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文章出處:中國半導體照明網

2021-11-03  來源:蓋世汽車
據外媒報導,新加坡麻省理工學院研究與技術聯盟(麻省理工學院在新加坡的研究機構SMART,Singapore-MIT Alliance for Research and Technology)低能電子系統跨學科研究小組的研究人員,與麻省理工學院、新加坡國立大學(National University of Singapore)和南洋理工大學(Nanyang Technological University)的合作者發現了一種新的方法,利用半導體材料中的固有缺陷來產生長波(紅、橙、黃)光,其潛在應用包括商業光源和顯示器內的直接發光器。與以前使用的方法相比,如使用熒光粉(phosphor)將一種顏色的光轉換成另一種顏色,這項技術實現了進一步提升。
 
氮化銦鎵(InGaN)LED是一種基於第III族元素氮化物的發光二極管(LED),於20多年前(90年代)首次製造問世,此後演變得越來越小,同時越來越強勁、高效和耐用。如今,InGaN LED在眾多工業和消費應用案例中隨處可見,包括信號、光通信和數據存儲;並且在高需求消費應用中發揮重要作用,如固態照明、電視機、筆記本電腦、移動設備、增強現實(AR)和虛擬現實(VR)解決方案等。
 
20多年來,對這類電子設備的需求不斷增長,由此推動相關研究發展,以獲得更高的半導體光輸出、可靠性、壽命和多功能性,進而產生對能發出不同顏色光的LED的需求。在現代LED中,通常使用InGaN材料來產生紫光和藍光,而另一種半導體磷化鋁鎵銦(AlGaInP)用於產生紅、橙和黃光。這是由於InGaN在紅色和琥珀色光譜中表現不佳,因為需要更高含量的銦,而導致效率降低。此外,這種具有相當高銦濃度的InGaN LED,很難使用傳統的半導體結構製造。因此,實現全固態白光發光設備(需要三種基色光),這一目標仍未達成。
 
為了應對這些挑戰,SMART的研究人員開發了一種實用的方法,利用InGaN材料中預先存在的缺陷,製備具有明顯更高銦濃度的InGaN量子點。在這一過程中,材料中自然存在的位錯(dislocations)導致V形坑合併,從而直接形成富銦量子點,即發射較長波長光的材料島狀物。在常規矽基底上生長這些結構,進一步消除對具有一定結構或非常規基底的需要。研究人員還對InGaN量子點進行高空間分辨率的成分繪圖,首次從視覺上確認其形態。除了形成量子點,另一種固有的晶體缺陷——堆積層錯成核,能夠進一步促進發出更長的波長。
 
主要研究人員Jing-Yang Chung表示:“多年來,該領域的研究人員一直試圖解決InGaN量子阱結構中的固有缺陷帶來的各種挑戰。在新方法中,我們設計了一個納米坑缺陷,以構建InGaN量子點直接生長的平台。此項工作證明使用矽基底製造新富銦結構的可行性,這不僅解決了目前長波InGaN光源效率低的挑戰,也緩解了基底價格昂貴的問題。”
 
通過這種方式,在克服InGaN產生紅、橙、黃光時效率降低這一問題上,SMART的發現邁出了重要一步。未來,這項工作可能有助於開發由單一材料組成的微型LED陣列。研究人員表示,這項研究對環境也有影響。例如,這一突破有助於加速淘汰白熾燈等非固態光源,甚至可以淘汰目前的磷塗層藍色InGaN LED,採用全固態混色方案,從而顯著降低全球能源消耗。此外,這項工作還可能對半導體和電子行業產生更廣泛的影響。這種新方法遵循標準工業製造程序,可以廣泛應用。