當(dāng)前，我國正處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變的重要時期，依靠技術(shù)創(chuàng)新來推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已成為LED業(yè)內(nèi)的共識。而LED產(chǎn)業(yè)也在政策、技術(shù)和市場的共同推動下實現(xiàn)了高速增長，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。

回顧2018年，LED照明行業(yè)諸多技術(shù)取得了突破性發(fā)展?，F(xiàn)OFweek半導(dǎo)體照明網(wǎng)小編綜合盤點了全球各地的一些LED相關(guān)的新技術(shù)及新應(yīng)用信息，期望大家能夠從中吸取應(yīng)用創(chuàng)意養(yǎng)分，以創(chuàng)造出更多優(yōu)秀的產(chǎn)品。

紅外寬譜光源陣列研究

近日，國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)雜志Semiconductor Today報道了中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸課題組與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉峰奇、王占國實驗室合作研制中紅外寬譜光源陣列的最新成果。該成果發(fā)表在Optics Letters上。

中紅外寬譜光源基于半導(dǎo)體量子級聯(lián)材料，光源的有源層由30個重復(fù)的級聯(lián)周期組成，各周期之間通過低摻雜的n型InGaAs分隔開。研究人員所設(shè)計的有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了雙聲子共振結(jié)構(gòu)，一個周期的有源區(qū)包含四個耦合的應(yīng)變補償In0．678Ga0．322As／In0．365Al0．635As量子阱。這種結(jié)構(gòu)通過兩次光學(xué)聲子輔助弛豫來實現(xiàn)更高效的低能級載流子抽運，從而增大粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，提高自發(fā)輻射效率。使用這種材料結(jié)構(gòu)的寬譜光源具有閾值電流密度更低、輸出功率更高等優(yōu)勢。

圖1：基于四阱耦合雙聲子共振的量子級聯(lián)能帶結(jié)構(gòu)

為了獲得抑制激射實現(xiàn)超輻射發(fā)光所需要的低反射率（小于10－6），中紅外寬譜光源器件尺寸一般比較大，因此很難制備成集成的器件陣列結(jié)構(gòu)。研究人員所設(shè)計的寬譜光源器件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖2所示，這是一種雙溝道脊型分段波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)，由直條端、傾斜條形區(qū)、J型波導(dǎo)三部分組成。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過兩次反射率的突變，利用比較小的器件尺寸就滿足了低反射率的要求。基于這一結(jié)構(gòu)，研究人員制備了一系列寬譜光源陣列，得到了室溫連續(xù)輸出功率2．4mW，譜寬199cm－1，遠場發(fā)散角20°。中紅外光源在大氣通信、空間遙感、化學(xué)檢測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。該工作得到國家重點研發(fā)計劃和自然科學(xué)基金的資助支持。

圖2：中紅外量子級聯(lián)寬譜光源器件陣列示意圖

左上：顯微圖像 右上：SEM圖像

有機發(fā)光二極管研究

吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室李峰教授團隊利用有機發(fā)光自由基材料制備有機發(fā)光二極管，實現(xiàn)了接近100％的量子效率，解決了傳統(tǒng)熒光發(fā)光材料發(fā)光效率低的問題。該成果以吉林大學(xué)為第一完成單位在《自然》刊發(fā)。

發(fā)光器件是顯示與照明領(lǐng)域中的關(guān)鍵元件，和傳統(tǒng)發(fā)光二極管（LED）相比，有機發(fā)光二極管（OLED）具有對比度高、超薄以及可彎曲等優(yōu)點，在顯示與照明領(lǐng)域擁有巨大的市場價值與應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的有機發(fā)光二極管通電時理論上只有25％的能量可用于發(fā)光，如何將其余大部分能量轉(zhuǎn)化為光子發(fā)光，一直是該研究領(lǐng)域近30年來的熱點和難點。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，具有獨特單電子結(jié)構(gòu)的有機發(fā)光自由基材料在通電時只產(chǎn)生雙線態(tài)激子，理論上100％的雙線態(tài)激子都能用于發(fā)光。用有機發(fā)光自由基材料制備有機發(fā)光二極管，可以解決傳統(tǒng)有機發(fā)光二極管發(fā)光效率不高的問題。通過不斷改良材料及器件結(jié)構(gòu)，團隊開發(fā)出了高發(fā)光效率的自由基發(fā)光材料和發(fā)光器件。

李峰介紹，當(dāng)前應(yīng)用于有機發(fā)光二極管的發(fā)光材料通常是熒光和磷光材料，但前者發(fā)光效率有限，后者需要資源稀缺的重金屬，導(dǎo)致成本提高。相較之下，有機自由基材料屬于廉價的有機化合物，在實現(xiàn)最大化電轉(zhuǎn)光效率后又降低了成本。

該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃和973計劃、國家留學(xué)基金委訪問學(xué)者項目和吉林大學(xué)培英工程計劃的支持。

鈣鈦礦LED

據(jù)外媒報道，研究人員新研發(fā)的基于鈣鈦礦半導(dǎo)體的LED刷新了新的效率記錄，可與最佳有機LED（OLED）媲美。

與廣泛用于高端消費電子產(chǎn)品的OLED相比，由劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)的基于鈣鈦礦的LED制造成本更低，并且可以調(diào)整為通過可見光和具有較高顏色純度的近紅外光譜發(fā)光。

研究人員對上述LED中的鈣鈦礦層進行的研究設(shè)計，實現(xiàn)了接近100％的內(nèi)部發(fā)光效率，開辟了其在顯示器、照明和通信以及下一代太陽能電池等的未來應(yīng)用前景。

這些鈣鈦礦材料與那些用于制造高效太陽能電池的材料相同，有朝一日可以取代商用硅太陽能電池。雖然當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出了基于鈣鈦礦的LED，但它們在將電能轉(zhuǎn)化為光的過程中并不如傳統(tǒng)的OLED那樣有效。

劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室的Dawei Di博士表示：“這種鈣鈦礦 － 聚合物結(jié)構(gòu)有效地消除了非發(fā)光性損失，這是第一次在基于鈣鈦礦的設(shè)備中實現(xiàn)這種性能。通過這種混合結(jié)構(gòu)，我們基本上可以防止電子和正電荷通過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的缺陷重新結(jié)合?！?/p>

用于該LED器件的鈣鈦礦 － 聚合物共混物，被稱為體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，是由二維和三維鈣鈦礦成分和絕緣聚合物制成。當(dāng)超快激光照射在該類聚合物結(jié)構(gòu)上時，多對攜帶能量的電荷對以萬億分之一秒的速度從2－D區(qū)域移動到3－D區(qū)域：比LED中使用的早期層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)快得多。隨后，3－D區(qū)域中的分離電荷重新組合并發(fā)射出非常強烈的光。

Di表示：“由于從2－D區(qū)域向3－D區(qū)域的能量遷移發(fā)生得如此之快，而且3－D區(qū)域中的電荷與聚合物的缺陷隔離，這些機制可以缺陷的產(chǎn)生，從而有效防止能量損失?！?/p>

該論文的第一作者Baodan Zhao表示：“在與顯示器應(yīng)用相關(guān)的電流密度下，這些器件的最佳外部量子效率高于20％，創(chuàng)造了鈣鈦礦LED的新記錄，同時也與目前市場上最好的OLED的效率值相似?！?/p>

雖然這種基于鈣鈦礦的LED在效率方面能媲美OLED，但如果要在消費電子產(chǎn)品中廣泛采用，它們?nèi)孕枰玫姆€(wěn)定性。首次開發(fā)的鈣鈦礦LED只有幾秒的壽命。而通過目前的研究開發(fā)的LED具有接近50小時的半衰期，對于在短短四年內(nèi)實現(xiàn)的改進是一個巨大的進展，但仍未達到商業(yè)應(yīng)用所需的壽命，因此還將需要廣泛的工業(yè)發(fā)展規(guī)劃。Di指出：“了解該LED的退化機制是未來不斷改進的一大關(guān)鍵?！?/p>

高效液基量子點LED

土耳其伊斯坦布爾科克大學(xué)的研究人員研發(fā)出了高效LED，在該款LED中擁有懸浮在液體中的量子點。研究人員指出，量子點在從液體中取出然后固定成固體形式時其發(fā)射效率會降低。這種效率損失被稱為基質(zhì)效應(yīng)。因此，研究人員通過將液體整合到LED中，進而消除了基質(zhì)效應(yīng)，最終得到了64lm/W的紅、綠、藍（RGB）發(fā)光效率，以及105lm/W的綠藍（GB）白光發(fā)光效率．

根據(jù)理論計算，液體QD－LED的發(fā)光效率可以達到200lm／W以上。研究人員還指出，流體介質(zhì)的光學(xué)特性可以通過替換成另一種流體介質(zhì)來改變，并且還可以通過控制流體的混合比來調(diào)整光譜。

由于受到基質(zhì)效應(yīng)的影響，液基量子點溶液可將發(fā)光效率提高50％以上。其次，隨著量子點的量子產(chǎn)率增加，發(fā)射光子數(shù)量與吸收光子數(shù)量的比率顯著提高，從而實現(xiàn)高效顏色轉(zhuǎn)換以及更高的白光LED效率。

研究人員對色彩轉(zhuǎn)換光譜進行了額外的微調(diào)，以使其峰值接近視覺函數(shù)的峰值。這種微調(diào)實現(xiàn)了更高光效的光放射。

f－VLED低成本轉(zhuǎn)移方法

韓國KAIST研究團隊為柔性垂直藍色薄膜Micro LED（f－VLED）開發(fā)了一種低成本的生產(chǎn)方法。由材料科學(xué)和工程系的李教授Keon Jae Lee帶領(lǐng)的研究團隊開發(fā)了一種用于在塑料上制造數(shù)千個藍色氮化鎵（GaN）Micro LED（厚度＜2μm）陣列的一次性轉(zhuǎn)移方法。

藍色GaN f－VLED實現(xiàn)了比橫向Micro LED高三倍的光功率密度（大約30 mW/mm2）。此外，該團隊還能夠減少設(shè)備熱量的產(chǎn)生，從而使投影設(shè)備的使用壽命延長了大約100，000小時。

這種藍色f－VLED可配合可穿戴設(shè)備適形地連接到皮膚種，甚至是植入大腦。此外，該研發(fā)團隊表示可以通過無線傳輸?shù)碾娔転樵揗icro LED穩(wěn)定供電。

由于其非常低的功耗、更快的響應(yīng)速度以及設(shè)計靈活性，預(yù)計Micro LED將取代AMOLED顯示器。然而，要擴展到更大的顯示器和電視，這種制造技術(shù)將需要能夠傳輸數(shù)百萬個紅色、藍色和綠色Micro LEDs。

Lee教授指出：“對于未來的Micro LED而言，薄膜轉(zhuǎn)移、高效器件和互連的創(chuàng)新技術(shù)都是非常必要的。我們計劃在今年年底之前展示智能手表尺寸的全彩色LED顯示屏。”

新型量子點

瑞士研究團隊發(fā)現(xiàn)銫鉛鹵化物（Caesium Lead Halide）的量子點可以使得LED更亮、點亮速度更快。量子點是一種奈米微晶體（Nanocrystal）半導(dǎo)體材質(zhì)，其直徑僅有2～10nm，相當(dāng)于10～50個原子寬度而已。瑞士研究團隊研發(fā)出的奈米微晶體是由銫鉛鹵化物組成，并以鈣鈦礦晶格（Perovskite Lattice）排列。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Maksym Kovalenko表示，這種奈米微晶體受光子激發(fā)后可以快速發(fā)光。Kovalenko借由改變奈米微晶體的組成和大小，可以激發(fā)出不同波段的可見光，并應(yīng)用于LED和顯示器。

由藍色激光激發(fā)的綠色發(fā)光鈣鈦礦量子點樣品

根據(jù)以往的研究，量子點在室溫下被激發(fā)后，大約20十億分之一秒（Nanoseconds）后發(fā)光；而銫鉛鹵化物量子點同樣在室溫下被激發(fā)后，大約只要十億分之一秒就會發(fā)光。相較之下，鉛銫鹵化物量子點反應(yīng)速度相當(dāng)快。

材料工程教授David Norris解釋，利用光子（Photon）激發(fā)奈米微晶體可以使電子離開原來晶格的位置，產(chǎn)生空穴；而電子—電洞對（Electron－Hole Pair）處于激發(fā)態(tài)，若電子—電洞恢復(fù)到基態(tài)（Ground State）才會發(fā)光。

不過大部分的量子點材料皆會處于Dark State，也就無法吸收光子的狀態(tài)，使得電子—電洞對無法恢復(fù)到基態(tài)，因此發(fā)光時間受到了限制而發(fā)生延遲。而銫鉛鹵化物量子點則不常有Dark State，因此可以立即發(fā)光。這也是為什么鉛銫鹵化物量子點反應(yīng)速度快、被激發(fā)后的光也較亮。

更便宜、更安全的LED

美國俄勒岡州立大學(xué)的研究人員使用了一種比汽車電池酸還要強得多的“超強酸”，來提高由銅銦二硫化物制成的“量子點”的性能。這一研究有望產(chǎn)生更便宜、更安全的LED。

量子點在光學(xué)和電子學(xué)中使用已經(jīng)有一段時間了。但由于鉛和鎘的毒性，它們的制造成本很高，對于一些潛在的應(yīng)用（如生物醫(yī)學(xué)成像）來說，也是不安全的。

俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)工程教授Greg Herman表示說，“量子點可應(yīng)用于各種產(chǎn)品和技術(shù)中，但對于大眾消費使用來說，可能最重要的是改進LED照明”，“現(xiàn)在市場上就有使用量子點的發(fā)光納米晶體電視?！?/p>

這項最新研究發(fā)表在Materials Letters期刊上，在研究中，研究人員研究出了一種超強酸的處理方法，可以將無毒、非重金屬量子點的光致發(fā)光提高到硒化鎘相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

Greg Herman還說：“這種超強酸處理過的量子點的光發(fā)射要好得多”，“現(xiàn)在仍然有一些問題需要解決，但我們已經(jīng)證明，它能夠改善量子點的壽命以及提高量子效率。而且由于這些量子點無毒性，因此也有潛力用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域?！?/p>

超高純稀土改性氧化鋁

由上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研發(fā)團隊自主研發(fā)的稀土改性高純度藍寶石原料中試項目正式投產(chǎn)，生產(chǎn)線首次產(chǎn)出5N（純度大于99.999％）高純氧化鋁產(chǎn)品。高純度氧化鋁是鋁產(chǎn)業(yè)的高端產(chǎn)品，又是人造藍寶石的主要原材料，新項目彌補了國際稀土高純鋁制備技術(shù)空白，也將使高純鋁產(chǎn)業(yè)鏈和人造藍寶石產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)全線貫通。

該研發(fā)團隊擁有國內(nèi)首套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超高純鋁提純工藝及裝備。團隊負責(zé)人張佼教授表示，新技術(shù)將高純度氧化鋁提純工藝和稀土新材料制備技術(shù)完美融合，添加稀土后，產(chǎn)品不僅在韌性上有了很大提高，在色彩亮度和硬度上也實現(xiàn)了極大提升，現(xiàn)可制備6N超高純鋁錠，并進行5N超高純鋁錠的規(guī)?；a(chǎn)，為我國超高純度氧化鋁原料的批量生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

據(jù)了解，以高純鋁水解制備的純度超過5N的高純氧化鋁，是生產(chǎn)LED襯底藍寶石單晶片的主要原材料，全球超過90％的LED企業(yè)均采用藍寶石作為襯底材料。此外，高純度氧化鋁還廣泛應(yīng)用于鋰電池隔膜材料、高端熒光粉、催化劑、半導(dǎo)體陶瓷等。

賽福爾新材料有限公司總經(jīng)理潘天龍介紹說：“這種新產(chǎn)品以前市場上是沒有的，我們的超高純度鋁錠填補了這項生產(chǎn)技術(shù)的空白，我們的上游是鋁工業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，下游是人造藍寶石晶體的產(chǎn)業(yè)鏈，這一新產(chǎn)品首次實現(xiàn)了我國這兩條產(chǎn)業(yè)鏈的無縫對接。接下來，我們將會把產(chǎn)品逐步推向手機屏幕、相機鏡頭、高端陶瓷靶材等多個生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?！?/p>

近紅外鈣鈦礦LED

由西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士黃維教授與南京工業(yè)大學(xué)先進材料研究院常務(wù)副院長王建浦教授所帶領(lǐng)的團隊利用低溫溶液法，近日在鈣鈦礦發(fā)光層設(shè)計上提出了新思路，將近紅外鈣鈦礦LED外量子效率提高到20.7％，再次刷新了世界紀(jì)錄，其相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature（《自然》）雜志上。

LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成光能的半導(dǎo)體電子元件，具有節(jié)能、環(huán)保、安全和高亮度等特點，在日常生活和生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。近年來興起的鈣鈦礦發(fā)光二極管兼具無機LED和有機發(fā)光二極管（OLED）的優(yōu)勢，在低能耗、高亮度、大尺寸顯示與照明領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2016年該科研團隊即提出鈣鈦礦維度調(diào)控創(chuàng)造鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）效率記錄。

對于許多長期從事鈣鈦礦LED研究的科學(xué)家們來說，唯有平整、覆蓋率高、無明顯孔洞的鈣鈦礦薄膜才是實現(xiàn)高效率器件的基礎(chǔ)。該科研團隊此次在《自然》雜志上發(fā)表的題為“基于自發(fā)形成亞微米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦發(fā)光二極管”的研究論文不僅打破這一觀點，還報道了當(dāng)前世界上最高的鈣鈦礦LED外量子效率。王建浦教授說，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈣鈦礦晶粒像一個個麻將牌，互不相連且不規(guī)則地分布在襯底表面時，可以獲得外量子效率達到20.7％的近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管，與國際同行獲得的13％外量子效率相比，提高了將近8個百分點，器件輻照度達到390W sr－1 m－2，并且在100mA cm－2的電流密度下持續(xù)工作20個小時后效率才降低一半，性能遠超目前熱門的相近發(fā)光波段的OLED。

據(jù)黃維院士介紹，該團隊還與與浙江大學(xué)田鶴教授、戴道鋅教授團隊合作，發(fā)現(xiàn)這種鈣鈦礦發(fā)光層是由分散的鈣鈦礦晶粒和嵌入在晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成的，并且這種結(jié)構(gòu)可以進一步使器件頂電極形成高低起伏的褶皺結(jié)構(gòu)，從而有效提升器件的出光效率。這一成果對鈣鈦礦LED的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的理論意義和實踐意義，為進一步推進鈣鈦礦LED的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了全新思路和途徑?！?/p>

綠光鈣鈦礦LED器件

綠色可見光鈣鈦礦LED器件的外量子效率達到20.3％，刷新了該領(lǐng)域的世界紀(jì)錄！華僑大學(xué)魏展畫教授團隊提出了一種全新的薄膜制備策略，并優(yōu)化了LED器件結(jié)構(gòu)，制備出了全球領(lǐng)先的高亮度、高量子轉(zhuǎn)換效率的LED器件，在鈣鈦礦電致發(fā)光領(lǐng)域取得了重大研究進展，推動我國向發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、價格低廉的顯示和照明器件產(chǎn)業(yè)邁出重要的一步。該研究成果發(fā)表在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

近幾年來，鈣鈦礦材料在電致發(fā)光領(lǐng)域的潛在應(yīng)用開始引起人們的廣泛關(guān)注，但是，受限于鈣鈦礦薄膜較差的成膜特性以及相對較低的熒光量子效率，其在發(fā)光、顯示以及激光領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展一直比較緩慢。為了克服上述困難并提高器件電光轉(zhuǎn)換效率，魏展畫教授團隊提出了一種全新的薄膜制備策略：組分空間分布管理，通過構(gòu)建全新半核殼結(jié)構(gòu)，大幅減少了晶體內(nèi)的非輻射復(fù)合缺陷，提高了鈣鈦礦薄膜的發(fā)光效率；另一方面，通過在發(fā)光層和電子傳輸層間插入PMMA阻擋層，有效地改善了器件內(nèi)的電子和空穴的注入速度匹配情況。通過上述優(yōu)化，得到的鈣鈦礦LED器件的外量子轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)定性較好。該研究成果已申請了國家和國際PCT專利。

據(jù)魏展畫教授介紹，鈣鈦礦LED作為平面自發(fā)光器件，具有質(zhì)量輕、厚度薄、視角廣、響應(yīng)速度快、可用于柔性顯示、使用溫度范圍廣、構(gòu)造和制備工藝簡單等優(yōu)點，在屏幕顯示（手機、電視、PC、VR和車載設(shè)備等）和綠色健康燈光照明（無藍光傷害）等方面具有潛在的應(yīng)用前景。