科學家意外創造全新LED設計，發光功率提升1000倍

2020-08-29 DeepTech深科技

發光二極體（LED）是現代住宅、工業和汽車照明等領域廣泛應用的理想照明光源，但是 LED 卻有種技術限制被稱為 「光效下降」 效應。

這種限制通俗來講，就是 LED 只在低電流 (僅幾十毫安) 下可以最有效地工作，而隨著輸入電流的增大，發光效率反而會逐漸降低。這意味著要維持照明效率，LED 必須在較低的電流下工作，且由於 LED「光效下降」效應，我們必須增大 LED 器件的面積，或在一個燈泡中增加更多的 LED，從而在不犧牲效率的同時增加亮度，這不僅限制了所有商用 LED 的性能提升，也將亞微米級 LED 和雷射器的輸出功率限制為納瓦。

不過，新的研究發現可能會從根本上改變這種情況。日前，由美國國家標準與技術研究所（NIST）牽頭的科研小組開發了一種新型 LED 設計：「鰭式」LED（Fin LED），這種設計可以產生微瓦級的輸出功率，比現有的納米級 LED 和雷射器高出約 1000 倍，可能是克服 LED 光源效率限制的關鍵一步。

該研究小組還包括來自馬裡蘭大學、倫斯勒理工學院和 IBM 託馬斯 ·J· 沃森研究中心的多位科學家，論文發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上，LED 亮度的大幅提高以及產生雷射的能力等特性，都有望使該技術產生更多衍生價值。

圖｜「鰭式」LED 像素設計包括發光的氧化鋅「鰭」（紫色）、隔離介電材料（綠色）和金屬觸點（黃色）（來源：NIST）

NIST 負責構思 LED 新設計的專家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說：「這是製造 LED 的全新架構，我們使用的材料與傳統 LED 相同，區別在於它們的形狀不同。」

LED 早在 1962 年就由美國通用電氣公司研究員尼克 · 何倫亞克（Nick Holonyak）發明，當初只有紅色。2014 年度，諾貝爾物理學獎授予了三名日本科學家（赤崎勇、天野浩和中村修二），以表彰他們發明了藍光 LED 技術，開創了照明新時代。

雖然有幾十年的技術發展史，但即使是現代的 LED 產品，其局限性也使它們的設計師們感到沮喪。在某種程度上，給一個 LED 輸入更多的電能會使它發光更明亮，但是達到一個臨界點後，就會只剩工作溫度劇增，而亮度卻會大幅衰減，這使得 LED 的光效輸出一直難有突破，如果可以消除 LED 光效下降問題，我們就可以簡單地通過增加驅動電流來使 LED 變得更亮。

有意思的是，研究人員開發的新設計，最初並不是為了著手解決 「光效下降」 這個問題，他們原打算製造一種微型 LED，用於非常小的應用，例如 NIST 正在研究的晶片實驗室技術。

研究小組對 LED 發光部分進行了全新的構建：與常規 LED 所採用的平面設計不同，他們使用長而細的氧化鋅線束（稱為鰭片）構建了光源，每個鰭的長度僅約 5 微米，大約是人類頭髮平均寬度的十分之一，它們組成的鰭陣列看起來像一個微小的梳子，可以延伸到 1 釐米或更大的區域。

圖｜鰭式 LED 像素和陣列光學圖像（來源：Science Advances）

尼古巴赫說：「我們看到了鰭片的機會，因為我認為鰭片的細長形狀和較大的側面可以接收更多的電流。一開始我們只是想測試一下新設計的『極限』，我們開始加大電流，想辦法把它開到燒壞為止，但它總是越來越亮。」

典型的面積小於平方微米的 LED 發光功率約為 22 納瓦，但這種新型 LED 最多可產生 20 微瓦，將發光功率最高提升近 1000 倍。這表明該設計克服了 LED 的光效下降障礙，從而使光源更明亮。

「這是我見過的最有效的解決方案之一。」南卡羅來納大學電氣工程教授格裡戈裡 · 西敏（Grigory Simin）評價說，學界和產業界多年來一直致力於提高 LED 的效率，而其他方法在應用於亞微米級的 LED 時通常會遇到技術問題，這種方法卻做得很好。」

圖｜在高電流密度下，鰭式 LED 過渡到鰭式雷射器（來源：Science Advances）

當在實驗中不斷加大電流時，研究小組又有了一個驚人發現。雖然 LED 起初在一定波長範圍內發光，但其最終會縮小為深紫色的兩個波長，他們的微型 LED 竟然變成了一個微小的雷射器，實驗記錄到的電流密度為 1000 kA/cm 2，LED 轉換為雷射，亮度超過 20 微瓦。

「將 LED 轉換成雷射需要很大的努力。通常，需要將 LED 耦合到諧振腔，諧振腔才能使光線反彈以產生雷射。」 尼古巴赫說。「但鰭式設計可以獨立完成全部工作。」微型雷射器的應用也非常多，不僅在化學傳感方面，而且在下一代手持式通信產品、高清顯示器和消毒方面也是如此。

尼古巴赫認為：「這種全新 LED 設計作為重要的構建基塊具有很大的潛力。」 「雖然這不是人們製造的最小的雷射器，但它是一個非常明亮的雷射器，且不存在效率下降的問題，將會大有用處。」

研究結論中指出，這項發現令人鼓舞，代表了 LED 設計體系結構的重要一步，可以克服 LED 中的 「電流密度下降」 和「溫度下降」效應，以最大化其每個像素可實現的輸出功率。

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