納米級InGaN LED實(shí)現高效率白光

　　LED照明的神圣目標就在于以最高能效與最佳成本效益的方式實(shí)現白光，而這也一直是制造商和學(xué)術(shù)界之間最熱門(mén)的討論話(huà)題。

　　傳統的途徑包括頻率向下反轉、結合高能量的藍光LED或近紫外線(xiàn)頻段，以及具有不同波長(cháng)的螢光粉。

　　相較于原始的發(fā)射器(以螢光粉覆蓋的LED)，這種途徑通常以較低的量子效率模擬不完全的白光光譜。螢光粉的壽命有限也對于白光的整個(gè)產(chǎn)品生命周期帶來(lái)負面影響。

　　其他的解決方案結合了以不同峰值波長(cháng)發(fā)射的多個(gè)LED芯片，然而，同樣無(wú)法為真正白光帶來(lái)自然連續的發(fā)光過(guò)程。

　　香港大學(xué)(University of Hong Kong)的研究人員則看好可從單晶LED中取得寬頻白光。在最近發(fā)布于《ACS Photonics》期刊中的「寬頻InGaN LED單芯片」(Monolithic Broadband InGaN Light-Emitting Diode)一文中，研究人員發(fā)表可在藍寶石基板生長(cháng)高銦含量氮化銦鎵型氮化鎵( InGaN-GaN)量子阱(QW)結構的結果。

　　研究人員接著(zhù)使用矽膠納米粒子組合作為遮罩層，為整個(gè)堆疊進(jìn)行蝕刻，在整個(gè)LED芯片上留下納米柱圖案組合，范圍包括從直徑約150nm的納米尖端到直徑約7μm的微碟型共振腔。

　　納米結構流程采用分散的矽珠，(a, b) 納米遮罩用于干式蝕刻; (c)實(shí)現隨機分布的納米尖端組合(d)，接著(zhù)再進(jìn)行平面化

　　由于生長(cháng)的InGaN-GaN量子阱結構遭受晶格不匹配導致的應變影響，因而必須利用整個(gè)納米尖點(diǎn)與微碟的不同應變分布。這種現象稱(chēng)為量子局限史塔克效應(QCSE)，其蜂值波長(cháng)受到應變誘導的壓電場(chǎng)影響，從而降低了有效的隙能量，導致發(fā)光頻譜的紅色色移。透過(guò)InGaN-GaN QW堆疊的納米級結構釋放這一應力，可望部份緩解這種色移情形。

　　在大約80nm波長(cháng)發(fā)射的納米尖點(diǎn)，比生長(cháng)構的更短，但在575nm標準波長(cháng)下的相同芯片，發(fā)更大的7μm 微碟。

　　研究人員為單晶LED進(jìn)行納米制圖，并混搭應變InGaN-GaN QW的較長(cháng)波長(cháng)以及應變納米端(Nano-tips)的較短波長(cháng)光源。

　　(a)無(wú)螢光粉的白光LED單芯片，結合了不同面向的米結構陣列，在進(jìn)行平面化(c)之前以及之后的(b)制造結構的SEM影像圖

　　所取得的芯片可同步發(fā)射在每一納米結構流程中隨機分布的藍光、綠光與黃光。

　　納米結構的單晶LED特寫(xiě)照片顯示不同的藍、綠與黃光。整個(gè)芯片尺寸約1x1mm2

　　目前這一研究仍?xún)H止于概念驗證階段，但研究人員在其研究報告中說(shuō)明，他們希望能使用電子束或納米壓印等精確的納米制圖技術(shù)，進(jìn)一步提高光與頻色分布的均勻一致性。此外，調整納米尖端與微碟的相對濃度，也可以在整個(gè)色域上調整發(fā)光度，從而使用多個(gè),不同尺寸的納米尖端(每一個(gè)都具有不同程度的應變-松弛)達到更具連續性的發(fā)光效率。