基于鳍片的LED的结构

由美国国家标准研究院（NIST），马里兰大学，伦斯勒理工学院和IBM Thomas J. Watson研究中心联合开发的新型LED芯片体系结构有可能在设备效率方面真正改变游戏规则。

该小组已在实验室中成功证明了其概念，并且最近在《科学进展》同行评审期刊上发表了一篇讨论其工作的论文。新设计有望将亮度提高几个数量级，是目前亚微米级LED的100到1,000倍，这使其成为各种应用中新兴技术的诱人替代品。

到现在为止，我们大家都对LED接管照明行业的程度非常熟悉，这在很大程度上是由于LED的运行效率大大优于早期技术。但是仍然存在障碍，限制了LED的效率。这种现象被称为“效率下降”，这种现象长期困扰着使用LED的产品设计人员。效率下降是由外部量子效率降低引起的（EQE），用于衡量LED将电子转换为光子的效率以及这些光子能够轻易逃逸出LED材料的程度。EQE的这种降低随工作电流的增加而发生，并且归因于非辐射复合的升高和pn结温度的升高，这反过来又影响了二极管有源区中的复合过程。

开发新架构的研究团队正在从事与通常的平面LED“芯片”不同的物理设计，以为诸如NIST的NOAC（芯片上的NIST）技术之类的应用提供解决方案。最终结果是一个由氧化锌“鳍”组成的LED光源，每个鳍大约5微米长，并组合成一个类似于梳子的阵列。所用的结构和材料（ZnO-GaN）在紫罗兰色和UV之间的边界处的某个波段中发出光。通过三维有限差分时域（FDTD）建模，该团队能够确定鳍片从面向空气的小面发射光，提取效率约为15％。此外，光谱辐射通量测量结果证实了这种基于鳍片的设计的输出功率随驱动电流的增加而线性增加，表明影响效率下降的因素（电子泄漏，俄歇复合，与缺陷相关的复合和温度效应）是微不足道的。

该图显示了“基于鳍片的” LED的结构。

该团队将消除效率下降归因于散热片设计的物理几何形状。重要的是要注意，在LED中，n型材料中的电流必须等于p型材料中的电流。因此，对于其中n型和p型材料尺寸相同的平面LED设计，无论注入电流如何，复合区域的尺寸基本上是恒定的。但是，为了使鳍片LED提供足够数量的电子以与在更大的物理区域上生成的空穴结合，随着施加更大的电流，复合区域进一步扩展到鳍片中，从而消除了效率下降。

更令人惊讶的是，该团队发现，在高于50 mA的驱动电流下，这种新设计的发射光谱逐渐从以385 nm为中心的较宽输出光谱变为403 nm和417 nm处的两条窄线。根据他们的计算，研究小组认为，这种转变是在重组区域到达鳍片的顶部时发生的，因此不再能够随着电流的增加而扩展。此时，鳍片的行为就像Fabry-Perot腔一样，可以发射激光。

LED已被应用到除照明之外的众多应用中，包括显示器，生物医学，消毒，传感器和安全系统。迄今为止的主要挑战是效率下降将输出功率限制在纳瓦以下，从而限制了这些设备的性能。基于鳍的架构似乎是解决此问题的可行方案，允许在微瓦范围内输出辐射功率。而且由于其高辐射功率输出，这种新的鳍片设计等亚微米LED和激光设备有潜力推动我们日常使用的产品和系统中LED部署方式的又一次重大转变。

编辑：hfy