傳統半導體LED，一個發光層只能發出一種顏色的光，因此，要實現全綵顯示器，必須將多個發光層疊放或橫向排列。另一方面，GaN基LED因通過整合紅、綠、藍等各色發光單元，有望實現新一代Micro LED顯示器，所以近年來備受關注，但其發光顏色會隨著注入電流的大小發生變化則一直是其面臨的重要技術難題。
大阪大學研究生院工學研究科的市川修平副教授等人的研究團隊與立命館大學綜合科學技術研究機構的藤原康文教授合作，採用摻雜稀土元素鋱（Tb）的氮化鋁鎵（AlGaN），成功驗證了可在室溫下發光的多色發光LED（可發出藍、綠、黃、紅光）。由於僅憑單一材料就能實現穩定的可見光多色發光，未來若能在LED成膜後利用光諧振器等元件自由調控各色光的發光比例，將有望開闢出不同於傳統的整合多個發光層的新方法。相關研究成果已發表在期刊《Applied Physics Letters》上，並入選編輯精選（Editor's Pick）。
圖1 電流注入時穩定發出藍、綠、黃、紅光的Tb摻雜AlGaN LED示意圖。（圖片提供：大阪大學研究生院工學研究科 市川修平副教授）（License：Original content. Usage restriction: Credit must be given to the creator. No derivatives or adaptations of the work are permitted. Credit: Shuhei Ichikawa）
圖2 實際製備的Tb摻雜AlGaN LED多色發光光譜。波長相對於注入電流大小極為穩定。（圖片提供：大阪大學研究生院工學研究科 市川修平副教授）（License：Original content. Usage restriction: Credit must be given to the creator. No derivatives or adaptations of the work are permitted. Credit: Shuhei Ichikawa）
研究團隊將目光投向了摻雜稀土元素的半導體。這類稀土元素不僅能夠在單一材料中實現多色發光，而且其發光顏色不受週遭環境變化的影響。團隊重點關注了可同時發出藍、綠、黃、紅四色光的Tb離子，並在AlGaN半導體的晶體成長過程中摻雜Tb，以實現新型可見光LED。在藤原教授的協助下，團隊採用已應用於GaN基半導體量產的方法（MOVPE法）完成了這種半導體LED的製備。在室溫下給製備的Tb摻雜AlGaN LED通電後，證實可獲得源自Tb離子的穩定四色發光。
這個結果表明存在這樣一種機制：作為基質的AlGaN半導體中鋁（Al）的佔比越高，向Tb離子傳遞能量的效率就越高，發光效率（外部量子效率）的提升幅度就越明顯。此外，團隊還證實：在發光層下方的底層中使用氮化鋁（AlN）層，可降低與基板的晶格失配，獲得更高的晶體品質；同時Tb周圍的晶體內會形成壓縮應變，使Tb離子轉變為更易發光的狀態（輻射躍遷速率更高），從而大幅提升元件的電學與光學性能。另外，團隊還通過彩色濾光片，成功從同一發光位置選擇性提取出RGB各色光。
上述結果表明，依託單一半導體材料就能獲得不受電流變化影響的穩定多色發光。這意味著擺脫逐一排列RGB獨立晶片的複雜製造流程，在同一基板上實現全綵LED的一體化製造的單片整合可行性獲得提升。該成果不僅將推動製造工藝的大幅提效，還將加速智慧眼鏡與可穿戴設備必備的超小型、高精細全綵顯示器的實用化進程，是一項具有突破性的研究成果。
市川副教授表示：「我們成功驗證了一款新型可見光LED，可同時實現傳統常規半導體LED難以達成的兩項特性——同一發光層發出多種不同顏色的光、各色光完全不隨注入電流大小而改變。本研究成果具有劃時代意義，提示新一代Micro LED顯示器的實現存在新的可行路徑。今後，我們將進一步提升LED效率、自由調控各色發光比例等，推動建立量產所需關鍵基礎技術。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Applied Physics Letters
論文：Ultra-stable multiple emission wavelengths produced by Tb-doped AlxGa1-xN-based light-emitting diodes
DOI：doi.org/10.1063/5.0331734
