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用超表面设计方法可令LED更像激光

日前,在《自然光子学》上发表的一篇论文中,加州大学圣巴巴拉分校的研究人员描述了一种推进LED显示和照明技术的方法,从VR耳机到汽车照明,各种LED设备都能够变得更加精密和光滑。

加州大学圣巴巴拉分校电子和计算机工程教授Jonathan Schuller说:“我们展示的是一种新型的光子结构,它不仅能让你提取更多的光子,还能将它们引向你想要的地方。”他解释说,外部封装组件一般用于控制LED所发出的光,而我们改进的性能是在不使用外部封装组件的情况下实现的。

LED中的光线是在半导体材料中产生的,当沿半导体晶格运动的带负电荷的电子遇到带正电荷的空穴(没有电子),并转变为能量较低的状态时,在此过程中会释放一个光子。在他们的测量过程中,研究人员发现有相当数量的光子正在产生,但都不是在LED中产生的。

“我们意识到,如果你在形成图形之前观察发射光子的角度分布,它往往会在一个特定的方向达到峰值,而这个方向通常会被困在LED结构中,”Schuller说。“所以我们意识到可以使用传统的超表面概念来设计通常被困的光线。”

他们决定的设计包括在蓝宝石基片上嵌入1.45微米长的氮化镓(GaN)纳米棒阵列,其中嵌入了氮化铟镓的量子陷,以限制电子和空穴从而发出光。除了允许更多的光离开半导体结构,光的偏振在此过程产生,对很多应用都有着非常重要的作用。

研究人员表示超表面本质上是一个亚波长天线阵列。而另一方面LED发出的则是自发光,而不是基于激光的受激相干光。光子陷自发发射会对所有可能的光子运动方式进行采样,所以光看起来就像一束向所有可能的方向运动的光子。问题是在于他们能否通过仔细的纳米级设计和半导体表面制造,将产生的光子引导到期望的方向。

氮化镓非常难处理,需要专门的工艺来制造高质量的晶体,最终该团队利用加州大学圣巴巴拉分校纳米制造设备设计并制作了半导体表面,以适应自发光发射的超表面概念。

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