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光是最普遍的传递信息媒介之一,与我们的日常生活息息相关。从白炽灯到发光二极管,人造光源在节能方面不断改进。在当前能源问题日益严重的背景下,发光二极管具有比传统光源高得多的能量利用效率,获得广泛的研究和发展。发光二极管利用PN接面半导体中的载流子复合过程放出的能量发射光子。通过各种方法调节半导体的能带宽度,便可发射出不同颜色的光。虽然与传统光源相比,发光二极管有较高的能量利用效率,但是由于受半导体本身的能带结构限制,目前单壹半导体发光二极管芯片只能发射单色光,而应用于照明和显示用途的人造光源往往需要发出多色光。当前最常用的解决方案是使用荧光粉这种颜色转换材料,将部分发光二极管芯片发出的光以较长波长转换成其他颜色。这种做法的缺点是在颜色转换的过程中必然会有较大的能量损失,因而造成发热,又进一步减低发光二极管内部的量子效率。而且,由于荧光粉的使用寿命较发光二极管芯片为短,损耗了的荧光粉会令所发出的光的颜色随着时间逐渐改变。

制造多色发光二极管的流程图

 
研究很早就发现,改变半导体物料的应力会影响其能带结构,进而影响其发出的光的颜色。而应力可以通过在芯片上制造不同尺寸的纳米结构来调节,使单壹芯片能发出多色光。

我们利用纳米球光刻技术,在一般发光二极管灯胆内找到的氮化铟镓发光二极管芯片上制造不同尺寸的纳米柱,从而调节芯片表面的应力及芯片不同位置处发出的光的颜色。我们使用扫描近场光学显微镜来研究这种带有纳米结构的发光二极管芯片的微区发光性质,找到了发光性质随纳米结构特征及尺寸的变化。我们亦利用光致发光来研究芯片的远场发光性质。得到的照片显示,经纳米技术处理的芯片能发出既有绿光也有蓝光的双色光,这两种光结合起来成为复色光。我们正进一步研究以这种单壹芯片产生多色光的技术来开发产出白光的芯片,相信将有助于实现高效率、高可靠性的发光二极管多色光照明。

研究团队成员:冯聪先生,黄建安博士及蔡凯威博士(从左至右)

蔡凯威博士
香港大学

电机电子工程系
hwchoi@hku.hk



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