納米級InGaN LED實現高效率白光

　　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現白光，而這也一直是制造商和學術界之間最熱門的討論話題。

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

　　相較于原始的發射器(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產品生命周期帶來負面影響。

　　其他的解決方案結合了以不同峰值波長發射的多個LED芯片，然而，同樣無法為真正白光帶來自然連續的發光過程。

　　香港大學(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，研究人員發表可在藍寶石基板生長高銦含量氮化銦鎵型氮化鎵( InGaN-GaN)量子阱(QW)結構的結果。

　　研究人員接著使用矽膠納米粒子組合作為遮罩層，為整個堆疊進行蝕刻，在整個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)實現隨機分布的納米尖端組合(d)，接著再進行平面化

　　由于生長的InGaN-GaN量子阱結構遭受晶格不匹配導致的應變影響，因而必須利用整個納米尖點與微碟的不同應變分布。這種現象稱為量子局限史塔克效應(QCSE)，其蜂值波長受到應變誘導的壓電場影響，從而降低了有效的隙能量，導致發光頻譜的紅色色移。透過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波長發射的納米尖點，比生長構的更短，但在575nm標準波長下的相同芯片，發更大的7μm 微碟。

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

　　(a)無螢光粉的白光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特寫照片顯示不同的藍、綠與黃光。整個芯片尺寸約1x1mm2

　　目前這一研究仍僅止于概念驗證階段，但研究人員在其研究報告中說明，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，進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，也可以在整個色域上調整發光度，從而使用多個,不同尺寸的納米尖端(每一個都具有不同程度的應變-松弛)達到更具連續性的發光效率。