據外媒報導，新加坡麻省理工學院研究與技術聯盟（麻省理工學院在新加坡的研究機構SMART，Singapore-MIT Alliance for Research and Technology）低能電子系統跨學科研究小組的研究人員，與麻省理工學院、新加坡國立大學（National University of Singapore）和南洋理工大學（Nanyang Technological University）的合作者發現了一種新的方法，利用半導體材料中的固有缺陷來產生長波（紅、橙、黃）光，其潛在應用包括商業光源和顯示器內的直接發光器。與以前使用的方法相比，如使用熒光粉（phosphor）將一種顏色的光轉換成另一種顏色，這項技術實現了進一步提升。

 

氮化銦鎵（InGaN）LED是一種基於第III族元素氮化物的發光二極管（LED），於20多年前（90年代）首次製造問世，此後演變得越來越小，同時越來越強勁、高效和耐用。如今，InGaN LED在眾多工業和消費應用案例中隨處可見，包括信號、光通信和數據存儲；並且在高需求消費應用中發揮重要作用，如固態照明、電視機、筆記本電腦、移動設備、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）解決方案等。

 

20多年來，對這類電子設備的需求不斷增長，由此推動相關研究發展，以獲得更高的半導體光輸出、可靠性、壽命和多功能性，進而產生對能發出不同顏色光的LED的需求。在現代LED中，通常使用InGaN材料來產生紫光和藍光，而另一種半導體磷化鋁鎵銦（AlGaInP）用於產生紅、橙和黃光。這是由於InGaN在紅色和琥珀色光譜中表現不佳，因為需要更高含量的銦，而導致效率降低。此外，這種具有相當高銦濃度的InGaN LED，很難使用傳統的半導體結構製造。因此，實現全固態白光發光設備（需要三種基色光），這一目標仍未達成。

 

為了應對這些挑戰，SMART的研究人員開發了一種實用的方法，利用InGaN材料中預先存在的缺陷，製備具有明顯更高銦濃度的InGaN量子點。在這一過程中，材料中自然存在的位錯（dislocations）導致V形坑合併，從而直接形成富銦量子點，即發射較長波長光的材料島狀物。在常規矽基底上生長這些結構，進一步消除對具有一定結構或非常規基底的需要。研究人員還對InGaN量子點進行高空間分辨率的成分繪圖，首次從視覺上確認其形態。除了形成量子點，另一種固有的晶體缺陷——堆積層錯成核，能夠進一步促進發出更長的波長。

 

主要研究人員Jing-Yang Chung表示：“多年來，該領域的研究人員一直試圖解決InGaN量子阱結構中的固有缺陷帶來的各種挑戰。在新方法中，我們設計了一個納米坑缺陷，以構建InGaN量子點直接生長的平台。此項工作證明使用矽基底製造新富銦結構的可行性，這不僅解決了目前長波InGaN光源效率低的挑戰，也緩解了基底價格昂貴的問題。”

 

通過這種方式，在克服InGaN產生紅、橙、黃光時效率降低這一問題上，SMART的發現邁出了重要一步。未來，這項工作可能有助於開發由單一材料組成的微型LED陣列。研究人員表示，這項研究對環境也有影響。例如，這一突破有助於加速淘汰白熾燈等非固態光源，甚至可以淘汰目前的磷塗層藍色InGaN LED，採用全固態混色方案，從而顯著降低全球能源消耗。此外，這項工作還可能對半導體和電子行業產生更廣泛的影響。這種新方法遵循標準工業製造程序，可以廣泛應用。