LED應用面臨的主要挑戰是，由于效率下降現象，輸出功率只能達到納瓦級，限制了設備的性能。輻射功率輸出可達微瓦級的鰭型架構似乎是解決這一問題的可行方法。

由美國國家標準研究院（NIST）、馬里蘭大學、倫斯勒理工學院和IBM Thomas J. Watson研究中心聯合開發的新型發光二極管（LED）芯片架構有望在設備效率方面取得重大突破。

該小組已成功在實驗室中展示了這一架構，并在最近的Science Advances同行評審期刊上發表了一篇論文。新設計可能使亮度呈指數級提高，達到目前亞微米級LED亮度的100到1000倍，可以作為各種應用中新興技術的一種極具吸引力的替代方案。

大家都知道，LED應用目前在照明行業占據絕對優勢，主要是因為LED的工作效率優于以前的技術。但是，目前一種被稱為“效率下降”（Efficiency Droop）的現象成為提高LED效率的障礙，并長期困擾著使用LED的產品設計人員。效率下降是由外部量子效率（EQE）降低引起的，EQE用來衡量LED將電子轉換為光子的效率以及光子逃逸LED材料的容易程度。EQE隨著工作電流的增加而降低，這是由于非輻射復合上升和P-N結溫度升高，影響了二極管主動區的復合過程。

新架構研究團隊曾開發與常規平面LED“芯片”不一樣的物理設計，以便為美國國家標準技術研究所（NIST）的NOAC（芯片上NIST）技術等應用提供解決方案。他們最終研發出一個由氧化鋅“鰭”組成的LED光源，每個鰭大約5微米長，組合成一個像梳子的陣列。所用的結構和材料（ZnO-GaN）在紫光和紫外光之間的邊界帶發光。通過三維時域有限差分法（FDTD）建模，該團隊發現鰭片向著空氣的那面發光，光取出效率約為15％。此外，由光譜輻射通量測量結果可知，這種鰭型設計的輸出功率與驅動電流呈正比，表明影響效率下降的因素（電子泄漏、俄歇復合、由缺陷引起的復合和溫度影響）無關緊要。

圖1：“鰭型”LED結構。

研究團隊認為效率下降的現象可利用鰭型設計來消除。需要強調的是，在LED中，N型材料中的電流必須等于P型材料中的電流。因此，在一個平面LED設計中，如果N型和P型材料的尺寸相同，那么無論注入電流多高，復合區域的尺寸基本上是固定的。但是，對于鰭型LED，若想在更大的物理區域內提供足夠多的電子與生成的空穴結合，那么在電流更高的情況下，復合區域將進一步擴展到鰭片中，從而消除效率下降現象。

更令人驚訝的是，研究團隊發現，在驅動電流高于50mA的情況下，這種新設計的發射光譜逐漸從以385nm為中心的寬輸出光譜變為403nm和417nm的兩條窄線。根據他們的計算，這種轉變是在復合區域擴大到鰭片的頂部時發生的，因此不再能夠隨著電流的增加而擴展。這時，鰭片類似一個法布里-珀羅干涉儀，可以發射激光。

LED已進入照明之外的眾多應用，包括顯示器、生物醫學、消毒、傳感器和安防系統。到目前為止，其面臨的主要挑戰是，由于效率下降現象的存在，LED的輸出功率只能達到納瓦級，從而限制了設備的性能。鰭型架構似乎是解決這一問題的可行方法，輻射功率輸出可達微瓦級，因此采用這種新型鰭片設計的亞微米LED和激光設備有可能改變LED在日常產品和系統中的應用。
編輯：hfy