基于鰭片的LED的結(jié)構(gòu)

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IBMThomasJ.Watson研究中心聯(lián)合開發(fā)的新型LED芯片體系結(jié)構(gòu)有可能在設(shè)備效率方面真正改變游戲規(guī)則。
該小組已在實(shí)驗(yàn)室中成功證明了其概念，并且最近在《科學(xué)進(jìn)展》同行評(píng)審期刊上發(fā)表了一篇討論其工作的論文。新設(shè)計(jì)有望將亮度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，是目前亞微米級(jí)LED的100到1,000倍，這使其成為各種應(yīng)用中新興技術(shù)的誘人替代品。
到現(xiàn)在為止，我們大家都對(duì)LED接管照明行業(yè)的程度非常熟悉，這在很大程度上是由于LED的運(yùn)行效率大大優(yōu)于早期技術(shù)。但是仍然存在障礙，限制了LED的效率。這種現(xiàn)象被稱為“效率下降”，這種現(xiàn)象長期困擾著使用LED的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員。效率下降是由外部量子效率降低引起的（EQE），用于衡量LED將電子轉(zhuǎn)換為光子的效率以及這些光子能夠輕易逃逸出LED材料的程度。EQE的這種降低隨工作電流的增加而發(fā)生，并且歸因于非輻射復(fù)合的升高和pn結(jié)溫度的升高，這反過來又影響了二極管有源區(qū)中的復(fù)合過程。
開發(fā)新架構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)正在從事與通常的平面LED“芯片”不同的物理設(shè)計(jì)，以為諸如NIST的NOAC（芯片上的NIST）技術(shù)之類的應(yīng)用提供解決方案。最終結(jié)果是一個(gè)由氧化鋅“鰭”組成的LED光源，每個(gè)鰭大約5微米長，并組合成一個(gè)類似于梳子的陣列。所用的結(jié)構(gòu)和材料（ZnO-GaN）在紫羅蘭色和UV之間的邊界處的某個(gè)波段中發(fā)出光。通過三維有限差分時(shí)域（FDTD）建模，該團(tuán)隊(duì)能夠確定鰭片從面向空氣的小面發(fā)射光，提取效率約為15％。此外，光譜輻射通量測量結(jié)果證實(shí)了這種基于鰭片的設(shè)計(jì)的輸出功率隨驅(qū)動(dòng)電流的增加而線性增加，表明影響效率下降的因素（電子泄漏，俄歇復(fù)合，與缺陷相關(guān)的復(fù)合和溫度效應(yīng)）是微不足道的。

該圖顯示了“基于鰭片的”LED的結(jié)構(gòu)。
該團(tuán)隊(duì)將消除效率下降歸因于散熱片設(shè)計(jì)的物理幾何形狀。重要的是要注意，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，對(duì)于其中n型和p型材料尺寸相同的平面LED設(shè)計(jì)，無論注入電流如何，復(fù)合區(qū)域的尺寸基本上是恒定的。但是，為了使鰭片LED提供足夠數(shù)量的電子以與在更大的物理區(qū)域上生成的空穴結(jié)合，隨著施加更大的電流，復(fù)合區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展到鰭片中，從而消除了效率下降。
更令人驚訝的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在高于50mA的驅(qū)動(dòng)電流下，這種新設(shè)計(jì)的發(fā)射光譜逐漸從以385nm為中心的較寬輸出光譜變?yōu)?03nm和417nm處的兩條窄線。根據(jù)他們的計(jì)算，研究小組認(rèn)為，這種轉(zhuǎn)變是在重組區(qū)域到達(dá)鰭片的頂部時(shí)發(fā)生的，因此不再能夠隨著電流的增加而擴(kuò)展。此時(shí)，鰭片的行為就像Fabry-Perot腔一樣，可以發(fā)射激光。
LED已被應(yīng)用到除照明之外的眾多應(yīng)用中，包括顯示器，生物醫(yī)學(xué)，消毒，傳感器和安全系統(tǒng)。迄今為止的主要挑戰(zhàn)是效率下降將輸出功率限制在納瓦以下，從而限制了這些設(shè)備的性能?；邛挼募軜?gòu)似乎是解決此問題的可行方案，允許在微瓦范圍內(nèi)輸出輻射功率。而且由于其高輻射功率輸出，這種新的鰭片設(shè)計(jì)等亞微米LED和激光設(shè)備有潛力推動(dòng)我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品和系統(tǒng)中LED部署方式的又一次重大轉(zhuǎn)變。