發(fā)光二極管（LED）是一種可將電能高效轉(zhuǎn)化為光能的新型固態(tài)光源，是普通照明，顯示器，生物傳感，表面消毒和滅菌等領(lǐng)域廣泛的理想光源。在新型冠狀病毒席卷全球期間，UV LED憑其殺菌消毒快，尺寸小、功耗低、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，與口罩、疫苗等等成為近期各大平臺(tái)的熱門詞匯，成為了人類抵御病毒的巨大幫手。不僅如此，中村修二也因?yàn)榘l(fā)明了高亮度GaN藍(lán)光LED，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

GaN發(fā)光二極管（LED）被稱為最成功的光子技術(shù)之一，但是它和所有LED技術(shù)一樣，都存在“效率下降”的致命弱點(diǎn)，即高電流下，LED的發(fā)光亮度和效率會(huì)隨之下降，這種下垂的行為將納米級(jí)LED的功率輸出限制在納瓦以下，并限制了所有商用LED的性能。

圖1 GaN 藍(lán)光LED發(fā)光圖  

圖源：istockphoto

然而，新的研究發(fā)現(xiàn)可能將從此改變這種情況。近日，Science Advances期刊以“High-brightness lasing at submicrometer enabled by droop-free fin light-emitting diodes (LEDs)”為題在線報(bào)導(dǎo)了一種“鰭狀”p-n結(jié)LED，該項(xiàng)技術(shù)克服了效率下降的問題，使LED亮度隨電流線性增加。更令人驚訝的是，當(dāng)記錄電流密度為1000 kA/cm2，不需要傳統(tǒng)的諧振腔，LED也會(huì)轉(zhuǎn)換為激光。并且在亞微米級(jí)下，比以往任何電驅(qū)動(dòng)LED或激光像素高出100到1000倍。這種設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)有望使新一代的高亮度LED和激光像素用于規(guī)模化的應(yīng)用。

這項(xiàng)工作由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Babak Nikoobakht研究組聯(lián)合馬里蘭大學(xué)納米中心，倫斯勒理工大學(xué)，以及IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心共同完成。

圖2左 “鰭式”LED 像素設(shè)計(jì)，包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”（紫色）、隔離介電材料（綠色）和金屬觸點(diǎn)（黃色）

圖2右 鰭狀LED像素的線性陣列的光學(xué)圖像

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

這是一個(gè)精妙絕倫的設(shè)計(jì)方案，研究人員在p型氮化鎵（GaN）外延鋪設(shè)了薄的“鰭”（氧化鋅（ZnO）細(xì)絲），并且在鰭片的每一側(cè)上都覆蓋一層薄薄的介電材料，并通過金屬電極反饋入驅(qū)動(dòng)電流，從而完成了LED組件。這些像素還可以組合成看起來像梳子一樣的亞微米級(jí)LED陣列，最多可產(chǎn)生發(fā)光功率20微瓦，與傳統(tǒng)的亞微米小型LED設(shè)計(jì)相比，新器件的亮度提高了約100到1000倍。

“鰭狀“LED設(shè)計(jì)者巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說到：“這是制造 LED 的全新架構(gòu)，我們使用的材料與傳統(tǒng) LED 相同，區(qū)別在于它們的形狀不同。細(xì)長的鰭片形狀和較大的側(cè)面可能會(huì)接受更多的電流。”

有趣的是：研究人員為了探索新設(shè)計(jì)的‘極限’，不斷加大電流，想辦法把它開到燒壞為止，但它總是越來越亮。

當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中不斷加大電流時(shí)，他們的微型 LED 竟然變成了一個(gè)微小的激光器，研究者們認(rèn)為，在較高的電流密度和溫度下，載流子輻射復(fù)合效率足以應(yīng)對(duì)光損失，GaN上的ZnO鰭片可以充當(dāng)Fabry-Pérot腔，并允許在腔內(nèi)發(fā)生激光。“將 LED 轉(zhuǎn)換成激光需要很大的努力。通常需要將 LED 耦合到諧振腔，諧振腔才能使光線反彈產(chǎn)生激光，但鰭式設(shè)計(jì)可以獨(dú)立完成全部工作。” 尼古巴赫說道。

圖3 智能遙控led風(fēng)干消毒 

圖源：ZTK

這幾乎是不可能或者說是一件很困難的事情，這種創(chuàng)舉將為將此類激光器開辟廣闊的前景，不僅在化學(xué)傳感方面，而且在下一代手持式通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒設(shè)備中的芯片級(jí)應(yīng)用開啟了機(jī)遇之門。