由英國、台灣與俄羅斯的研究人員組成的跨國研究團隊設計出一種新穎的光子準晶體LED結構,在整個LED活性層堆疊範圍深層嵌入量子點,據稱可實現突破性的有效量子色彩轉換效率。

研究人員首先在藍寶石基板上生長氮化鎵(GaN)/氮化銦鎵(InGaN)多量子阱(Multi-Quantum Well;MQW)的LED堆疊,然後使用奈米壓印微影技術與等離子蝕刻「衝壓」整個堆疊與結構,使其成為12倍的對稱準晶體(PQC)。

藉由形成具有750nm晶格間距的480nm半徑圓柱形孔洞陣列,可為這種PQC結構進行深層蝕刻,使其得以滲透至整個MQW活性區,然後再以經由自旋塗覆製程進行沈積的量子點(QD)混合物進行填充。

在其於《Optica》期刊發表的「混合光子晶體發光二極體實現123%的量子色彩轉換效率」(Hybrid photonic crystal light-emitting diode renders 123% color conversion effective quantum yield)一文中,研究人員們將這種混雜與特殊的準晶體幾何形狀視為關鍵的因素。

當用於LED色彩轉換時,膠狀的量子點通常分散於活性LED結構上方的封裝層,遺漏了LED發出的大部份光源——剩餘約60%-80%的光由於全內反射而侷限於外延層。

在這種混合結構中,QD發射器被放置在靠近活性區的MQW處,因而提高了MQW與QD之間的耦合輸出效率,同時在LED實現MQW與QD的非輻射共振能量轉移與近場輻射耦合至發射器。

20150527 LED NT02P1 (a)示意圖(b)橫截面(c)光子準晶體LED混雜QD色彩轉換器的SEM圖 (來源:OSA Publishing)

更重要的是,由於其高度對稱的遠場光束形狀,12倍的對稱光子準晶體呈現長程序列與短程亂序,以及擁有半隨機的特性,較傳統光子晶體更進一步提高光的擷取。

這項研究的結果顯示,針對單一種QD的色彩轉換器,QD發射器的有效量子效率可達到123%,而白色混雜3種達到6500 K D65光譜的市售QD(535/585/630nm)效率則約為110%。研究人員認為,如果使用先進的奈米晶體發射器,可望進一步提升其性能。

這項研究是由英國南安普敦大學(University of Southampton)電子與電腦科學系以及物理與天文系、台灣洲磊科技(Luxtaltek Corporation)、國立文通大學(National Chiao Tung University)光電工程系與研究所,以及俄羅斯Skolkovo理工學院光子學與量子材料研究中心等單位的研究人員共同進行。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum dots deep into hybrid LEDs,by Julien Happich)