眾所周知的是，藉由在LED MQW的p型側(cè)插入電子阻障層（EBL），即能夠提高元件的效率。藉由加入一層由比活性區(qū)能階還寬的材料所制成的薄膜，即能夠產(chǎn)生一道可阻擋電子流出元件活性區(qū)并流入p型側(cè)的位能阻障層。從活性區(qū)溢流（overflow）出的電子是兩種熱門藍(lán)光MQW LED光效下降的推測之一，而另一種則是被稱為Auger復(fù)合（recombination）的非輻射性過程。這二種理論均有眾多的追隨者，但他們不會得到普遍的支持，除非他們能解決兩個主要障礙：為光效下降提供一個無懈可擊的解釋，并說明LED因加入MWQ和EBL所得到的效益。

　　Auger 與載子溢流的比較

　　了解Auger復(fù)合是光效下降之成因的說法是比較容易理解的。當(dāng)LED啟動時，其活性區(qū)會充滿電子 （與電洞），而其密度稱為N。由於光的產(chǎn)生需要一個電子和一個電洞交互作用，輻射性復(fù)合過程會以N的平方進(jìn)展。而與此相反的是，Auger 復(fù)合是一個損失光子的過程，其涉及三個不同的載子（兩個電子和一個電洞，或兩個電洞和一個電子），其過程會以N的三次方進(jìn)展。這意味著LED中的電流會被加速且載子濃度會上升，因此Auger復(fù)合的增加幅度會超過輻射性復(fù)合。因此，LED在較高電流密度下的效率會減少，而這是眾所周知稱為光效下降的特性。

　　相較於光效下降的成因，要解釋Auger理論下LED行為中的MQW和EBL的益處則更為復(fù)雜。由Auger陣營所提出的論點(diǎn)是，MQW和EBL均會協(xié)助讓載子在MQW內(nèi)散布地更均勻。因此，相對於相同N平方的光子產(chǎn)生，三次方的Auger損失將會因為更為均勻的載子密度而較少。同時，那些支持溢流理論者認(rèn)為，一個量子井是類似於一個水桶，其有能力捕獲并保持住在較高注入時會減少的注入載子。當(dāng)注入載子沒有被捕獲或保持住時，它們會溢流出活性區(qū)而被浪費(fèi)掉了，因此會造成光效下降。

　　而利用溢流理論則很容易解釋MQW和EBL的益處：添加另一個量子井可達(dá)成重新抓回并再回收前一個量子井未捕獲的溢流載子；同時插入一層EBL可強(qiáng)迫溢流的電子返回，因而會再被MQW捕獲。而解釋光效下降是比較棘手的，溢流理論的支持論點(diǎn)是依賴於量子力學(xué)原理中，量子化狀態(tài)只能容納兩個相反自旋的電子。這意味著，量子井在注入更多載子時會開始飽和。由於這兩個學(xué)派的思維似乎能夠解釋藍(lán)光LED在不同電流密度下的行為的主要特徵，因此就需要數(shù)值模擬來定量地驗證這些理論。這次的操練不僅具有學(xué)術(shù)上的意義－它也具有重大的實作重要性，因為數(shù)值模擬能夠優(yōu)化晶片制造和裝置制造的制程。

　　需要多少量子井？

　　在常見的業(yè)界實作中會在氮化物L(fēng)ED中使用多個量子井，而不是僅有一個。就此情況而論，令人驚訝的是直到最近，仍然沒有關(guān)於另一個被加入到活性區(qū)的量子井對於效能影響的實驗報告。在2011年時，美國加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校（UCSB）的研究人員，打破了這種長期缺乏實驗數(shù)據(jù)的情況，其聲稱量子井?dāng)?shù)從6個增加到9個後能夠降低InGaN/GaN MQW LED中的光效下降 ［1］。這些實驗結(jié)果提供了一個很好的比較機(jī)會，來將相互競爭的光效下降理論加以驗證。如果模擬能夠復(fù)制真實的數(shù)據(jù)，這表示它們可以提供一個很好的工具，以用在LED的工業(yè)設(shè)計與優(yōu)化上。

　　我們最近利用Crosslight軟體公司－總部設(shè)於加拿大溫哥華和中國上海－已經(jīng)商業(yè)化的APSYS軟體模擬了UCSB LED的行為。具體而言，我們采用具有非區(qū)域性QW傳輸模型的模擬程式，以了解具有不同量子井?dāng)?shù)目的藍(lán)光InGaN/GaN MQW LED的光學(xué)與電氣特性。而此模型化的成果、載子捕獲與載子溢流的關(guān)鍵機(jī)制，都已圖示在圖一中。要特別說明的是，此模型包括了Auger復(fù)合與載子溢流這兩個造成LED光效下降成因的主要候選理論。

　　我們已經(jīng)使用這兩種理論進(jìn)行了一些模擬，也就是假設(shè)Auger復(fù)合在某種情況下是主要的，而在另一種情況下則是可被忽略不計的（而所有其他參數(shù)在合理范圍內(nèi)均是可調(diào)的）。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們在使用載子溢流理論時，能夠產(chǎn)生一個跟UCSB的實驗相當(dāng)一致的結(jié)果─在這種情況下，我們包含了可以忽略不計的Auger復(fù)合（參閱圖二）。而我們所模擬的結(jié)果已發(fā)表於Applied Physics Letters期刊上 ［2］。

　　在高電流密度下采用Auger復(fù)合為主要的非輻射性過程的模擬，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法復(fù)制出UCSB所產(chǎn)出的實驗數(shù)據(jù)。看來以Auger復(fù)合為基礎(chǔ)的模型，會造成載子在到達(dá)下一個量子井之前就太快地在每一個量子井中復(fù)合了。而這樣的後果之一是，由Auger理論所預(yù)測的最佳量子井?dāng)?shù)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)少於實驗所發(fā)現(xiàn)的。我們不打算公開Auger理論的失敗嘗試，而且我們也注意到，這些研究結(jié)果初步有利於溢流理論的支持者。

　　在這項研究的下一個步驟，是要找出無限增加的量子井所造成的影響。為了要做到這一點(diǎn)，我們讓整個活化區(qū)的生長條件，和結(jié)晶品質(zhì)都是不切實際地假設(shè)成都是一樣的，而與該結(jié)構(gòu)中的量子井?dāng)?shù)目無關(guān)。我們發(fā)現(xiàn)以溢流理論所建立的模型，顯示出添加更多的量子井總是會導(dǎo)致內(nèi)部效率的增加。