LED照明的神聖目標就在於以最高能效與最佳成本效益的方式實現白光,而這也一直是製造商和學術界之間最熱門的討論話題。

傳統的途徑包括頻率向下反轉、結合高能量的藍光LED或近紫外線頻段,以及具有不同波長的螢光粉。

相較於原始的發射器(以螢光粉覆蓋的LED),這種途徑通常以較低的量子效率模擬不完全的白光光譜。螢光粉的壽命有限也對於白光的整個產品生命週期帶來負面影響。

其他的解決方案結合了以不同峰值波長發射的多個LED晶片,然而,同樣無法為真正白光帶來自然連續的發光過程。

香港大學(University of Hong Kong)的研究人員則看好可從單晶LED中取得寬頻白光。在最近發佈於《ACS Photonics》期刊中的「寬頻InGaN LED單晶片」(Monolithic Broadband InGaN Light-Emitting Diode)一文中,研究人員發表可在藍寶石基板生長高銦含量氮化銦鎵型氮化鎵(InGaN-GaN)量子阱(QW)結構的結果。

研究人員接著使用矽膠奈米粒子組合作為遮罩層,為整個堆疊進行蝕刻,在整個LED晶片上留下奈米柱圖案組合,範圍包括從直徑約150nm的奈米尖端到直徑約7μm的微碟型共振腔。

20160701 LED NT01P2 奈米結構流程採用分散的矽珠,(a, b) 奈米遮罩用於乾式蝕刻; (c)實現隨機分佈的奈米尖端組合(d),接著再進行平面化

由於生長的InGaN-GaN量子阱結構遭受晶格不匹配導致的應變影響,因而必須利用整個奈米尖點與微碟的不同應變分佈。這種現象稱為量子侷限史塔克效應(QCSE),其蜂值波長受到應變誘導的壓電場影響,從而降低了有效的隙能量,導致發光頻譜的紅色色移。透過InGaN-GaN QW堆疊的奈米級結構釋放這一應力,可望部份緩解這種色移情形。

在大約80nm波長發射的奈米尖點,比生長構的更短,但在575nm標準波長下的相同晶片,發更大的7μm 微碟。

研究人員為單晶LED進行奈米製圖,並混搭應變InGaN-GaN QW的較長波長以及應變奈米端(Nano-tips)的較短波長光源。

20160701 LED NT01P1 (a)無螢光粉的白光LED單晶片,結合了不同面向的米結構陣列,在進行平面化(c)之前以及之後的(b)製造結構的SEM影像圖

所取得的晶片可同步發射在每一奈米結構流程中隨機分佈的藍光、綠光與黃光。

20160701 LED NT01P3 奈米結構的單晶LED特寫照片顯示不同的藍、綠與黃光。整個晶片尺寸約1x1mm2

目前這一研究仍僅止於概念驗證階段,但研究人員在其研究報告中說明,他們希望能使用電子束或奈米壓印等精確的奈米製圖技術,進一步提高光與頻色分佈的均勻一致性。此外,調整奈米尖端與微碟的相對濃度,也可以在整個色域上調整發光度,從而使用多個,不同尺寸的奈米尖端(每一個都具有不同程度的應變-鬆弛)達到更具連續性的發光效率。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Nano-structured Yields White Light,by Julien Happich)