揭秘如何提高綠光LED能效問題

　　眾所都知，綠光LED的性能水平達不到同等紅光和藍光led。但可以通過降低電流密度、使用一個更大的芯片以及優(yōu)化生長條件來減少黑點，能夠盡可能縮小在100mA驅(qū)動電流條件下，達到190lm/W的LED之間的距離。歐司朗的AndreasL？ffler和MichaelBinder如是說。

　　LED燈泡最大的詬病僅次于價格的是不理想的顏色。這個缺點是由制作白光LED的過程中產(chǎn)生的：GaN基藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉，混合這兩種顏色產(chǎn)生白光。用這種方法，可見光譜的紅光區(qū)域并沒有對光輸出有多大貢獻。

　　白光LED照明產(chǎn)品制作的更高級方法—也是固態(tài)投影顯示的一種方法—即以紅、綠、藍為材質(zhì)的LED，混合而產(chǎn)生白光。這種方法的優(yōu)點是不會局限于更高的顯色指數(shù)，同時也可以達到更高的光效和靈活的控制色彩。

　　用混合顏色的方式產(chǎn)生高能效的系統(tǒng)，必須采用高效光源。藍光和紅光LED的性能已經(jīng)很顯著，近期的技術(shù)改進，促使峰值功率轉(zhuǎn)換效率超過81%和70%，但是綠光LED的性能卻遠遠落后。這種以GaN為主的LED效力不高的現(xiàn)象被稱為“綠光缺口”。

　　綠光波長波段

　　提高綠光LED的效率面臨很大挑戰(zhàn)，因為無法利用理想成熟的材料系統(tǒng)。用來創(chuàng)造高效藍光LED的III-N系列，在波長更長的情況下效率會變低，而在紅光的波段范圍內(nèi)效率很高的III族磷化物也面臨一樣的苦惱;延伸這一類LED的光發(fā)射更短的波長，效率會降低，簡而言之，材料系統(tǒng)在黃綠色譜范圍里效率很低。

　　圖一：在不同的波長下，III族氮化物（綠色數(shù)據(jù)點）和III族磷化物LED（紅光數(shù)據(jù)點）的發(fā)光效率。藍線代表國際照明委員會 （CIE）1924年的光度函數(shù)乘以電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）相應(yīng)的值。用黃顏色標注的是黃綠范圍，既沒有被II族氮化物也沒被III族磷化物充分覆蓋。這就是綠色缺口問題的本質(zhì)。

　　對于III族磷化物而言，發(fā)射光到綠色波段成為了材料系統(tǒng)的基礎(chǔ)障礙。改變AlInGaP的成分讓它發(fā)綠光，而不是紅光、橙色或者黃色—造成載波限制不充分，是由于材料系統(tǒng)相對低的能隙，排除有效的輻射復合。

　　相比之下，III族氮化物要達到高效難度更大，但困難并不是無法逾越的。用這個系統(tǒng)，將光延伸到綠光波段，會造成效率降低的兩個因素是：外部量子效率和電效率的下降。

　　外部量子效率下降來源于綠光LED需要采用高正向電壓。這些設(shè)備有著很高的內(nèi)部電壓場。因此在給定電壓下，盡管帶隙更低，但應(yīng)用于此類LED的電壓會更高。更高的驅(qū)動電壓使得電源轉(zhuǎn)換率下降。第二個缺點是綠光LED隨注入電流密度增大而下降，被droop效應(yīng)所困。Droop效應(yīng)也出現(xiàn)在藍光 LED中，但在綠色LED中影響更甚，導致常規(guī)的操作電流效率更低。

　　（圖二）在波長為442nm和530nm的1mm2藍光InGaN和綠色GaN，外部量子效率對比

　　droop效應(yīng)的成因在氮化物行業(yè)中引起了激烈的討論。因為造成droop效應(yīng)的損失率在電致發(fā)光和光致發(fā)光刺激下對電荷載體密度有著立方依賴，大部分猜測都指向俄歇復合是droop效應(yīng)的成因。

　　然而，造成droop效應(yīng)成因猜測很多，不僅僅只有俄歇復合這一種---其中包括了錯位、載體溢出或者電子泄漏。后者是由高壓內(nèi)部電場增強的。

　　綠光的發(fā)展方向

　　位于德國雷根斯堡的歐司朗光電半導體公司，一直在穩(wěn)定地提高綠光LED的發(fā)光效率。2008年，在MatthiasPeter的帶領(lǐng)下，同事報道了1mm2，527nmThinGaN基芯片在350mA電流條件下，光通量為100lm.發(fā)光效率等于73lm/W.兩年后，采用 GoldenDragonPlus封裝的優(yōu)化1mm2芯片，可將發(fā)光效力提升到100lm/W。在這種驅(qū)動電流條件下，光通量為117lm，當投入1A的電流時可獲得224lm的光通量。

　　近來，我們使綠光LED的性能再次更上一層樓。基于c平面藍寶石襯底MOCVD生長的LED，作用區(qū)域有5-7個InGaN量子阱嵌在GaN壘層，這樣做可能會有更高的效能。5μm厚的硅摻雜緩沖層鞏固作用區(qū)域，這個作用區(qū)域被30nm厚的鎂摻雜p型AlGaN電子阻擋層和140nm厚的鎂摻雜 GaN接觸層所覆蓋。

　　我們對比這個結(jié)構(gòu)和由生產(chǎn)線上取下的裝置，發(fā)現(xiàn)它們的作用區(qū)所產(chǎn)生的光致發(fā)光（見圖3）。通過大容量裝置，光致發(fā)光顯微圖發(fā)現(xiàn)了強度上的不均勻，有黑點圖案的出現(xiàn)。黑點的密度相當于六角晶體缺陷（V-pits）密度，使我們有理由猜測這些黑點和V-pits之間的強關(guān)聯(lián)性。已有一些研究支持這個觀點，證實點對點的相關(guān)性。

　　圖3：（a）是從生產(chǎn)線取來器件的光致發(fā)光的微型圖，（b）是研究樣品的光致發(fā)光的微型圖。為了更好的對比，圖片的低處部分只用灰色顯示。

　　根據(jù)光致發(fā)光的微型圖可以看到，在作用區(qū)域降低生長率能夠大幅度提高量子阱材料的質(zhì)量，黑點的密度，結(jié)果與生產(chǎn)線上的樣品相似，受影響的范圍卻更小。所以增加了明亮區(qū)域的比例，就會得到更多均勻的發(fā)光圖案像。

　　通過提高材料質(zhì)量來增強內(nèi)部量子效率和傳送能力，從而使得LED發(fā)揮更佳的性能。近期用Dragon封裝形式制作的球面透鏡封裝的樣品，在 350mA的電流驅(qū)動下，光通量達到114lm，發(fā)光效率為100lm/W（見圖4）。通過對比，在相同的驅(qū)動電流條件下，生產(chǎn)線上的器件光通量僅為 108ml.如果去除對光貢獻不高的量子阱，效果會更好。在這個例子中，調(diào)整量子阱的數(shù)量，從7個減少到5個，以此提高載體運輸能力。通過調(diào)整，532nm1mm2ThinGaN芯片在350mA電流驅(qū)動下，光通量為134lm，發(fā)光效率為108lm/W。

　　圖4：Dragon封裝1mm2ThinGaN芯片的電光參數(shù)：生產(chǎn)線的裝置（藍線），提高傳送能力的裝置（黑線），優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的裝置（橙線）。

　　提高綠光LED的關(guān)鍵措施是通過降低載體濃度來應(yīng)對droop效應(yīng)。可以使用更大的芯片，或增加發(fā)光的量子阱數(shù)量。從圖4的效率曲線可以預估，通過降低電流密度，效率可增加25%或60%。

　　采取這個方法，增加芯片尺寸到2mm2。為綠光LED提高輸出功率，在350mA的電流條件下，光通量為150lm，發(fā)光效率是135lm/W--而1mm2的芯片發(fā)光效率僅是108lm/W。

　　增大電流值，在稍短的波段里輸出更大光通量：在700mA電流驅(qū)動下，芯片在峰值波長為531nm條件下，輸出248lm和480mW;增大電流到1A，光輸出達到313lm和620mW，峰值波長變成529nm.后面的數(shù)據(jù)，相比，在50Acm-2的電流密度下，光通量超過 310lm（600mW）等值，這是基于紅、綠、藍LED的高性能投影系統(tǒng)的促成技術(shù)。光轉(zhuǎn)換效率在驅(qū)動電源很低的情況下尤為顯著。在100mA條件下超過190lm，低于2mA條件下，超過300lm。

　　圖5，提高了載子傳送能力、優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的OSLON封裝的2mm2ThinGaN芯片的電光特性

　　激發(fā)熒光粉

　　制作綠色LED的另一種方法是用藍光LED加綠色熒光粉。這種激發(fā)方法有著截然不同的綠光發(fā)射特點：使用LuAG熒光粉的陶瓷板，激發(fā)的光的是 531nm峰值波長，525nm高斯峰和33nm半峰寬（FWHM），而芯片-熒光粉法制作的合成物的峰值波長是529nm，中心波長為557nm，半峰寬（FWHM）為99nm.（見圖6）

　　更寬的發(fā)光剖面是有利也有弊。它本身提供的顯色指數(shù)高，適合于一般照明。但較窄的發(fā)光適合于投影應(yīng)用等。例如，自然綠光LED具有較小的光譜帶寬，能夠避免串擾，提高系統(tǒng)效率。如果自然綠光LED能夠用于投影，相比轉(zhuǎn)換的綠光解決方案，自然綠光LED可以覆蓋更寬的顏色范圍。

　　圖6：采取不同方法的綠光LED光譜。由熒光粉產(chǎn)生的光射比由自然綠光：InGaN基LED產(chǎn)生的光射更廣。

　　然而，藍光LED和綠色熒光粉仍然是個很具吸引力的選擇方案，因為這個方案避免了綠色缺口等問題。雖然由于斯托克斯位移產(chǎn)生的損耗是不可避免的，用藍光芯片激發(fā)熒光粉將產(chǎn)生更高的效率，因為droop效應(yīng)在較短波長段影響不大（見圖8）。由于藍光LED的內(nèi)部電場不強，電損耗較低，我們以 1mm2ThinGaN芯片為例，比較這兩種不同方法的光通量和光效。在較低的電流密度條件下，綠光LED比藍光光效更高，沒有轉(zhuǎn)換損耗，發(fā)光效率在 1mA電流條件下達到291lm/W。然而當電流密度增加，光效下降很快，在350mA電流下，光效是108lm/W，在1A條件下，光效是66lm /W。藍光LED正好相反，隨著電流密度的增加，效率也相應(yīng)提升。在20mA電流下，轉(zhuǎn)換效率達到最高值。在350mA電流驅(qū)動下，藍光LED和綠色熒光粉結(jié)合物，光通量為194lm，光效為191lm/W，在1A電流條件下，光通量是462lm，光效是145lm/W。

　　圖七 根據(jù)CIE1931色彩空間色度圖，對比紅綠藍混合方案，與由熒光粉轉(zhuǎn)變而來的綠光法，或直接綠光InGaN基，自然綠光InGaN基對比由熒光粉轉(zhuǎn)變方案，發(fā)現(xiàn)發(fā)射光譜越窄的器件，越適合投影應(yīng)用。

　　提高自然綠光LED性能的途徑有多種：可以是增加更多阱的增大作用區(qū)的容量，來降低載流子密度;也可以通過提高材料質(zhì)量來提高內(nèi)部量子效率;還可以優(yōu)化芯片設(shè)計和尺寸來增加作用區(qū)域。但以我們的觀點，優(yōu)化外延生長過程的方法最具潛力，因為可以降低正向電壓和提高載子傳送能力。

　　圖8：兩種產(chǎn)生綠光的不同方法的光通量和發(fā)光效率。綠光InGaN/GaNLED在高電流條件下，droop效應(yīng)影響很大，由藍光LED和熒光粉轉(zhuǎn)化而來的合成物在標準驅(qū)動電流下的效率和光通量都很高。