克服“效率下降”：LED亮度提高1000倍！

发光二极管（LED）是一种可将电能高效转化为光能的新型固态光源，是普通照明，显示器，生物传感，表面消毒和灭菌等领域广泛的理想光源。在新型冠状病毒席卷全球期间，UV LED凭其杀菌消毒快，尺寸小、功耗低、环境友好等优势，与口罩、疫苗等等成为近期各大平台的热门词汇，成为了人类抵御病毒的巨大帮手。不仅如此，中村修二也因为发明了高亮度GaN蓝光LED，并因此获得了诺贝尔物理学奖。

GaN发光二极管（LED）被称为最成功的光子技术之一，但是它和所有LED技术一样，都存在“效率下降”的致命弱点，即高电流下，LED的发光亮度和效率会随之下降，这种下垂的行为将纳米级LED的功率输出限制在纳瓦以下，并限制了所有商用LED的性能。

图1 GaN 蓝光LED发光图  

图源：istockphoto

然而，新的研究发现可能将从此改变这种情况。近日，Science Advances期刊以“High-brightness lasing at submicrometer enabled by droop-free fin light-emitting diodes (LEDs)”为题在线报导了一种“鳍状”p-n结LED，该项技术克服了效率下降的问题，使LED亮度随电流线性增加。更令人惊讶的是，当记录电流密度为1000 kA/cm2，不需要传统的谐振腔，LED也会转换为激光。并且在亚微米级下，比以往任何电驱动LED或激光像素高出100到1000倍。这种设计的进一步改进有望使新一代的高亮度LED和激光像素用于规模化的应用。

这项工作由美国国家标准与技术研究所的Babak Nikoobakht研究组联合马里兰大学纳米中心，伦斯勒理工大学，以及IBM 托马斯 ·J· 沃森研究中心共同完成。

图2左 “鳍式”LED 像素设计，包括发光的氧化锌“鳍”（紫色）、隔离介电材料（绿色）和金属触点（黄色）

图2右 鳍状LED像素的线性阵列的光学图像

图源：Advanced science Vol. 6 Extended Data Fig.1&2

这是一个精妙绝伦的设计方案，研究人员在p型氮化镓（GaN）外延铺设了薄的“鳍”（氧化锌（ZnO）细丝），并且在鳍片的每一侧上都覆盖一层薄薄的介电材料，并通过金属电极反馈入驱动电流，从而完成了LED组件。这些像素还可以组合成看起来像梳子一样的亚微米级LED阵列，最多可产生发光功率20微瓦，与传统的亚微米小型LED设计相比，新器件的亮度提高了约100到1000倍。

“鳍状“LED设计者巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）说到：“这是制造 LED 的全新架构，我们使用的材料与传统 LED 相同，区别在于它们的形状不同。细长的鳍片形状和较大的侧面可能会接受更多的电流。”

有趣的是：研究人员为了探索新设计的‘极限’，不断加大电流，想办法把它开到烧坏为止，但它总是越来越亮。

当在实验中不断加大电流时，他们的微型 LED 竟然变成了一个微小的激光器，研究者们认为，在较高的电流密度和温度下，载流子辐射复合效率足以应对光损失，GaN上的ZnO鳍片可以充当Fabry-Pérot腔，并允许在腔内发生激光。“将 LED 转换成激光需要很大的努力。通常需要将 LED 耦合到谐振腔，谐振腔才能使光线反弹产生激光，但鳍式设计可以独立完成全部工作。” 尼古巴赫说道。

图3 智能遥控led风干消毒 

图源：ZTK

这几乎是不可能或者说是一件很困难的事情，这种创举将为将此类激光器开辟广阔的前景，不仅在化学传感方面，而且在下一代手持式通信产品、高清显示器和消毒设备中的芯片级应用开启了机遇之门。