Journal of Physics D: Applied Physics, кратко о них рассказывается в пресс-релизе РНФ.
«Данная работа поможет улучшить эффективность светодиодов из нитрида галлия, а также должна послужить толчком к более детальному экспериментальному поиску материалов для светодиодов с более высокой квантовой эффективностью, то есть высокой светоотдачей», – комментирует ведущий автор работы Карл Сабельфельд, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
Светодиод – это прибор на основе полупроводника, превращающий электрический ток в световое излучение. Полупроводники – вещества, которые по своим свойствам находятся между проводниками и материалами, неспособными проводить электричество. Их проводимость меняется в зависимости от температуры, излучений и других внешних условий. Работа полупроводников основана на переходе электронов на «вакантные места», которые называются дырками. Поскольку дырки заряжены положительно (им не хватает электронов, заряженного отрицательно), они перемещаются вслед за электронами, что также называется перемещением заряда.
Начиная с 1990 года светодиоды часто делают из нитрида галлия (GaN). Это кристаллическое вещество – перспективный материал для изготовления других полупроводниковых приборов, так как нитрид галлия устойчив к ионизирующему излучению. Поэтому из GaN можно делать не только светодиоды, но и солнечные батареи для космических аппаратов. Эффективность уже первых светодиодов на основе нитрида галлия была сравнительно велика (4%), хотя плотность «ловушек», из-за которых энергия может теряться, у нитрида галлия намного больше, чем у других полупроводников с таким же КПД.
Полупроводник из GaN, как и любой кристалл, имеет дислокации – линии, где нарушена регулярность кристаллической решетки (ещё их называют несовершенствами решетки, так как атомы в случае дислокаций оказываются несимметрично сдвинуты). Дислокации – это «ловушки», захватывающими экситоны (пары из электрона и дырки). Пойманные «ловушками» экситоны уже не могут излучать энергию в виде света, и светодиод светит слабее, чем мог бы. Поэтому дислокации и другие возможные дефекты мешают создать светодиоды, в которых потери энергии не происходит.
Моделирование процессов диффузии и захвата экситонов проникающими дислокациями. Источник: Карл Сабельфельд
«Однако строгой физической теории о том, как происходит взаимодействие экситонов с дислокациями, не существует, и проблема еще усложняется тем, что методы физических измерений таких взаимодействий довольно сложны и требуют математической поддержки и компьютерного моделирования», – поясняет Карл Сабельфельд.
Наконец такая теория была создана, и помогли в этом методы измерения попадания экситонов в их «ловушки». Чтобы засечь сигнал от взаимодействия экситонов и «ловушек», экспериментаторы используют несколько методов: катодолюминесценцию, основанную на свечении вещества, которое облучили потоком быстрых электронов, и измерение тока, вызванного воздействием на нитрид галлия пучка электронов.
Физики провели сложнейшие, по их словам, расчеты и впервые нашли точное решение задачи об интенсивности катодолюминесценции и тока, вызванного действием электронного пучка. Также они впервые построили модель взаимодействия экситонов и дислокаций, создав строгую теорию, математически объясняющую экспериментальные данные. Новые модели позволяют гораздо лучше понять, как и почему экситоны попадают в «ловушки» и что в будущем поможет повысить КПД светодиодов.
Исследование выполнено совместно с учеными из Института твердотельной электроники им. П. Друде (Берлин).
