麻省理工學(xué)院在新加坡的研究企業(yè)新加坡-麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟(SMART)的低能電子系統(tǒng)(LEES)跨學(xué)科研究小組(IRG)的研究人員與麻省理工學(xué)院(MIT)、新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)和南洋理工大學(xué)(NTU)的合作者一起發(fā)現(xiàn)了一種 通過(guò)使用半導(dǎo)體材料的內(nèi)在缺陷產(chǎn)生長(zhǎng)波長(zhǎng)(紅色、橙色和黃色)光的新方法，有可能被用作商業(yè)光源和顯示設(shè)備的直接發(fā)光器。

氮化鎵(InGaN)LED是一種基于氮化物的第三類元素的發(fā)光二極管(LED)，在20多年前的90年代首次制造出來(lái)，此后不斷發(fā)展，變得越來(lái)越小，同時(shí)也越來(lái)越強(qiáng)大、高效和耐用。今天，InGaN LED可以在無(wú)數(shù)的工業(yè)和消費(fèi)者使用案例中找到，包括信號(hào)和光通信以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且在高需求的消費(fèi)者應(yīng)用中至關(guān)重要，如固態(tài)照明、 電視 機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)備、增強(qiáng)型(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)解決方案。

對(duì)此類電子設(shè)備不斷增長(zhǎng)的需求，推動(dòng)了二十多年來(lái)對(duì)半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)更高的光輸出、可靠性、壽命和多功能性的研究--這導(dǎo)致了對(duì)可以發(fā)出不同顏色光的LED的需求。傳統(tǒng)上，InGaN材料在現(xiàn)代LED中被用來(lái)產(chǎn)生紫色和藍(lán)色的光，而磷化鎵鋁(AlGaInP)--一種不同類型的半導(dǎo)體--被用來(lái)產(chǎn)生紅色、橙色和黃色的光。這是由于InGaN在紅色和琥珀色光譜中的性能不佳，這是因?yàn)樗璧你熀枯^高而導(dǎo)致效率下降。

此外，這種具有相當(dāng)高的銦濃度的InGaN LED仍然難以用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制造。因此，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)白光發(fā)光器件--需要所有三種原色光--仍然是一個(gè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，SMART的研究人員在一篇題為"發(fā)光的V-Pit：實(shí)現(xiàn)發(fā)光富銦銦鎵量子點(diǎn)的替代方法"的論文。在他們的論文中，研究人員描述了一種實(shí)用的方法，通過(guò)利用InGaN材料中預(yù)先存在的缺陷，制造出銦濃度高得多的InGaN量子點(diǎn)。

在這個(gè)過(guò)程中，由材料中自然存在的位錯(cuò)導(dǎo)致的所謂V型坑的凝聚，直接形成了富銦量子點(diǎn)，即能夠發(fā)射較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光的材料島。通過(guò)在傳統(tǒng)的硅襯底上生長(zhǎng)這些結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步消除了對(duì)圖案或非常規(guī)襯底的需要。研究人員還對(duì)InGaN量子點(diǎn)進(jìn)行了高空間分辨率的成分測(cè)繪，首次提供了對(duì)其形態(tài)的視覺(jué)確認(rèn)。

除了量子點(diǎn)的形成，堆積斷層的成核--另一種內(nèi)在的晶體缺陷--進(jìn)一步促進(jìn)了更長(zhǎng)波長(zhǎng)的發(fā)射。

SMART研究生和該論文的主要作者Jing-Yang Chung說(shuō)："多年來(lái)，該領(lǐng)域的研究人員一直試圖解決InGaN量子阱結(jié)構(gòu)中固有缺陷帶來(lái)的各種挑戰(zhàn)。在一個(gè)新穎的方法中，我們轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了一個(gè)納米坑洞缺陷，以實(shí)現(xiàn)InGaN量子點(diǎn)直接生長(zhǎng)的平臺(tái)。因此，我們的工作證明了使用硅襯底進(jìn)行新的富銦結(jié)構(gòu)的可行性，在解決目前長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaN光發(fā)射器效率低下的挑戰(zhàn)的同時(shí)，也緩解了昂貴襯底的問(wèn)題。"

這樣一來(lái)，SMART的發(fā)現(xiàn)代表著在克服InGaN在產(chǎn)生紅、橙和黃光時(shí)效率降低的問(wèn)題上邁出了重要一步。反過(guò)來(lái)，這項(xiàng)工作可能對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)由單一材料組成的微型LED陣列有幫助。

LEES的共同作者和首席研究員Silvija Grade?ak博士補(bǔ)充說(shuō)："我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)環(huán)境也有影響。例如，這一突破可能會(huì)帶來(lái)更迅速地淘汰非固態(tài)照明源--如白熾燈--甚至是目前的磷酸鹽涂層藍(lán)色I(xiàn)nGaN LED，采用全固態(tài)混色解決方案，進(jìn)而導(dǎo)致全球能源消耗的顯著減少。"

SMART首席執(zhí)行官兼LEES首席研究員Eugene Fitzgerald說(shuō)："我們的工作還可能對(duì)半導(dǎo)體和電子行業(yè)產(chǎn)生更廣泛的影響，因?yàn)檫@里描述的新方法遵循標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)制造程序，可以被廣泛采用并大規(guī)模實(shí)施。在更宏觀的層面上，除了InGaN驅(qū)動(dòng)的能源節(jié)約可能帶來(lái)的生態(tài)效益外，我們的發(fā)現(xiàn)也將有助于該領(lǐng)域繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)新的高效InGaN結(jié)構(gòu)。"

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體材料 科學(xué)家 長(zhǎng)波長(zhǎng)光 二極管