基于鰭型芯片架構(gòu)提高LED效率的解決方案

LED應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)是，由于效率下降現(xiàn)象，輸出功率只能達(dá)到納瓦級，限制了設(shè)備的性能。輻射功率輸出可達(dá)微瓦級的鰭型架構(gòu)似乎是解決這一問題的可行方法。

由美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院（NIST）、馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和IBM Thomas J. Watson研究中心聯(lián)合開發(fā)的新型發(fā)光二極管（LED）芯片架構(gòu)有望在設(shè)備效率方面取得重大突破。

該小組已成功在實(shí)驗(yàn)室中展示了這一架構(gòu)，并在最近的Science Advances同行評審期刊上發(fā)表了一篇論文。新設(shè)計可能使亮度呈指數(shù)級提高，達(dá)到目前亞微米級LED亮度的100到1000倍，可以作為各種應(yīng)用中新興技術(shù)的一種極具吸引力的替代方案。

大家都知道，LED應(yīng)用目前在照明行業(yè)占據(jù)絕對優(yōu)勢，主要是因?yàn)長ED的工作效率優(yōu)于以前的技術(shù)。但是，目前一種被稱為“效率下降”（Efficiency Droop）的現(xiàn)象成為提高LED效率的障礙，并長期困擾著使用LED的產(chǎn)品設(shè)計人員。效率下降是由外部量子效率（EQE）降低引起的，EQE用來衡量LED將電子轉(zhuǎn)換為光子的效率以及光子逃逸LED材料的容易程度。EQE隨著工作電流的增加而降低，這是由于非輻射復(fù)合上升和P-N結(jié)溫度升高，影響了二極管主動區(qū)的復(fù)合過程。

新架構(gòu)研究團(tuán)隊曾開發(fā)與常規(guī)平面LED“芯片”不一樣的物理設(shè)計，以便為美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的NOAC（芯片上NIST）技術(shù)等應(yīng)用提供解決方案。他們最終研發(fā)出一個由氧化鋅“鰭”組成的LED光源，每個鰭大約5微米長，組合成一個像梳子的陣列。所用的結(jié)構(gòu)和材料（ZnO-GaN）在紫光和紫外光之間的邊界帶發(fā)光。通過三維時域有限差分法（FDTD）建模，該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鰭片向著空氣的那面發(fā)光，光取出效率約為15％。此外，由光譜輻射通量測量結(jié)果可知，這種鰭型設(shè)計的輸出功率與驅(qū)動電流呈正比，表明影響效率下降的因素（電子泄漏、俄歇復(fù)合、由缺陷引起的復(fù)合和溫度影響）無關(guān)緊要。

圖1：“鰭型”LED結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊認(rèn)為效率下降的現(xiàn)象可利用鰭型設(shè)計來消除。需要強(qiáng)調(diào)的是，在LED中，N型材料中的電流必須等于P型材料中的電流。因此，在一個平面LED設(shè)計中，如果N型和P型材料的尺寸相同，那么無論注入電流多高，復(fù)合區(qū)域的尺寸基本上是固定的。但是，對于鰭型LED，若想在更大的物理區(qū)域內(nèi)提供足夠多的電子與生成的空穴結(jié)合，那么在電流更高的情況下，復(fù)合區(qū)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展到鰭片中，從而消除效率下降現(xiàn)象。

更令人驚訝的是，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在驅(qū)動電流高于50mA的情況下，這種新設(shè)計的發(fā)射光譜逐漸從以385nm為中心的寬輸出光譜變?yōu)?03nm和417nm的兩條窄線。根據(jù)他們的計算，這種轉(zhuǎn)變是在復(fù)合區(qū)域擴(kuò)大到鰭片的頂部時發(fā)生的，因此不再能夠隨著電流的增加而擴(kuò)展。這時，鰭片類似一個法布里-珀羅干涉儀，可以發(fā)射激光。

LED已進(jìn)入照明之外的眾多應(yīng)用，包括顯示器、生物醫(yī)學(xué)、消毒、傳感器和安防系統(tǒng)。到目前為止，其面臨的主要挑戰(zhàn)是，由于效率下降現(xiàn)象的存在，LED的輸出功率只能達(dá)到納瓦級，從而限制了設(shè)備的性能。鰭型架構(gòu)似乎是解決這一問題的可行方法，輻射功率輸出可達(dá)微瓦級，因此采用這種新型鰭片設(shè)計的亞微米LED和激光設(shè)備有可能改變LED在日常產(chǎn)品和系統(tǒng)中的應(yīng)用。
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