利用四色LED混雜實現(xiàn)超高效率照明

　白光LEDs的效率正以飛快的速度上升中，在2004年，工程師引以為傲被問到350mA時的功率幾乎是60 lm/W, 但在今天的研究記錄則超過130 lm/W。

　這樣照明效率幾乎是省電燈泡(compact fluorescents)的兩倍，而且比日光燈(incandescent)性能高上10倍之多的白光LED已被定位成一般的照明應用。然而，進一步改善可以強化固態(tài)照明設備的性能，同時能實際節(jié)省能源及減少照明費用。

　不幸地，傳統(tǒng)白光LED所剩的性能改善空間正在縮小中，經(jīng)由下轉換式(down-converting)磷光粉將芯片上的藍光或紫外光轉換成黃光的過程會浪費能量并且局限器件的性能。舉例來說，Nichia估算以藍光激發(fā)磷光粉的最大理論功率為263 lm/W，但只有203 lm/W等值的紫外光來源。

　根據(jù)Jeffrey Tsao以及在Sandia國家實驗室的同事的說法，通過改變LED基本的架構可以達到更高的功率。該團隊已顯示出通過顏色混合的方式小心選取四個不同發(fā)光波長的LEDs，在演色性指數(shù)(color rendering index；CRI)為90時的理論功率可以超過400 lm/W at，Tsao說道CRI值在90是最好的，而且可以滿足所有實質(zhì)的白光應用。

　起初乍看之下，所有的器件性能似乎非常令人鼓舞，但Tsao明白指出，要達到這個性能目標是沒有捷徑的，在開始的研究中，器件要得到近乎理論的功率需要幾乎100%的光電轉換性能。雖然已經(jīng)可以制作出80%效率的紅外線激光器，Tsao選擇了530 nm及573 nm兩個落在相對較差性能范圍的波長，就是所謂的”綠光能隙”(green gap)，最佳的LEDs在這個光譜范圍是無法展現(xiàn)最佳的效率(參見圖一)。

圖一：目前最綠的LED效率相當差，若是要以混色的方式用在超高效率的白光光源上，則還需要實質(zhì)的提升這些器件性能。

　顯然實質(zhì)改善綠光能隙(green-gap)LED性能是必要的，而朝向這個目標的第一步包括明確的建立阻礙器件輸出的原因認知，這個問題在科學界間是個爭議性的熱門話題，而Tsao推測各種類型的缺陷皆可能扮演著某一種角色。

　這些架構在InGaN/GaN外延層(epilayers)的器件(以及它們的藍光系列器件)被做在異質(zhì)(foreign)基板(例如藍寶石(sapphire)和SiC基板)，而這些基板會產(chǎn)生應力(strain)和高度貫穿式位錯(Threading Dislocation; TD)密度，而典型的TD密度范圍介于5 × 108到5 × 109 cm–2之間。姑且不論這些高缺陷密度，InGaN LEDs可以產(chǎn)生的外部量子效率仍可達70%，然而有些證據(jù)推測這些缺陷仍舊會限制量子性能：陰極射線發(fā)光(cathodoluminescence)的研究已揭露出貫穿式位錯結構(TDs)是不會發(fā)光的，當所有計算都指出螺旋錯位（screw dislocations）會誘導應力場(strain fields) 而局限其中一種載體，并且限制它們以幅射的方式(radiative)再結合。

　除此之外，點狀缺陷(例如鎵和氮空缺及碳和氧不純物)會扮演著非發(fā)光再結合中心，GaN正電子湮滅(positron annihilation)的研究中顯示已知的缺陷與鎵空缺結合會限制光激發(fā)發(fā)光效率。在更低的長膜溫度條件下的點狀缺陷變得更普遍(這是高濃度的銦(indium)成份制作綠色及黃色LED所需要的制程環(huán)境)，在較長的發(fā)光波長下，這些缺限會降低LED的效率。

　綠光及黃光LED效率也受到本身極化場(intrinsic polarization fields)所沖擊, 而這個效應會隨著更高的銦原子濃度而變得更強，濃度極化作用(polarization)可以幫助發(fā)光位置產(chǎn)生紅位移(red-shift), 但是這個好處在更高的驅動電流下會被內(nèi)部電場載體誘導屏蔽(carrier-induced screening)所抵消，這意味著發(fā)光波長會隨著溫度而變化，這是色彩混合方法最主要的障礙。

　克服相關極化問題而具有前景的途徑包括將器件長在GaN的非極性平面上，然而這方面的研究工作仍處于初級階段，但是圣塔巴巴拉(Santa Barbara)加州大學的研究員在過去幾年已經(jīng)使得效率明顯增長，而且生產(chǎn)的器件之外部量子效率可達45%；即使這些數(shù)值可以獲得實質(zhì)的改善，但晶圓尺寸的問題仍就存在。這些做在Mitsubishi Chemical的1平方公分基板上的開發(fā)器件仍無法清楚了解該項特殊的制程是否能將LED產(chǎn)品放大到所需要的更大直徑。

　把InGaN層做在另一種材料(例如藍寶石基板(sapphire))的InGaN模板也可以提供做為亮綠色LED的基材。比起傳統(tǒng)的LED燈而言，該項材料系統(tǒng)可以盡可能免除本身的極化場(intrinsic polarization fields)的問題，而且美國化合物半導體基板大廠Technologies and Devices International of Silver Springs(MD)也有提供2英吋直徑基板樣品。

　然而，Tsao說道另一個潛伏的問題: “除了綠色能隙(green gap)外還有一個紅色能隙(red gap)問題”。大部份沉積在GaAs上面的AlInGaP化合物通常會接近該平譜范圍。在深紅色平譜中，估算該材料的內(nèi)部量子效率幾乎達100%，但在理想白光光源中的橘紅色發(fā)光波長(位于較短波長平譜中，例如614 nm)的性能卻迅速下降 。

　Tsao相信紅光能隙(red gap)可能比綠光能隙(green gap)問題更難以解決，在高濃度鋁原子下，這些器件所使用的材料系統(tǒng)具有間接能隙(indirect bandgap)，而且此時由交會點移除的化合物之間接電子能階最低處(indirect valleys)會開始被載體(carriers)占據(jù)。鎂摻雜層在高濃度鋁成份的LED也受到漏電問題所苦(該問題會降低內(nèi)部效率)；導致在較高器件溫度下的功率輸出下降(這與高功率的LED有關)，且發(fā)光波長會隨著溫度而改變。

　根據(jù)Tsao的研究，這么棒的想法用來解決上面遇到的問題已經(jīng)是非常有限了(如果還有改善空間得話)。然而他相信更為激進的方法或許能突破這方面的發(fā)展，其中一個可能性是創(chuàng)造出混合系統(tǒng)將AlInGaP與廣能隙(wide-bandgap)材料串聯(lián)在一起，而另一個方法則是將InGaPN LED發(fā)展在GaP基板上。

圖二：目前所看到的高功率LED主要使用兩種材料系統(tǒng)：InGaN(用于藍光及綠光)以及AlGaInP(發(fā)光波長含蓋可見光平譜的紅色部份)。先進的LED在確定發(fā)光波長下(例如400及650 nm)的外部量子效率可以達到50%左右，但是綠光及黃光的性能卻很差。這些數(shù)據(jù)取自于Lumileds (1) 在350 mA下的InGaN薄膜覆晶(Flip Chip)式LED，(2) 在1 A下的InGaN垂直薄膜型LED，(3) 采用圖樣化基板InGaN傳統(tǒng)的LED，以及(4) 去頂?shù)牡菇鹱炙?truncated-inverted-pyramid) AlGaInP的LED。

回到磷光粉材料方面

　大致上來說，實質(zhì)改善530、573及614 nm發(fā)光區(qū)域的LED性能將是艱難的，然而，借助不同芯片和磷光粉的結合或許可以制造出超高效率的白光光源。Tsao的解釋提到：“假如你能透過主要的半導體的使用(像是InGaN)針對綠光能隙(green gap)對癥下藥，那么你或許可以使用某一磷光粉作為紅光，[與藍光LED并排]”。

　當動機朝向藍光LED和黃色磷光粉發(fā)展的用意在于消除下轉換(down-conversion)損失時，以上的方法看來就蠻荒謬了。然而，以綠光芯片及紅色磷光粉為例，在激發(fā)源和磷光粉發(fā)光之間的波長假使只有少許的差異得話，能量損失可以減低到最小。

　Tsao 和他的同事已經(jīng)考慮過數(shù)種不同的芯片和磷光粉結合，并且算出95%的轉換效率以及少量的Stokes下轉換(down-conversion)損失。藉由紅色及藍色發(fā)光體的結合以及發(fā)光波長較廣的系統(tǒng)，如果主要的發(fā)光體具有80%的效率而紅光發(fā)光位置在615 nm，則綠色磷光粉的整體效率可達到70% (286 lm/W)，但假使光源波長超出626 nm，則主要的半導體必須具有90%效率以達到相同的整體效率。

一切的動機和目的就是要實質(zhì)的改善LED技術以制造出超高性能的白光光源，不管他們是否根據(jù)不同色彩的LED組合亦或是LED與磷光粉的混合體，要達到器件性能的改善不僅需要提升材料本身特性外，也需要新器件設計的發(fā)展來改善光提取效率(extraction efficiency)。這些努力的成果背后的獎勵是最大的源動力，但要達到這樣高性能的路途看來還是相當漫長及艱辛的。