如何利用鳍型芯片架构提高LED效率？

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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。

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