Onderzoekers van de Low Energy Electronic Systems (LEES) Interdisciplinary Research Group (IRG) bij Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT's onderzoeksbedrijf in Singapore, hebben samen met het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de National University of Singapore (NUS) een methode gevonden om de verdeling van samenstellingsfluctuaties in de indium galliumnitride (InGaN) quantum wells (QW's) bij verschillende indiumconcentraties te kwantificeren.

InGaN light emitting diodes (LED's) hebben een revolutie teweeggebracht op het gebied van solid-state verlichting vanwege hun hoge efficiëntie en duurzaamheid, en lage kosten. De kleur van de LED-emissie kan worden gewijzigd door de indiumconcentratie in de InGaN-verbinding te variëren, waardoor InGaN LED's het potentieel hebben om het volledige zichtbare spectrum te bestrijken. InGaN LED's met relatief lage hoeveelheden indium vergeleken met gallium, zoals de blauwe, groente, en cyaan LED's, aanzienlijk commercieel succes hebben geboekt op het gebied van communicatie, industrie en automotive toepassingen. Echter, LED's met hogere indiumconcentraties, zoals de rode en oranje LED's, lijden aan een daling van de efficiëntie met de toenemende hoeveelheid indium.

Momenteel, rode en amberkleurige LED's zijn gemaakt van aluminium-indium-galliumfosfide (AlInGaP) materiaal in plaats van InGaN vanwege de slechte prestaties van InGaN in het rode en oranje spectrum als gevolg van de daling van de efficiëntie. Het begrijpen en overwinnen van de efficiëntiedaling is de eerste stap in de richting van de ontwikkeling van InGaN-leds die het hele zichtbare spectrum bestrijken en die de productiekosten aanzienlijk zouden verlagen.

In een paper getiteld "Unlocking the origin of composition fluctuaties in InGaN light emitting diodes", onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysiek beoordelingsmateriaal , het team gebruikte een veelzijdige methode om de oorsprong van samenstellingsfluctuaties en hun potentiële effect op de efficiëntie van InGaN-leds te begrijpen. De nauwkeurige bepaling van samenstellingsfluctuaties is van cruciaal belang voor het begrijpen van hun rol bij het verminderen van de efficiëntie in InGaN-LED's met hogere indiumsamenstellingen.

"De [oorsprong van de] efficiëntiedaling die wordt ervaren bij InGaN-leds met een hogere indiumconcentratie is tot op heden nog onbekend, " zegt co-auteur van het artikel, Professor Silvija Gradecak van het Department of Materials Science and Engineering bij NUS en Principal Investigator bij SMART LEES. "Het is belangrijk om deze efficiëntiedaling te begrijpen om oplossingen te creëren die dit kunnen overwinnen. Om dit te doen, we hebben een methode ontworpen die de samenstellingsfluctuaties in de InGaN QW's kan detecteren en bestuderen om de rol ervan in de efficiëntiedaling te bepalen."

De onderzoekers ontwikkelden een veelzijdige methode om fluctuaties in de samenstelling van indium in de InGaN QW's te detecteren met behulp van synergetisch onderzoek dat complementaire computationele methoden combineert, geavanceerde karakterisering op atomaire schaal en autonome algoritmen voor beeldverwerking.

Tara Misra, hoofdauteur van de paper en SMART Ph.D. collega zei, "Deze methode die in ons onderzoek is ontwikkeld en gebruikt, is algemeen toepasbaar en kan worden aangepast aan andere materiaalwetenschappelijke onderzoeken waarbij fluctuaties in de samenstelling moeten worden onderzocht."

"De methode die we hebben ontwikkeld, kan op grote schaal worden toegepast en biedt aanzienlijke waarde en impact op andere materiaalwetenschappelijke studies, waar atomistische samenstellingsfluctuaties een belangrijke rol spelen bij materiële prestaties, " zei Dr. Pieremanuele Canepa, co-auteur van de paper en hoofdonderzoeker bij SMART LEES en tevens assistent-professor van de afdeling Materials Science and Engineering, en afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de NUS. "Het begrip van de atomaire distributie van InGaN bij verschillende indiumconcentraties is de sleutel tot de ontwikkeling van full-color displays van de volgende generatie met behulp van het InGaN LED-platform."

Uit het onderzoek bleek dat de indiumatomen willekeurig zijn verdeeld in een relatief laag indiumgehalte InGaN. Anderzijds, gedeeltelijke fasescheiding wordt waargenomen in InGaN met een hoger indiumgehalte, waar willekeurige fluctuaties in de samenstelling samenvallen met gebieden met indiumrijke regio's.

De bevindingen bevorderden het begrip van de atomaire microstructuur van de InGaN en het mogelijke effect ervan op de prestaties van LED's, de weg vrijmaken voor toekomstig onderzoek om de rol van samenstellingsfluctuaties in de nieuwe generatie InGaN-LED's en ontwerpstrategieën te bepalen om degradatie van deze apparaten te voorkomen.