研究人员利用半导体材料中的固有缺陷来产生长波光

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大龙车务 ，新加坡麻省理工学院研究与技术联盟（麻省理工学院在新加坡的研究机构SMART，Singapore-MIT Alliance for Research and Technology）低能电子系统跨学科研究小组的研究人员，与麻省理工学院、新加坡国立大学（National University of Singapore）和南洋理工大学（Nanyang Technological University）的合作者发现了一种新的方法，利用半导体材料中的固有缺陷来产生长波（红、橙、黄）光，其潜在应用包括商业光源和显示器内的直接发光器。与以前使用的方法相比，如使用荧光粉（phosphor）将一种颜色的光转换成另一种颜色，这项技术实现了进一步提升。

（图片来源：smart.mit）

氮化铟镓（InGaN）LED是一种基于第III族元素氮化物的发光二极管（LED），于20多年前（90年代）首次制造问世，此后演变得越来越小，同时越来越强劲、高效和耐用。如今，InGaN LED在众多工业和消费应用案例中随处可见，包括信号、光通信和数据存储；并且在高需求消费应用中发挥重要作用，如固态照明、电视机、笔记本电脑、移动设备、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）解决方案等。

20多年来，对这类电子设备的需求不断增长，由此推动相关研究发展，以获得更高的半导体光输出、可靠性、寿命和多功能性，进而产生对能发出不同颜色光的LED的需求。在现代LED中，通常使用InGaN材料来产生紫光和蓝光，而另一种半导体磷化铝镓铟（AlGaInP）用于产生红、橙和黄光。这是由于InGaN在红色和琥珀色光谱中表现不佳，因为需要更高含量的铟，而导致效率降低。此外，这种具有相当高铟浓度的InGaN LED，很难使用传统的半导体结构制造。因此，实现全固态白光发光设备（需要三种基色光），这一目标仍未达成。

为了应对这些挑战，SMART的研究人员开发了一种实用的方法，利用InGaN材料中预先存在的缺陷，制备具有明显更高铟浓度的InGaN量子点。在这一过程中，材料中自然存在的位错（dislocations）导致V形坑合并，从而直接形成富铟量子点，即发射较长波长光的材料岛状物。在常规硅基底上生长这些结构，进一步消除对具有一定结构或非常规基底的需要。研究人员还对InGaN量子点进行高空间分辨率的成分绘图，首次从视觉上确认其形态。除了形成量子点，另一种固有的晶体缺陷——堆积层错成核，能够进一步促进发出更长的波长。

主要研究人员Jing-Yang Chung表示：“多年来，该领域的研究人员一直试图解决InGaN量子阱结构中的固有缺陷带来的各种挑战。在新方法中，我们设计了一个纳米坑缺陷，以构建InGaN量子点直接生长的平台。此项工作证明使用硅基底制造新富铟结构的可行性，这不仅解决了目前长波InGaN光源效率低的挑战，也缓解了基底价格昂贵的问题。”

通过这种方式，在克服InGaN产生红、橙、黄光时效率降低这一问题上，SMART的发现迈出了重要一步。未来，这项工作可能有助于开发由单一材料组成的微型LED阵列。研究人员表示，这项研究对环境也有影响。例如，这一突破有助于加速淘汰白炽灯等非固态光源，甚至可以淘汰目前的磷涂层蓝色InGaN LED，采用全固态混色方案，从而显著降低全球能源消耗。此外，这项工作还可能对半导体和电子行业产生更广泛的影响。这种新方法遵循标准工业制造程序，可以广泛应用。

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