实现无荧光粉的单芯片白光发光二极管

　　发光二极管在固态照明工程中占有重要的地位，在未来5－10年将逐步取代传统的照明灯具，成为节能、环保的新型光源。与传统的光源（白炽灯，日光灯，卤素灯等）相比，发光二极管光源具有许多优点，如长寿命，体积小，低功耗，低环境污染，高电光转换效率，适用性好和使用安全等。随着GaN基III- V族化合物技术的发展和蓝光LED的实现，人们已经可以获得实现白光的三基色发光二极管。通常情况下，获得白光发光二极管的方法有：1）蓝光发光二极管+ 黄色荧光粉；2）多芯片组合，即将红，绿，蓝三个管芯结合在一起；3）光子循环实现白光发光方式；4）同一衬底上生长不同发光波长量子阱方式。但是上述几种获得白光的方式技术复杂、制作成本高、存在很多需要克服的困难，因此人们一直致力于实现能够避开这些问题的单芯片白光发光器件，并从理论上预言这种器件的可行性。然而，尽管GaN基的蓝、绿光发光二极管的技术日益成熟和商品化，实现单芯片白光发光成为科学家的梦想。2006年，物理所陈弘研究组采用InGaN的应力调制层，实现了对InGaN/GaN多量子阱的应力调制和控制，成功研制出单芯片白光发光器件。此方法不需要荧光粉，也不需要增加复杂的控制电路，制备过程与普通发光二极管相似。在常规的注入电流下（20mA－60mA），白光的显色指数几乎不变。图1展示了不同注入电流下发光颜色的变化。图2展示了InGaN/GaN有源区的截面电镜像。

图1.不同注入电流下单芯片白光发光二极管的发光照片：(a) 1 mA, (b) 5 mA, (c) 20 mA, (d) 60 mA

图2.发光二极管InGaN/GaN 有源区透射电子显微镜截面图片

　　电致荧光谱研究表明在低电流下LED发射黄光。随着电流增加大于20mA，蓝光强度逐渐增加，出射光也逐渐由偏黄光过渡到白光。透射电子显微镜截面图显示在InGaN 量子阱中形成了大量的富In量子点。在低注入电流的时候，载流子先被富In量子点俘获发出黄光，随着电流增加，量子点之外的量子阱区域开始俘获载流子，辐射复合之后发射出蓝光，蓝光与黄光混合产生白光。这一研究成果发表后（Applied Physics Letters 91 ,161912 （2007）），引起了国际上在产业界关注度极高的化合物半导体杂志的关注，在2007年12月10日的“Research Review”专栏进行了报道。

　　 该工作得到了国家科技部和国家自然科学基金委的资助