基于鳍型芯片架构提高LED效率的解决方案

LED应用面临的主要挑战是，由于效率下降现象，输出功率只能达到纳瓦级，限制了设备的性能。辐射功率输出可达微瓦级的鳍型架构似乎是解决这一问题的可行方法。

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发光二极管（LED）芯片架构有望在设备效率方面取得重大突破。

该小组已成功在实验室中展示了这一架构，并在最近的Science Advances同行评审期刊上发表了一篇论文。新设计可能使亮度呈指数级提高，达到目前亚微米级LED亮度的100到1000倍，可以作为各种应用中新兴技术的一种极具吸引力的替代方案。

大家都知道，LED应用目前在照明行业占据绝对优势，主要是因为LED的工作效率优于以前的技术。但是，目前一种被称为“效率下降”（Efficiency Droop）的现象成为提高LED效率的障碍，并长期困扰着使用LED的产品设计人员。效率下降是由外部量子效率（EQE）降低引起的，EQE用来衡量LED将电子转换为光子的效率以及光子逃逸LED材料的容易程度。EQE随着工作电流的增加而降低，这是由于非辐射复合上升和P-N结温度升高，影响了二极管主动区的复合过程。

新架构研究团队曾开发与常规平面LED“芯片”不一样的物理设计，以便为美国国家标准技术研究所（NIST）的NOAC（芯片上NIST）技术等应用提供解决方案。他们最终研发出一个由氧化锌“鳍”组成的LED光源，每个鳍大约5微米长，组合成一个像梳子的阵列。所用的结构和材料（ZnO-GaN）在紫光和紫外光之间的边界带发光。通过三维时域有限差分法（FDTD）建模，该团队发现鳍片向着空气的那面发光，光取出效率约为15％。此外，由光谱辐射通量测量结果可知，这种鳍型设计的输出功率与驱动电流呈正比，表明影响效率下降的因素（电子泄漏、俄歇复合、由缺陷引起的复合和温度影响）无关紧要。

图1：“鳍型”LED结构。

研究团队认为效率下降的现象可利用鳍型设计来消除。需要强调的是，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，在一个平面LED设计中，如果N型和P型材料的尺寸相同，那么无论注入电流多高，复合区域的尺寸基本上是固定的。但是，对于鳍型LED，若想在更大的物理区域内提供足够多的电子与生成的空穴结合，那么在电流更高的情况下，复合区域将进一步扩展到鳍片中，从而消除效率下降现象。

更令人惊讶的是，研究团队发现，在驱动电流高于50mA的情况下，这种新设计的发射光谱逐渐从以385nm为中心的宽输出光谱变为403nm和417nm的两条窄线。根据他们的计算，这种转变是在复合区域扩大到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。这时，鳍片类似一个法布里-珀罗干涉仪，可以发射激光。

LED已进入照明之外的众多应用，包括显示器、生物医学、消毒、传感器和安防系统。到目前为止，其面临的主要挑战是，由于效率下降现象的存在，LED的输出功率只能达到纳瓦级，从而限制了设备的性能。鳍型架构似乎是解决这一问题的可行方法，辐射功率输出可达微瓦级，因此采用这种新型鳍片设计的亚微米LED和激光设备有可能改变LED在日常产品和系统中的应用。
编辑：hfy