超表面设计方法可使LED更像激光

加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员继续通过一种新方法将LED设计的界限进一步推开，该方法可以为更高效和多功能的LED显示和照明技术铺平道路。

UCSB电气和计算机工程教授Jonathan Schuller及其合作者在Nature Photonics上发表的一篇论文中描述了这种新方法，该方法可以使从虚拟现实头戴式耳机到汽车照明的各种LED设备变得更加精致和时尚。同一时间。

舒勒说：“我们展示的是一种新型的光子结构，它不仅可以让您提取更多的光子，还可以将它们定向到所需的位置。” 他解释说，无需使用通常用于操纵LED发出的光的外部封装组件，就可以实现这种改进的性能。

当激发后，沿着半导体晶格传播的带负电的电子遇到带正电的空穴（不存在电子）并转变为能量较低的状态，从而释放出光子，从而在半导体材料中产生LED中的光。在测量过程中，研究人员发现大量此类光子正在产生，但并未从LED中发出。

舒勒说：“我们意识到，如果在构图之前先观察发射光子的角度分布，它就会在某个方向上达到峰值，而该方向通常会被困在LED结构内，”舒勒说。“因此我们意识到，您可以使用传统的超表面概念围绕正常捕获的光进行设计。”

他们确定的设计包括在蓝宝石衬底上的一系列1.45微米长的氮化镓（GaN）纳米棒，其中嵌入了氮化铟镓的量子阱，以限制电子和空穴并因此发光。该合著者普拉萨德·艾耶尔（Prasad Iyer）说，除了允许更多的光离开半导体结构之外，该工艺还使光偏振。这对许多应用至关重要。

纳米天线

该项目的想法是在耶尔（Iyer）在舒勒（Schuller）的实验室完成博士学位时提出的，该实验室的研究重点是亚波长尺度的光子学技术和光学现象。超表面（具有与光相互作用的纳米级特征的工程表面）是他研究的重点。

艾耶尔说：“超颖表面本质上是天线的一个亚波长阵列，”他以前正在研究如何利用超颖表面操纵激光束。他理解典型的超表面依赖于入射激光束的高度定向特性来产生高度定向的出射束。

另一方面，LED发出的是自发光，与激光的激发相干光相反。

舒勒解释说：“自发发射会采样允许光子通过的所有可能方式。”因此，光表现为在所有可能方向上传播的光子喷雾。问题是，他们是否可以通过仔细的纳米级设计和半导体表面制造，将生成的光子聚集到所需的方向？

艾尔说：“人们以前已经完成了LED的图案制作，”但是这些努力总是将其分成多个方向，效率很低。“没有人设计出一种方法来控制来自LED的光向单一方向的发射。”

正确的地点正确的时间

艾耶尔说，如果没有专家协作者团队的帮助，这是一个找不到解决方案的难题。GaN非常难以使用，需要专门的工艺来制造高质量的晶体。世界上只有少数几个地方具有在如此严格的设计中制造材料的专业知识。

幸运的是，固态照明和能源电子中心（SSLEEC）所在地的UC Santa Barbara就是其中之一。利用SSLEEC的专业知识和校园世界一流的纳米制造设施，研究人员设计并构图了半导体表面，以适应超表面概念以实现自发发光。