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16.3: <i>特邀论文:</i> 采用铕掺杂氮化镓的红光发光二极管(LED)在单片集成微显示技术中的新发展

DOI:10.1002/sdtp.13424 期刊:SID Symposium Digest of Technical Papers 出版年份:2019 更新时间:2025-09-11 14:15:04
摘要: 为满足三基色(RGB)单片集成及高分辨率显示器的发展需求,开发红光发射氮化物半导体已成为迫切要求。此类显示器是实现"智能社会"(即网络空间与物理空间交互融合)的关键设备,而基于氮化镓的高效红光LED研发正是其中的核心环节。当前蓝绿光LED采用InxGa1-xN/GaN多量子阱作为有源层,其发光波长由InGaN中铟组分决定。实现红光LED的简易方法是提高铟组分至0.5,但高铟组分会导致InGaN与GaN间晶格失配加剧,严重劣化量子阱的晶体质量,同时引发巨大压电场效应,通过量子限制斯塔克效应抑制辐射复合。我们致力于半导体内中心光子学研发——这种新型光子学利用半导体中掺杂稀土离子的4f壳层内跃迁。2009年我们发明了基于铕掺杂氮化镓(GaN:Eu)的窄带红光LED,在621nm处观测到半高宽小于1nm的主发射峰(对应Eu3+离子的5D0–7F2跃迁),该波长对环境温度表现出极高稳定性。通过优化器件工艺,LED输出功率已稳步提升至1mW以上。基于此红光LED,可构建包含RGB氮化镓LED的小型单片高分辨率光学器件,应用于微LED显示及照明技术。当前限制发光功率提升的关键因素是GaN:Eu中铕发射相对较长的辐射寿命(约300微秒)。根据费米黄金法则,通过增加自发辐射频率处的光子态密度可调控Eu离子自发辐射速率——平面法布里-珀罗腔已证实该原理。我们通过在原子尺度主动操控Eu离子辐射复合概率(即调控微纳腔中的光子?。?,显著提升了输出功率:在由AlGaN/GaN分布布拉格反射镜和银反射镜构成的微腔中,室温光泵浦下铕发射强度提升21倍;初步采用ZrO2/SiO2与AlInN/GaN DBR构成微腔的LED器件,输出功率增强达10倍。本次报告将阐述该LED的研发现状及进一步提升输出功率的策略。
作者: Yasufumi FUJIWARA,Shuhei ICHIKAWA,Jun TATEBAYASHI
AI智能分析
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研究概述 实验方案 设备清单

为开发基于氮化镓(GaN)的高效红光LED,以实现三原色(RGB)单片集成及高分辨率显示器的研发——这些是智能社会的关键器件。

使用铕掺杂氮化镓(GaN)开发红色发光二极管(LED)已取得良好效果,通过采用微腔结构使发光强度和输出功率显著提升。该技术为研制基于氮化物的小型单片高分辨率光学器件铺平了道路,可应用于微型LED显示和照明技术领域。

GaN:Eu中Eu发射的相对较长辐射寿命(约300微秒)是限制光输出功率进一步提升的因素。

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