LED照亮一切 如何掌握好與發(fā)光效率的平衡？

掌握好與發(fā)光效率的平衡

　　除了提高發(fā)光效率外，led廠商加速開發(fā)的項(xiàng)目大致還有五項(xiàng)。即：白色LED的“成本競(jìng)爭(zhēng)力”、高溫下性能不會(huì)降低的“溫度穩(wěn)定性”、可用于照明的高“顯色指數(shù)”、白色LED產(chǎn)品間的色調(diào)“均勻性”、單位封裝可輸出的“光通量的大小”（圖1）。所有這些項(xiàng)目與發(fā)光效率均屬于此消彼長(zhǎng)關(guān)系，要想與發(fā)光效率取得平衡，需要仔細(xì)處理。

　　圖1：僅憑借高效率不會(huì)成為暢銷產(chǎn)品

　　LED廠商要想滿足市場(chǎng)要求，除了可實(shí)現(xiàn)200lm/W以上發(fā)光效率的技術(shù)實(shí)力外，還需要追求成本競(jìng)爭(zhēng)力、溫度穩(wěn)定性、顯色指數(shù)、光的均勻性以及單位白色LED的光通量大小。

　　“成本競(jìng)爭(zhēng)力”的關(guān)鍵是降低占白色LED成本約6成的藍(lán)色LED芯片的制造成本（圖2）。其常規(guī)方法是擴(kuò)充生產(chǎn)線。不過，單憑這一點(diǎn)并不能解決問題。在白色LED的開發(fā)方面領(lǐng)先一步的日美歐老牌LED廠商提出的方法是，縮小藍(lán)色LED芯片的尺寸。即增加一個(gè)晶圓上可制成的芯片數(shù)量。

圖2：白色LED的成本構(gòu)造

　　在白色LED的各種成本中，LED芯片占整體的一多半，為62％。（圖：DisplaySearch）

在亮度單價(jià)比照明用途還要低20～30％、正進(jìn)行激烈價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的大尺寸液晶面板背照燈用途中，不同LED廠商間在芯片尺寸上已經(jīng)出現(xiàn)明顯差異（圖3）。與韓國(guó)廠商的產(chǎn)品相比，日亞化學(xué)工業(yè)的芯片尺寸只有韓國(guó)廠商的1/3～1/2左右。芯片的小型化今后也許還會(huì)波及到競(jìng)爭(zhēng)不斷激化的照明用途。

圖3：LED芯片的尺寸差別大

　　對(duì)各公司輸入功率相同的白色LED進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，使用的藍(lán)色LED芯片的尺寸差別很大。例如，與韓國(guó)廠商的產(chǎn)品相比，日亞化學(xué)工業(yè)的0.1W產(chǎn)品只有其1/3左右，0.5W產(chǎn)品只有其1/2左右。（圖由本站根據(jù)DisplaySearch的資料制作）

　　提高電流密度縮小芯片尺寸

　　如果縮小了芯片尺寸，為獲得相同亮度就需要提高輸入給藍(lán)色LED芯片的電流密度。不過，此時(shí)存在電流密度越高，LED芯片的發(fā)光效率越低的“衰退（droop）現(xiàn)象”，因此能量損失會(huì)變大。要想縮小芯片尺寸，就需要設(shè)法減弱這種衰退現(xiàn)象。

　　減輕衰退現(xiàn)象不僅對(duì)想要降低制造成本的LED廠商有利，對(duì)于白色LED的用戶也有好處。原因是，可在抑制能源效率降低的同時(shí)，削減部件成本。提高輸入白色LED的電流可增加單位亮度，由此能減少產(chǎn)品配備的白色LED個(gè)數(shù)（圖4）。

圖4：提高在高電流密度下的特性

　　LED一般是電流密度越高發(fā)光效率越低。抑制這種衰退現(xiàn)象無論是對(duì)LED用戶還是對(duì)制造商來說都有好處。例如，對(duì)用戶來說，即使增加單位LED的輸入功率也能獲得高能源效率，因此可減少安裝在照明器具上的LED個(gè)數(shù)。對(duì)于制造商來說，能以更小的芯片面積獲得相同亮度的LED芯片，因此可降低LED芯片的制造成本。

在照明用白色LED中，目前已經(jīng)有產(chǎn)品采用了減輕衰退現(xiàn)象的技術(shù)。例如，德國(guó)歐司朗光電半導(dǎo)體（OSRAM Opto Semiconductors）的“UX：3”技術(shù)通過抑制衰退現(xiàn)象，將輸入350mA電流時(shí)的光輸出較原來提高了約10％。輸入電流越大該差值越明顯。

　　飛利浦流明在最新白色LED使用的藍(lán)色LED芯片中，使輸入1A電流時(shí)（芯片尺寸為1mm見方）的外部量子效率（內(nèi)部量子效率和光提取效率的乘積）達(dá)到了59％，與峰值相比抑制了約8個(gè)百分點(diǎn)的降低。如果不抑制衰退現(xiàn)象，通常會(huì)降低20個(gè)百分點(diǎn)左右。

　　利用均勻流過的電流抑制衰退現(xiàn)象

　　使電流密度在藍(lán)色LED芯片面內(nèi)均勻流過、改進(jìn)發(fā)光層使用的量子阱構(gòu)造以及提高結(jié)晶品質(zhì)等均為抑制衰退現(xiàn)象發(fā)揮了作用。

　　例如，歐司朗的UX：3技術(shù)將藍(lán)色LED芯片表面設(shè)置的n型接觸電極轉(zhuǎn)移到芯片內(nèi)部，使芯片面內(nèi)的電流密度均勻化（圖5）。電流密度局部較高的情況消失，由此減輕了電流密度越高表現(xiàn)越明顯的“俄歇復(fù)合”現(xiàn)象。俄歇復(fù)合是指，不會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象的電子與空穴的復(fù)合。抑制該現(xiàn)象有助于提高內(nèi)部量子效率。

圖5：通過改變電極構(gòu)造和配置減輕衰退現(xiàn)象

　　歐司朗光電開發(fā)的LED技術(shù)“UX：3”通過將n型接觸電極移動(dòng)到LED芯片內(nèi)部，使流經(jīng)LED芯片的電流密度在面內(nèi)均勻化（a）。如果輸入LED芯片的電流相同，可大幅減少局部電流密度升高的位置。由此，可抑制電流密度增加引起的俄歇復(fù)合現(xiàn)象，因此，可較原來進(jìn)一步提高輸入電流量增加時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度（b）。（圖：歐司朗光電）

　　改進(jìn)量子阱構(gòu)造是指，即使電流密度提高也能持續(xù)有效到達(dá)電子與空穴復(fù)合的位置。各大LED廠商沒有公開將其具體應(yīng)用在產(chǎn)品中的方法，不過歐司朗日本表示，對(duì)量子阱構(gòu)造“阻擋層的帶隙大小和阱層寬度等進(jìn)行了改進(jìn)”。

　　還有觀點(diǎn)指出，今后要想進(jìn)一步提高電流密度，需要減少藍(lán)色LED芯片GaN系半導(dǎo)體結(jié)晶的結(jié)晶缺陷?！半m然此前一直認(rèn)為結(jié)晶缺陷數(shù)基本不會(huì)影響GaN系LED的發(fā)光，但那是在電流密度較低時(shí)的情況。在高電流密度下就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響”（飛利浦流明日本）。通過將用于結(jié)晶成長(zhǎng)的基板由目前的藍(lán)寶石替換為GaN可以減少結(jié)晶缺陷。不過，GaN基板的價(jià)格目前高達(dá)藍(lán)寶石基板的10倍以上，要想普及還需要時(shí)間。