Long-wavelength light emitting diodes (LEDs) based on wurtzite multiple quantum well (MQW) structures encounter a significant efficiency drop, a phenomenon commonly referred to as the ‘green gap’. To overcome this challenge, eliminating the quantum confined Stark effect by controlling the internal electric field is recognized as a key solution to prevent the reduction in radiative recombination rate. While there have been lots of theoretical and experimental efforts associated with this approach, a lack of comprehensive analysis or quantitative criteria regarding the feasibility of achieving a solution still exists. In this study, we studied the controllability of the electric field in wurtzite MQW based on the interface theorem model. Utilizing this framework, we categorized various factors influencing this control and conducted numerical simulations to explore the implications, using InGaN as the material of interest. We investigate that the electric field in the emitting region mainly arises from the increasing difference of polarization between the constituent materials of the MQW, due to the enhanced piezoelectric polarization from induced strain. We therefore explored the required rates of lattice relaxation in strained materials for the purpose of eliminating the field. Moreover, with practical applications in mind, we extended the previous formalism to provide a more realistic and extensive depiction of the combined effects of these factors. Ultimately, we proposed an optimal model with a gradual In-composed layer in the active layer, which is expected to minimally form an electric field. We anticipate that these guiding rules for controlling the internal electric field will be instrumental in investigating various models to realize highly efficient LEDs.
우르짜이트 다중 양자 우물 (MQW) 구조 기반의 발광 다이오드 (LED)는 장파장의 빛을 구현하는 데 있어 ‘그린 갭’이라고 불리는 큰 효율 감소 문제에 직면해 있다. 이 문제를 극복하기 위해 내부 전기장을 제어함으로써 방사성 재결합 비율 감소를 야기하는 양자 구속 슈타르크 효과를 제거하는 것이 핵심 해결책으로 여겨지고 있다. 이 접근법과 관련된 많은 이론 및 실험적인 연구들이 있었지만, 전기장 제어를 위한 종합적인 분석이나 수치적 기준이 여전히 부족하다. 본 연구에서는 계면 정리 모델을 기반으로 우르짜이트 MQW 내의 전기장의 제어 가능성을 탐구하였다. 이 방식을 활용하여 InGaN를 대상 물질로, 전기장 제어의 여러 요소들을 분류 하였으며 각각의 효과를 탐구하기 위한 수치 계산 시뮬레이션을 수행하였다. 우리는 발광 영역에서의 전기장은 핵심적으로 MQW를 구성하는 물질 간의 증가하는 편극 차이에서 발생하며, 이는 가해진 변형에 의해 증가하는 압전 편극에 의한 것임을 보였다. 따라서 전기장을 제거하기 위한 목적으로 변형된 물질의 필요한 격자 이완율을 탐구하였다. 또한 실험적인 응용을 고려하여, 기존의 형식을 확장함으로써 보다 현실적이고 여러 요소들이 결합된 광범위한 모델에 대한 계산을 가능하게 하였다. 최종적으로 활성층에 점진적으로 인듐이 포함된 층을 삽입한 격자 이완이 적용된 최적의 모델을 제안하였으며, 이는 전기장을 최소화하게 될 것으로 예상한다. 이러한 내부 전기장 제어를 위한 지침들이 고효율 LED를 실현하기 위한 다양한 모델들을 탐구하는 데 중요한 도구가 될 것으로 기대한다.
