资 源 简 介
众所周知的是，藉由在LED MQW的p型侧插入电子阻障层（EBL），即能够提高元件的效率。藉由加入一层由比活性区能阶还宽的材料所制成的薄膜，即能够产生一道可阻挡电子流出元件活性区并流入p型侧的位能阻障层。从活性区溢流（overflow）出的电子是两种热门蓝光MQW LED光效下降的推测之一，而另一种则是被称为Auger复合（recombinaTIon）的非辐射性过程。这二种理论均有众多的追随者，但他们不会得到普遍的支持，除非他们能解决两个主要障碍：为光效下降提供一个无懈可击的解释，并说明LED因加入MWQ和EBL所得到的效益。
Auger 与载子溢流的比较
了解Auger复合是光效下降之成因的说法是比较容易理解的。当LED启动时，其活性区会充满电子 （与电洞），而其密度称为N。由於光的产生需要一个电子和一个电洞交互作用，辐射性复合过程会以N的平方进展。而与此相反的是，Auger 复合是一个损失光子的过程，其涉及三个不同的载子（两个电子和一个电洞，或两个电洞和一个电子），其过程会以N的三次方进展。这意味着LED中的电流会被加速且载子浓度会上升，因此Auger复合的增加幅度会超过辐射性复合。因此，LED在较高电流密度下的效率会减少，而这是众所周知称为光效下降的特性。
相较於光效下降的成因，要解释Auger理论下LED行为中的MQW和EBL的益处则更为复杂。由Auger阵营所提出的论点是，MQW和EBL均会协助让载子在MQW内散布地更均匀。因此，相对於相同N平方的光子产生，三次方的Auger损失将会因为更为均匀的载子密度而较少。同时，那些支持溢流理论者认为，一个量子井是类似於一个水桶，其有能力捕获并保持住在较高注入时会减少的注入载子。当注入载子没有被捕获或保持住时，它们会溢流出活性区而被浪费掉了，因此会造成光效下降。
而利用溢流理论则很容易解释MQW和EBL的益处：添加另一个量子井可达成重新抓回并再回收前一个量子井未捕获的溢流载子；同时插入一层EBL可强迫溢流的电子返回，因而会再被MQW捕获。而解释光效下降是比较棘手的，溢流理论的支持论点是依赖於量子力学原理中，量子化状态只能容纳两个相反自旋的电子。这意味着，量子井在注入更多载子时会开始饱和。由於这两个学派的思维似乎能够解释蓝光LED在不同电流密度下的行为的主要特徵，因此就需要数值模拟来定量地验证这些理论。这次的操练不仅具有学术上的意义－它也具有重大的实作重要性，因为数值模拟能够优化晶片制造和装置制造的制程。
需要多少量子井？
在常见的业界实作中会在氮化物LED中使用多个量子井，而不是仅有一个。就此情况而论，令人惊讶的是直到最近，仍然没有关於另一个被加入到活性区的量子井对於效能影响的实验报告。在2011年时，美国加州大学圣塔巴巴拉分校（UCSB）的研究人员，打破了这种长期缺乏实验数据的情况，其声称量子井数从6个增加到9个後能够降低InGaN/GaN MQW LED中的光效下降 ［1］。这些实验结果提供了一个很好的比较机会，来将相互竞争的光效下降理论加以验证。如果模拟能够复制真实的数据，这表示它们可以提供一个很好的工具，以用在LED的工业设计与优化上。
我们最近利用Crosslight软体公司－总部设於加拿大温哥华和中国上海－已经商业化的APSYS软体模拟了UCSB LED的行为。具体而言，我们采用具有非区域性QW传输模型的模拟程式，以了解具有不同量子井数目的蓝光InGaN/GaN MQW LED的光学与电气特性。而此模型化的成果、载子捕获与载子溢流的关键机制，都已图示在图一中。要特别说明的是，此模型包括了Auger复合与载子溢流这两个造成LED光效下降成因的主要候选理论。
我们已经使用这两种理论进行了一些模拟，也就是假设Auger复合在某种情况下是主要的，而在另一种情况下则是可被忽略不计的（而所有其他参数在合理范围内均是可调的）。模拟结果发现，我们在使用载子溢流理论时，能够产生一个跟UCSB的实验相当一致的结果─在这种情况下，我们包含了可以忽略不计的Auger复合（参阅图二）。而我们所模拟的结果已发表於Applied Physics Letters期刊上 ［2］。
在高电流密度下采用Auger复合为主要的非辐射性过程的模拟，已远远无法复制出UCSB所产出的实验数据。看来以Auger复合为基础的模型，会造成载子在到达下一个量子井之前就太快地在每一个量子井中复合了。而这样的後果之一是，由Auger理论所预测的最佳量子井数量会远远少於实验所发现的。我们不打算公开Auger理论的失败尝试，而且我们也注意到，这些研究结果初步有利於溢流理论的支持者。
在这项研究的下一个步骤，是要找出无限增加的量子井所造成的影响。为了要做到这一点，我们让整个活化区的生长条件，和结晶品质都是不切实际地假设成都是一样的，而与该结构中的量子井数目无关。我们发现以溢流理论所建立的模型，显示出添加更多的量子井总是会导致内部效率的增加。
