麻省理工學院在新加坡的研究企業新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟（SMART）的低能電子系統（LEES）跨學科研究小組（IRG）的研究人員與麻省理工學院（MIT）、新加坡國立大學（NUS）和南洋理工大學（NTU）的合作者一起發現了一種通過使用半導體材料的內在缺陷產生長波長（紅色、橙色和黃色）光的新方法，有可能被用作商業光源和顯示設備的直接發光器。
這項技術將是對目前方法的一種改進，例如，使用熒光粉將一種顏色的光轉換為另一種顏色。
氮化鎵(InGaN)LED是一種基於氮化物的第三類元素的發光二極管(LED)，在20多年前的90年代首次製造出來，此後不斷發展，變得越來越小，同時也越來越強大、高效和耐用。今天，InGaN LED可以在無數的工業和消費者使用案例中找到，包括信號和光通信以及數據存儲，並且在高需求的消費者應用中至關重要，如固態照明、電視機、筆記本電腦、移動設備、增強型（AR）和虛擬現實（VR）解決方案。
對此類電子設備不斷增長的需求，推動了二十多年來對半導體實現更高的光輸出、可靠性、壽命和多功能性的研究–這導致了對可以發出不同顏色光的LED的需求。傳統上，InGaN材料在現代LED中被用來產生紫色和藍色的光，而磷化鎵鋁（AlGaInP）–一種不同類型的半導體–被用來產生紅色、橙色和黃色的光。這是由於InGaN在紅色和琥珀色光譜中的性能不佳，這是因為所需的銦含量較高而導致效率下降。
此外，這種具有相當高的銦濃度的InGaN LED仍然難以用傳統的半導體結構製造。因此，實現全固態白光發光器件–需要所有三種原色光–仍然是一個無法實現的目標。
為了應對這些挑戰，SMART的研究人員在一篇題為”發光的V-Pit：實現發光富銦銦鎵量子點的替代方法”的論文。在他們的論文中，研究人員描述了一種實用的方法，通過利用InGaN材料中預先存在的缺陷，製造出銦濃度高得多的InGaN量子點。
在這個過程中，由材料中自然存在的位錯導致的所謂V型坑的凝聚，直接形成了富銦量子點，即能夠發射較長波長的光的材料島。通過在傳統的硅襯底上生長這些結構，進一步消除了對圖案或非常規襯底的需要。研究人員還對InGaN量子點進行了高空間分辨率的成分測繪，首次提供了對其形態的視覺確認。
除了量子點的形成，堆積斷層的成核–另一種內在的晶體缺陷–進一步促進了更長波長的發射。
SMART研究生和該論文的主要作者Jing-Yang Chung說：”多年來，該領域的研究人員一直試圖解決InGaN量子阱結構中固有缺陷帶來的各種挑戰。在一個新穎的方法中，我們轉而設計了一個納米坑洞缺陷，以實現InGaN量子點直接生長的平台。因此，我們的工作證明了使用硅襯底進行新的富銦結構的可行性，在解決目前長波長InGaN光發射器效率低下的挑戰的同時，也緩解了昂貴襯底的問題。”
這樣一來，SMART的發現代表着在克服InGaN在產生紅、橙和黃光時效率降低的問題上邁出了重要一步。反過來，這項工作可能對未來開發由單一材料組成的微型LED陣列有幫助。
LEES的共同作者和首席研究員Silvija Gradečak博士補充說：”我們的發現對環境也有影響。例如，這一突破可能會帶來更迅速地淘汰非固態照明源–如白熾燈–甚至是目前的磷酸鹽塗層藍色InGaN LED，採用全固態混色解決方案，進而導致全球能源消耗的顯著減少。”
SMART首席執行官兼LEES首席研究員Eugene Fitzgerald說：”我們的工作還可能對半導體和電子行業產生更廣泛的影響，因為這裡描述的新方法遵循標準的行業製造程序，可以被廣泛採用並大規模實施。在更宏觀的層面上，除了InGaN驅動的能源節約可能帶來的生態效益外，我們的發現也將有助於該領域繼續研究和開發新的高效InGaN結構。”