Первые полноценные светодиоды появились в относительно далеком прошлом по меркам полупроводниковой индустрии, более 50 лет назад. Все они работают благодаря особым взаимодействиям между электронами и "дырками", областями положительного заряда внутри полупроводников, которые заставляют элементарные частицы выделять часть своей энергии в виде света.
"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", — рассказал Карл Сабельфельд (Karl Sabelfeld) из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.
За это время ученые и инженеры открыли десятки материалов, способных служить основой для светодиодов, в том числе и органические материалы, что позволило им проникнуть фактически во все сферы жизни человека. Несмотря на огромный успех этих излучателей света, у всех них есть один общий недостаток — эффективность их работы резко обваливается в том случае, если сила пропускаемого через них тока превышает несколько десятков миллиампер.
Сабельфельд и его коллеги нашли возможное объяснение этому феномену, изучая то, как работают светодиоды из нитрида галлия, обладающие аномально высоким КПД, примерно 4%, при достаточно заурядных физических свойствах этого материала.
Дело в том, что кристаллы этого полупроводника имеют внутри себя достаточно много дефектов, мешающих преобразованию энергии электричества в частицы света, в результате чего их КПД должен быть на самом деле гораздо ниже, чем в реальности. Российские и германские ученые заинтересовались этим необычным расхождением и попытались понять, как оно возникает, используя компьютерную модель подобного светодиода.
Для ее создания ученые проанализировали данные, собранные физиками-экспериментаторами во время наблюдений за работой различных светодиодов из нитрида галлия, и создали набор формул, описывающий то, как возникают пары "дырок" и электронов внутри них, как они подавляются дефектами в кристаллах и почему повышение силы понижает эффективность их работы.
Эти расчеты физики проверили, создав свой собственный светодиод и "обстреляв" его при помощи электронной пушки, позволившей им локализовать все дефекты и источники фотонов внутри кристаллов нитрида галлия. Как отмечают исследователи, их формулы достаточно точно описали то, что "увидел" сканирующий электронный микроскоп, что позволяет использовать их для создания более эффективных и ярких светодиодов уже в ближайшие годы.
