纳米级InGaN LED实现高效率白光

LED照明的神圣目标就在于以最高能效与最佳成本效益的方式实现白光，而这也一直是制造商和学术界之间最热门的讨论话题。

　　传统的途径包括频率向下反转、结合高能量的蓝光LED或近紫外线频段，以及具有不同波长的萤光粉。

　　相较于原始的发射器(以萤光粉覆盖的LED)，这种途径通常以较低的量子效率模拟不完全的白光光谱。萤光粉的寿命有限也对于白光的整个产品生命周期带来负面影响。

　　其他的解决方案结合了以不同峰值波长发射的多个LED芯片，然而，同样无法为真正白光带来自然连续的发光过程。

　　香港大学(University of Hong Kong)的研究人员则看好可从单晶LED中取得宽频白光。在最近发布于《ACS Photonics》期刊中的「宽频InGaNLED单芯片」(Monolithic BroadbandInGaNLight-Emitting Diode)一文中，研究人员发表可在蓝宝石基板生长高铟含量氮化铟镓型氮化镓(InGaN-GaN)量子阱(QW)结构的结果。

　　研究人员接着使用矽胶纳米粒子组合作为遮罩层，为整个堆叠进行蚀刻，在整个LED芯片上留下纳米柱图案组合，范围包括从直径约150nm的纳米尖端到直径约7μm的微碟型共振腔。

　　纳米结构流程采用分散的矽珠，(a, b) 纳米遮罩用于干式蚀刻; (c)实现随机分布的纳米尖端组合(d)，接着再进行平面化

　　由于生长的InGaN-GaN量子阱结构遭受晶格不匹配导致的应变影响，因而必须利用整个纳米尖点与微碟的不同应变分布。这种现象称为量子局限史塔克效应(QCSE)，其蜂值波长受到应变诱导的压电场影响，从而降低了有效的隙能量，导致发光频谱的红色色移。透过InGaN-GaN QW堆叠的纳米级结构释放这一应力，可望部份缓解这种色移情形。

　　在大约80nm波长发射的纳米尖点，比生长构的更短，但在575nm标准波长下的相同芯片，发更大的7μm 微碟。

　　研究人员为单晶LED进行纳米制图，并混搭应变InGaN-GaN QW的较长波长以及应变纳米端(Nano-tips)的较短波长光源。

　　(a)无萤光粉的白光LED单芯片，结合了不同面向的米结构阵列，在进行平面化(c)之前以及之后的(b)制造结构的SEM影像图

　　所取得的芯片可同步发射在每一纳米结构流程中随机分布的蓝光、绿光与黄光。

　　纳米结构的单晶LED特写照片显示不同的蓝、绿与黄光。整个芯片尺寸约1x1mm2

　　目前这一研究仍仅止于概念验证阶段，但研究人员在其研究报告中说明，他们希望能使用电子束或纳米压印等精确的纳米制图技术，进一步提高光与频色分布的均匀一致性。此外，调整纳米尖端与微碟的相对浓度，也可以在整个色域上调整发光度，从而使用多个,不同尺寸的纳米尖端(每一个都具有不同程度的应变-松弛)达到更具连续性的发光效率。