基于鰭片的LED的結構

由美國國家標準研究院（NIST），馬里蘭大學，倫斯勒理工學院和IBMThomasJ.Watson研究中心聯(lián)合開發(fā)的新型LED芯片體系結構有可能在設備效率方面真正改變游戲規(guī)則。
該小組已在實驗室中成功證明了其概念，并且最近在《科學進展》同行評審期刊上發(fā)表了一篇討論其工作的論文。新設計有望將亮度提高幾個數量級，是目前亞微米級LED的100到1,000倍，這使其成為各種應用中新興技術的誘人替代品。
到現(xiàn)在為止，我們大家都對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的運行效率大大優(yōu)于早期技術。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的產品設計人員。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合的升高和pn結溫度的升高，這反過來又影響了二極管有源區(qū)中的復合過程。
開發(fā)新架構的研究團隊正在從事與通常的平面LED“芯片”不同的物理設計，以為諸如NIST的NOAC（芯片上的NIST）技術之類的應用提供解決方案。最終結果是一個由氧化鋅“鰭”組成的LED光源，每個鰭大約5微米長，并組合成一個類似于梳子的陣列。所用的結構和材料（ZnO-GaN）在紫羅蘭色和UV之間的邊界處的某個波段中發(fā)出光。通過三維有限差分時域（FDTD）建模，該團隊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果證實了這種基于鰭片的設計的輸出功率隨驅動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，俄歇復合，與缺陷相關的復合和溫度效應）是微不足道的。

該圖顯示了“基于鰭片的”LED的結構。
該團隊將消除效率下降歸因于散熱片設計的物理幾何形狀。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，對于其中n型和p型材料尺寸相同的平面LED設計，無論注入電流如何，復合區(qū)域的尺寸基本上是恒定的。但是，為了使鰭片LED提供足夠數量的電子以與在更大的物理區(qū)域上生成的空穴結合，隨著施加更大的電流，復合區(qū)域進一步擴展到鰭片中，從而消除了效率下降。
更令人驚訝的是，該團隊發(fā)現(xiàn)，在高于50mA的驅動電流下，這種新設計的發(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。根據他們的計算，研究小組認為，這種轉變是在重組區(qū)域到達鰭片的頂部時發(fā)生的，因此不再能夠隨著電流的增加而擴展。此時，鰭片的行為就像Fabry-Perot腔一樣，可以發(fā)射激光。
LED已被應用到除照明之外的眾多應用中，包括顯示器，生物醫(yī)學，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，從而限制了這些設備的性能。基于鰭的架構似乎是解決此問題的可行方案，允許在微瓦范圍內輸出輻射功率。而且由于其高輻射功率輸出，這種新的鰭片設計等亞微米LED和激光設備有潛力推動我們日常使用的產品和系統(tǒng)中LED部署方式的又一次重大轉變。