麻省理工學院在新加坡的研究企業新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟(SMART)的低能電子系統(LEES)跨學科研究小組(IRG)的研究人員與麻省理工學院(MIT)、新加坡國立大學(NUS)和南洋理工大學(NTU)的合作者一起發現了一種 通過使用半導體材料的內在缺陷產生長波長(紅色、橙色和黃色)光的新方法，有可能被用作商業光源和顯示設備的直接發光器。

氮化鎵(InGaN)LED是一種基于氮化物的第三類元素的發光二極管(LED)，在20多年前的90年代首次制造出來，此后不斷發展，變得越來越小，同時也越來越強大、高效和耐用。今天，InGaN LED可以在無數的工業和消費者使用案例中找到，包括信號和光通信以及數據存儲，并且在高需求的消費者應用中至關重要，如固態照明、 電視 機、筆記本電腦、移動設備、增強型(AR)和虛擬現實(VR)解決方案。

對此類電子設備不斷增長的需求，推動了二十多年來對半導體實現更高的光輸出、可靠性、壽命和多功能性的研究--這導致了對可以發出不同顏色光的LED的需求。傳統上，InGaN材料在現代LED中被用來產生紫色和藍色的光，而磷化鎵鋁(AlGaInP)--一種不同類型的半導體--被用來產生紅色、橙色和黃色的光。這是由于InGaN在紅色和琥珀色光譜中的性能不佳，這是因為所需的銦含量較高而導致效率下降。

此外，這種具有相當高的銦濃度的InGaN LED仍然難以用傳統的半導體結構制造。因此，實現全固態白光發光器件--需要所有三種原色光--仍然是一個無法實現的目標。

為了應對這些挑戰，SMART的研究人員在一篇題為"發光的V-Pit：實現發光富銦銦鎵量子點的替代方法"的論文。在他們的論文中，研究人員描述了一種實用的方法，通過利用InGaN材料中預先存在的缺陷，制造出銦濃度高得多的InGaN量子點。

在這個過程中，由材料中自然存在的位錯導致的所謂V型坑的凝聚，直接形成了富銦量子點，即能夠發射較長波長的光的材料島。通過在傳統的硅襯底上生長這些結構，進一步消除了對圖案或非常規襯底的需要。研究人員還對InGaN量子點進行了高空間分辨率的成分測繪，首次提供了對其形態的視覺確認。

除了量子點的形成，堆積斷層的成核--另一種內在的晶體缺陷--進一步促進了更長波長的發射。

SMART研究生和該論文的主要作者Jing-Yang Chung說："多年來，該領域的研究人員一直試圖解決InGaN量子阱結構中固有缺陷帶來的各種挑戰。在一個新穎的方法中，我們轉而設計了一個納米坑洞缺陷，以實現InGaN量子點直接生長的平臺。因此，我們的工作證明了使用硅襯底進行新的富銦結構的可行性，在解決目前長波長InGaN光發射器效率低下的挑戰的同時，也緩解了昂貴襯底的問題。"

這樣一來，SMART的發現代表著在克服InGaN在產生紅、橙和黃光時效率降低的問題上邁出了重要一步。反過來，這項工作可能對未來開發由單一材料組成的微型LED陣列有幫助。

LEES的共同作者和首席研究員Silvija Grade?ak博士補充說："我們的發現對環境也有影響。例如，這一突破可能會帶來更迅速地淘汰非固態照明源--如白熾燈--甚至是目前的磷酸鹽涂層藍色InGaN LED，采用全固態混色解決方案，進而導致全球能源消耗的顯著減少。"

SMART首席執行官兼LEES首席研究員Eugene Fitzgerald說："我們的工作還可能對半導體和電子行業產生更廣泛的影響，因為這里描述的新方法遵循標準的行業制造程序，可以被廣泛采用并大規模實施。在更宏觀的層面上，除了InGaN驅動的能源節約可能帶來的生態效益外，我們的發現也將有助于該領域繼續研究和開發新的高效InGaN結構。"

關鍵詞： 半導體材料 科學家 長波長光 二極管