這種限制通俗來講，就是 LED 只在低電流 (僅幾十毫安) 下可以最有效地工作，而隨著輸入電流的增大，發(fā)光效率反而會逐漸降低。這意味著要維持照明效率，LED 必須在較低的電流下工作，且由于 LED“光效下降”效應(yīng)，我們必須增大 LED 器件的面積，或在一個燈泡中增加更多的 LED，從而在不犧牲效率的同時增加亮度，這不僅限制了所有商用 LED 的性能提升，也將亞微米級 LED 和激光器的輸出功率限制為納瓦。

 

不過，新的研究發(fā)現(xiàn)可能會從根本上改變這種情況。日前，由美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）牽頭的科研小組開發(fā)了一種新型 LED 設(shè)計：“鰭式”LED（Fin LED），這種設(shè)計可以產(chǎn)生微瓦級的輸出功率，比現(xiàn)有的納米級 LED 和激光器高出約 1000 倍，可能是克服 LED 光源效率限制的關(guān)鍵一步。

 

該研究小組還包括來自馬里蘭大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院和 IBM 托馬斯 ·J· 沃森研究中心的多位科學(xué)家，論文發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）雜志上，LED 亮度的大幅提高以及產(chǎn)生激光的能力等特性，都有望使該技術(shù)產(chǎn)生更多衍生價值。

圖｜“鰭式”LED 像素設(shè)計包括發(fā)光的氧化鋅“鰭”（紫色）、隔離介電材料（綠色）和金屬觸點（黃色）（來源：NIST）

 

NIST 負責(zé)構(gòu)思 LED 新設(shè)計的專家巴巴克 · 尼古巴赫（Babak Nikoobakht）說：“這是制造 LED 的全新架構(gòu)，我們使用的材料與傳統(tǒng) LED 相同，區(qū)別在于它們的形狀不同。”

 

LED 早在 1962 年就由美國通用電氣公司研究員尼克 · 何倫亞克（Nick Holonyak）發(fā)明，當初只有紅色。2014 年度，諾貝爾物理學(xué)獎授予了三名日本科學(xué)家（赤崎勇、天野浩和中村修二），以表彰他們發(fā)明了藍光 LED 技術(shù)，開創(chuàng)了照明新時代。

 

雖然有幾十年的技術(shù)發(fā)展史，但即使是現(xiàn)代的 LED 產(chǎn)品，其局限性也使它們的設(shè)計師們感到沮喪。在某種程度上，給一個 LED 輸入更多的電能會使它發(fā)光更明亮，但是達到一個臨界點后，就會只剩工作溫度劇增，而亮度卻會大幅衰減，這使得 LED 的光效輸出一直難有突破，如果可以消除 LED 光效下降問題，我們就可以簡單地通過增加驅(qū)動電流來使 LED 變得更亮。

 

有意思的是，研究人員開發(fā)的新設(shè)計，最初并不是為了著手解決 “光效下降” 這個問題，他們原打算制造一種微型 LED，用于非常小的應(yīng)用，例如 NIST 正在研究的芯片實驗室技術(shù)。

 

研究小組對 LED 發(fā)光部分進行了全新的構(gòu)建：與常規(guī) LED 所采用的平面設(shè)計不同，他們使用長而細的氧化鋅線束（稱為鰭片）構(gòu)建了光源，每個鰭的長度僅約 5 微米，大約是人類頭發(fā)平均寬度的十分之一，它們組成的鰭陣列看起來像一個微小的梳子，可以延伸到 1 厘米或更大的區(qū)域。

圖｜鰭式 LED 像素和陣列光學(xué)圖像（來源：Science Advances）

 

尼古巴赫說：“我們看到了鰭片的機會，因為我認為鰭片的細長形狀和較大的側(cè)面可以接收更多的電流。一開始我們只是想測試一下新設(shè)計的‘極限’，我們開始加大電流，想辦法把它開到燒壞為止，但它總是越來越亮。”

 

典型的面積小于平方微米的 LED 發(fā)光功率約為 22 納瓦，但這種新型 LED 最多可產(chǎn)生 20 微瓦，將發(fā)光功率最高提升近 1000 倍。這表明該設(shè)計克服了 LED 的光效下降障礙，從而使光源更明亮。

 

“這是我見過的最有效的解決方案之一。”南卡羅來納大學(xué)電氣工程教授格里戈里 · 西敏（Grigory Simin）評價說，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界多年來一直致力于提高 LED 的效率，而其他方法在應(yīng)用于亞微米級的 LED 時通常會遇到技術(shù)問題，這種方法卻做得很好。”

圖｜在高電流密度下，鰭式 LED 過渡到鰭式激光器（來源：Science Advances）

 

當在實驗中不斷加大電流時，研究小組又有了一個驚人發(fā)現(xiàn)。雖然 LED 起初在一定波長范圍內(nèi)發(fā)光，但其最終會縮小為深紫色的兩個波長，他們的微型 LED 竟然變成了一個微小的激光器，實驗記錄到的電流密度為 1000 kA/cm 2，LED 轉(zhuǎn)換為激光，亮度超過 20 微瓦。

 

“將 LED 轉(zhuǎn)換成激光需要很大的努力。通常，需要將 LED 耦合到諧振腔，諧振腔才能使光線反彈以產(chǎn)生激光。” 尼古巴赫說。“但鰭式設(shè)計可以獨立完成全部工作。”微型激光器的應(yīng)用也非常多，不僅在化學(xué)傳感方面，而且在下一代手持式通信產(chǎn)品、高清顯示器和消毒方面也是如此。

 

尼古巴赫認為：“這種全新 LED 設(shè)計作為重要的構(gòu)建基塊具有很大的潛力。” “雖然這不是人們制造的最小的激光器，但它是一個非常明亮的激光器，且不存在效率下降的問題，將會大有用處。”

 

研究結(jié)論中指出，這項發(fā)現(xiàn)令人鼓舞，代表了 LED 設(shè)計體系結(jié)構(gòu)的重要一步，可以克服 LED 中的 “電流密度下降” 和“溫度下降”效應(yīng)，以最大化其每個像素可實現(xiàn)的輸出功率。