SMART 研究人员利用缺陷产生光

Discovery 展示了克服InGaN LED制造中当前挑战的实用方法

来自新加坡麻省理工学院研究与技术联盟 (SMART) 低能耗电子系统 (LEES) 跨学科研究小组 (IRG) 的研究人员，以及麻省理工学院 (MIT) 和国立大学的合作者新加坡国立大学 (NUS) 和南洋理工大学 (NTU) 的研究人员发现了一种通过使用半导体材料中的固有缺陷来产生长波长（红、橙和黄）光的新方法，在商业光源和显示器中具有直接发光的潜在应用。

这项技术将是对当前方法的改进，例如，使用磷光体将一种颜色的光转换为另一种颜色。

作为一种基于 III 族元素氮化物的 LED，InGaN LED 在二十多年前的 90 年代首次制造，此后不断发展，变得越来越小，同时变得越来越强大、高效和耐用。如今，InGaN LED 可以在无数工业和消费者使用案例中找到，包括信号和光通信以及数据存储——并且在高需求的消费者应用中至关重要，例如固态照明、电视机、笔记本电脑、移动设备、增强型(AR) 和虚拟现实 (VR) 解决方案。

对此类电子设备不断增长的需求推动了 20 多年来对半导体实现更高的光输出、可靠性、寿命和多功能性 的研究，这导致了对能够发出不同颜色光的LED的需求。传统上，InGaN 材料已用于现代 LED 以产生紫光和蓝光，而 AlGaInP（一种不同类型的半导体）用于产生红光、橙光和黄光。这是因为 InGaN 在红色和琥珀色光谱中的性能较差，这是由于需要更高含量的铟而导致效率降低。

此外，这种具有相当高铟浓度的 InGaN LED 仍然难以使用传统的半导体结构制造。因此，实现全固态白光 LED——需要所有三种基色光——仍然是一个未实现的目标。

为了应对这些挑战，SMART研究人员在一篇题为《发光V型坑：发光富铟InGaN量子点的替代方法》（“Light-Emitting V-Pits: An alternative Approach to Luminescent In-Rich InGaN Quantum Dots”）的论文中阐述了他们的发现，该论文最近发表在《ACS光子学》杂志上。

在他们的论文中，研究人员描述了一种利用 InGaN 材料中预先存在的缺陷来制造具有显着更高铟浓度的 InGaN 量子点的实用方法。

在这个过程中，由材料中自然存在的位错引起的所谓 V 坑的聚结直接形成富含铟的量子点，即发射更长波长光的材料小岛。通过在常规硅衬底上生长这些结构，进一步消除了对图案化或非常规衬底的需求。研究人员还对 InGaN 量子点进行了高空间分辨率的成分映射，首次对其形态进行了视觉确认。

除了量子点的形成之外，堆垛层错的成核——另一种固有的晶体缺陷——进一步促进了更长波长的发射。

SMART 研究生、论文第一作者Jing-Yang Chung说：“多年来，该领域的研究人员一直试图解决 InGaN 量子阱结构中固有缺陷带来的各种挑战。在一种新颖的方法中，我们设计了一个纳米坑缺陷来实现直接 InGaN 量子点生长的平台。因此，我们的工作证明了将硅衬底用于新型富铟结构的可行性，同时解决当前长波长 InGaN 发光器效率低下的挑战，也缓解了昂贵衬底的问题。”

通过这种方式，SMART 的发现代表了在克服 InGaN 在产生红光、橙光和黄光时降低的效率方面向前迈出的重要一步。反过来，这项工作可能有助于未来由单一材料组成的微型 LED 阵列的发展。

通过这种方式，SMART的发现在克服InGaN在产生红光、橙光和黄光时效率降低的问题上迈出了重要的一步。反过来，这项工作可能有助于未来开发由单一材料组成的微型LED阵列。

LEES 的合著者兼首席研究员 Silvija Gradečak 补充说：“我们的发现也对环境产生了影响。例如，这一突破可能会导致更快地淘汰非固态光源（如白炽灯泡），甚至是目前采用全固态混色解决方案的荧光涂层蓝色 InGaN LED导致全球能源消耗显著减少。”

 “我们的工作还可能对半导体和电子行业产生更广泛的影响，因为这里描述的新方法遵循标准行业制造程序，可以被广泛采用和大规模实施。”SMART首席执行官和LEES首席研究员尤金·菲茨杰拉德（Eugene Fitzgerald）表示，“在更宏观的层面上，除了InGaN驱动的节能可能带来的潜在生态效益外，我们的发现还将有助于该领域继续研究和开发新的高效InGaN结构。”

该研究由SMART和国家研究基金会（NRF）新加坡支持，在其校园内进行卓越研究和技术企业（创新）计划。在本论文中，LED结构是使用SMART独特的器件和技术进行生长的，结构研究是在国立大学使用最先进的原子分辨电子显微镜进行的，而纳米级光学研究是在麻省理工学院和南大进行的。

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