美国研究团队设计一种纳米级LED,亮度是其他同类LED的100到1000倍

一支美国团队设计了一种用于电动纳米级LED的结构-由160 nm宽的ZnO鳍片(紫色),金属电极(黄色),绝缘电介质薄层(深绿色)和GaN基组成(浅绿色)—据报道,它产生的亮度是其他同类LED的100到1,000倍,并以足够高的驱动电流发光。[图片:NIST]

美国研究团队设计一种纳米级LED,亮度是其他同类LED的100到1000倍

宽带隙半导体发光二极管(LED)是当今最成功的光子技术之一,它广泛应用于常规照明、显示、传感等领域。然而,研究人员仍然在不断探索使该器件变得更小,以使其可以达到纳米尺寸的方法。但是,对于电泵浦的纳米级LED有一个致命弱点:“效率下降”,即当泵浦电流密度超过一定阈值时,LED的量子效率快速下降。这个瓶颈将纳米级LED的功率输出限制在纳瓦以下。

现在,一支由多机构组成的美国研究小组报告一种微型LED似乎可以绕开这个瓶颈了(Sci。Adv。,doi:10.1126 / sciadv.aba4346)。据报道,这种新的设备基于具有细长的氧化锌鳍片的p – n异质结,随着泵入更多电流而不断获得亮度,从而避免了效率下降。而且,更令人惊讶的是,随着输入功率的变大,它将变成一个微型激光器——无需具有传统的激光腔。

该团队表示,该亚微米级LED可以产生比同类LED亮度高100~1,000倍的光,达到数十微瓦。尽管到目前为止仅在近紫外光中报道过该设计,但研究人员认为,该设计也可以扩展到其他波长,从而使其在传感、显示、消毒等领域的芯片级应用成为可能。

效率下降的难题

效率下降实际上是所有LED技术的一个特点。这也是众多照明制造商逐渐将激光作为某些通用照明应用的替代品的原因之一(请参阅OPN,2020年7月/ 2020年8月,“激光照明”)。当LED的尺寸缩小到微米或亚微米级时其输出功率只能达到皮瓦或纳瓦级。

效率下降的原因(定义为LED的内部量子效率(IQE)随着电流密度的增加而降低)仍然存在争议。研究人员发现了与非辐射复合,受激发射,泄漏电流和其他效应的可能联系。更糟糕的是,还有一个相关的“温度下降”,随着电流密度的升高,结温升高,也会导致IQE下降很多。

精妙的解决方案

这项新工作背后的研究小组,包括美国国家标准技术研究院(NIST),马里兰大学,伦斯勒理工学院和IBM TJ沃森研究中心的科学家不是通过解决问题,而是绕道寻求设计出一种新的与传统平面LED完全不同的架构来绕开这个问题以缩小LED的尺寸。

该团队的设计始于p型氮化镓,该氮化镓用作该设备的基底。在此基底上,研究人员外延沉积一层薄的“鳍”形氧化锌(ZnO)细丝作为n型层,长度约为5 µm,宽度约为160 nm。在鳍片的每一侧上都覆盖一层薄薄的介电材料,并通过金属电极输入驱动电流,从而完成整个LED组件。这样构造的每个鳍形成单个LED像素。该小组还将这些像素组合成梳状结构的亚微米级LED阵列。

从LED到激光

在与研究相关的新闻稿中,构思设计的主要作者Babak Nikoobakht指出,他“认为[鳍片]细长的形状和较大的侧面可能会接收更多的电流。” 为了找到答案,他和团队开始向器件中注入电流,以获取其烧毁之前的最大承载电流。令研究人员感到惊讶的是,随着驱动电流的增加,器件发出越来越亮的光(在近紫外线波长下),其功率比类似尺寸的传统LED高出两到三个数量级。

当团队进一步提高的驱动电流时,另一个惊喜出现了。在电流密度高于500 kA / cm2时,该设备的较宽光谱发射(中心在385 nm)变窄为两条紧密而强烈的403和417 nm线。换句话说,在足够高的电流密度下,LED实际上不会遭受效率下降的影响,而变成了一个激光二极管。在适当条件下,ZnO鳍片似乎起了Fabry-Pérot腔的作用。

为了弄清这种异常行为的根源,团队做了数值模型。该团队的模型表明鳍状结构能减少半导体中两种特定类型的非辐射(即不发光)电子-空穴复合,即肖克利-雷德霍尔(SRH)复合和俄歇复合。人们认为这些复合是不利于常规LED中光子产生的,是效率下降的罪魁祸首。

又小又亮

Nikoobakht在新闻稿中建议,效率下降现象的消失特别是激光发射的行为,将使该设备大有前途。在传感、手持通信、显示、甚至医用消毒中都可应用。并且该研究为“小于100nm的微腔级器件”打下了基础,且有可能开辟更多的应用空间。尼古巴赫特说:“虽然这不是人们制造的最小的激光器,但它却是非常明亮的。” [OPN Light: Advanced Manufacturing 张光编译]

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