研究人员发现通过半导体材料中预先存在的缺陷产生光的新方法

麻省理工学院在新加坡的研究企业新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的低能电子系统（LEES）跨学科研究小组（IRG）的研究人员与麻省理工学院（MIT）、新加坡国立大学（NUS）和南洋理工大学（NTU）的合作者一起发现了一种 通过使用半导体材料的内在缺陷产生长波长（红色、橙色和黄色）光的新方法，有可能被用作商业光源和显示设备的直接发光器。

这项技术将是对目前方法的一种改进，例如，使用荧光粉将一种颜色的光转换为另一种颜色。

氮化镓(InGaN)LED是一种基于氮化物的第三类元素的发光二极管(LED)，在20多年前的90年代首次制造出来，此后不断发展，变得越来越小，同时也越来越强大、高效和耐用。今天，InGaN LED可以在无数的工业和消费者使用案例中找到，包括信号和光通信以及数据存储，并且在高需求的消费者应用中至关重要，如固态照明、电视机、笔记本电脑、移动设备、增强型（AR）和虚拟现实（VR）解决方案。

对此类电子设备不断增长的需求，推动了二十多年来对半导体实现更高的光输出、可靠性、寿命和多功能性的研究--这导致了对可以发出不同颜色光的LED的需求。传统上，InGaN材料在现代LED中被用来产生紫色和蓝色的光，而磷化镓铝（AlGaInP）--一种不同类型的半导体--被用来产生红色、橙色和黄色的光。这是由于InGaN在红色和琥珀色光谱中的性能不佳，这是因为所需的铟含量较高而导致效率下降。

此外，这种具有相当高的铟浓度的InGaN LED仍然难以用传统的半导体结构制造。因此，实现全固态白光发光器件--需要所有三种原色光--仍然是一个无法实现的目标。

为了应对这些挑战，SMART的研究人员在一篇题为"发光的V-Pit：实现发光富铟铟镓量子点的替代方法"的论文。在他们的论文中，研究人员描述了一种实用的方法，通过利用InGaN材料中预先存在的缺陷，制造出铟浓度高得多的InGaN量子点。

在这个过程中，由材料中自然存在的位错导致的所谓V型坑的凝聚，直接形成了富铟量子点，即能够发射较长波长的光的材料岛。通过在传统的硅衬底上生长这些结构，进一步消除了对图案或非常规衬底的需要。研究人员还对InGaN量子点进行了高空间分辨率的成分测绘，首次提供了对其形态的视觉确认。

除了量子点的形成，堆积断层的成核--另一种内在的晶体缺陷--进一步促进了更长波长的发射。

SMART研究生和该论文的主要作者Jing-Yang Chung说："多年来，该领域的研究人员一直试图解决InGaN量子阱结构中固有缺陷带来的各种挑战。在一个新颖的方法中，我们转而设计了一个纳米坑洞缺陷，以实现InGaN量子点直接生长的平台。因此，我们的工作z明了使用硅衬底进行新的富铟结构的可行性，在解决目前长波长InGaN光发射器效率低下的挑战的同时，也缓解了昂贵衬底的问题。"

这样一来，SMART的发现代表着在克服InGaN在产生红、橙和黄光时效率降低的问题上迈出了重要一步。反过来，这项工作可能对未来开发由单一材料组成的微型LED阵列有帮助。

LEES的共同作者和首席研究员Silvija Gradečak博士补充说："我们的发现对环境也有影响。例如，这一突破可能会带来更迅速地淘汰非固态照明源--如白炽灯--甚至是目前的磷酸盐涂层蓝色InGaN LED，采用全固态混色解决方案，进而导致全球能源消耗的显著减少。"

SMART首席执行官兼LEES首席研究员Eugene Fitzgerald说："我们的工作还可能对半导体和电子行业产生更广泛的影响，因为这里描述的新方法遵循标准的行业制造程序，可以被广泛采用并大规模实施。在更宏观的层面上，除了InGaN驱动的能源节约可能带来的生态效益外，我们的发现也将有助于该领域继续研究和开发新的高效InGaN结构。"

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