“一枚芯片两种光”……实现短波与中波同步发射的“双红外”LED问世[解读科学]

by Kim Jonghwa

Published 03 Mar.2026 12:00(KST)

通过精密控制原子排列消除晶格扭曲……有望实现设备小型化与传感器高精度化

由国内研究团队开发出一种能够在单一芯片上同时发射短波和中波红外线的“双红外”发光二极管（LED）。该成果在原子尺度上精确控制了将不同发射波长的半导体集成于同一结构时产生的晶格失配问题，有望成为下一代红外传感与成像技术的基础。

韩国研究财团（NRF）表示，Lee Sangjun 韩国标准科学研究院（KRISS）博士研究团队与美国斯坦福大学、德国亥姆霍兹研究所所属大学合作，通过精密调控化合物半导体内部原子排列，实现了在单一芯片上同时发射短波长（1~3微米）和中波长（3~5微米）红外线的LED。

单一集成型多波段发光二极管的示意图及发射波长。单一集成型多波段发光二极管采用叠层结构，由两个发射不同波长的多量子阱构成，可同时发射波长为2.87微米和3.18微米的红外线。图示说明及提供 Jeon Byeongseon 韩国标准科学研究院首席研究员供图

本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团推进的“下一代化合物半导体核心技术开发项目”的支持下完成，并于今年1月13日在线发表在材料工程领域国际学术期刊《Advanced Materials》上。

传统红外LED通常只在单一频段发光。如需实现不同波长，必须堆叠不同的半导体材料，但在这一过程中，由于晶格常数差异会产生晶体缺陷和裂纹，从而导致发光效率下降，形成技术瓶颈。

研究团队在主要用于中波红外的铟-砷-锑（InAsSb）材料中引入多量子阱（MQW）结构，并结合量子势垒设计和应力工程。尤其是通过锑（Sb）掺杂对原子键合长度和角度进行精细调节，从而降低局部应力能量并缓解晶格扭曲。

原子分辨率透射电子显微镜分析和基于人工智能的原子级仿真结果显示，通过掺杂，位错和点缺陷密度显著降低，量子限制效应得到增强，从而证实在单一LED中实现两种波长的同时发光成为可能。

实际制备的器件在2.87微米和3.18微米波长处分别以14微瓦和30微瓦的输出实现了同时发光。研究团队还构建了一个根据量子阱厚度和锑组分优化发射波长与应力能量的“可制造性地图”，并据此额外制备出可在2.63微米和3.34微米频段同时发光的器件。

由于在单一器件中即可同时实现多种波长，有望推动设备小型化、降低成本，并解决信号同步难题。特别是在生物诊断、环境气体分析、智能工艺传感器、汽车激光雷达（LiDAR）、军事监视装备等需要多频段红外线的领域，应用前景广阔。

Jeon Byeongseon 韩国标准科学研究院首席研究员表示：“要使多种波长在单一LED中稳定发光，必须对各个频段的强度和品质进行精密控制。今后我们将进一步提升相关技术，实现高功率与高效率的同步兼顾。”

此次成果被评价为通过原子级结构调控，国际上首次证明可以对半导体光电子器件进行可预测性设计的典型案例。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。