传统半导体LED，一个发光层只能发出一种颜色的光，因此，要实现全彩显示器，必须将多个发光层叠放或横向排列。另一方面，GaN基LED因通过集成红、绿、蓝等各色发光单元，有望实现新一代Micro LED显示器，所以近年来备受关注，但其发光颜色会随着注入电流的大小发生变化则一直是其面临的重要技术难题。
大阪大学研究生院工学研究科的市川修平副教授等人的研究团队与立命馆大学综合科学技术研究机构的藤原康文教授合作，采用掺杂稀土元素铽（Tb）的氮化铝镓（AlGaN），成功验证了可在室温下发光的多色发光LED（可发出蓝、绿、黄、红光）。由于仅凭单一材料就能实现稳定的可见光多色发光，未来若能在LED成膜后利用光谐振器等器件自由调控各色光的发光比例，将有望开辟出不同于传统的集成多个发光层的新方法。相关研究成果已发表在期刊《Applied Physics Letters》上，并入选编辑精选（Editor's Pick）。
图1 电流注入时稳定发出蓝、绿、黄、红光的Tb掺杂AlGaN LED示意图。（供图：大阪大学研究生院工学研究科 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）
图2 实际制备的Tb掺杂AlGaN LED多色发光光谱。波长相对于注入电流大小极为稳定。（供图：大阪大学研究生院工学研究科 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）
研究团队将目光投向了掺杂稀土元素的半导体。这类稀土元素不仅能够在单一材料中实现多色发光，而且其发光颜色不受周围环境变化的影响。团队重点关注了可同时发出蓝、绿、黄、红四色光的Tb离子，并在AlGaN半导体的晶体生长过程中掺杂Tb，以实现新型可见光LED。在藤原教授的协助下，团队采用已应用于GaN基半导体量产的方法（MOVPE法）完成了这种半导体LED的制备。在室温下给制备的Tb掺杂AlGaN LED通电后，证实可获得源自Tb离子的稳定四色发光。
这个结果表明存在这样一种机制：作为基质的AlGaN半导体中铝（Al）的占比越高，向Tb离子传递能量的效率就越高，发光效率（外量子效率）的提升幅度就越明显。此外，团队还证实：在发光层下方的底层中使用氮化铝（AlN）层，可降低与基板的晶格失配，获得更高的晶体质量；同时Tb周围的晶体内会形成压缩应变，使Tb离子转变为更易发光的状态（辐射跃迁速率更高），从而大幅提升器件的电学与光学性能。另外，团队还通过彩色滤光片，成功从同一发光区域选择性提取出RGB各色光。
上述结果表明，依托单一半导体材料就能获得不受电流变化影响的稳定多色发光。这意味着摆脱逐一排布RGB独立芯片的复杂制造流程，在同一基板上实现全彩LED的一体化制造的单片集成可行性获得提升。该成果不仅将推动制造工艺的大幅提效，还将加速智能眼镜与可穿戴设备必备的超小型、高精细全彩显示器的实用化进程，是一项具有突破性的研究成果。
市川副教授表示：“我们成功验证了一款新型可见光LED，可同时实现传统常规半导体LED难以达成的两项特性——同一发光层发出多种不同颜色的光、各色光完全不随注入电流大小而改变。本研究成果具有划时代意义，提示新一代Micro LED显示器的实现存在新的可行路径。今后，我们将进一步提升LED效率、自由调控各色发光比例等，推动建立量产所需关键基础技术。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Applied Physics Letters
论文：Ultra-stable multiple emission wavelengths produced by Tb-doped AlxGa1-xN-based light-emitting diodes
DOI：doi.org/10.1063/5.0331734
