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)的項目大致還有五項。即：白色LED的“成本競爭力”、高溫下性能不會降低的“溫度穩(wěn)定性”、可用于照明的高“顯色指數”、白色LED產品間的色調“均勻性”、單位封裝可輸出的“光通量的大小”（圖1）。所有這些項目與發(fā)光效率均屬于此消彼長關系，要想與發(fā)光效率取得平衡，需要仔細處理。

　　圖1：僅憑借高效率不會成為暢銷產品

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

　　“成本競爭力”的關鍵是降低占白色LED成本約6成的藍色LED芯片的制造成本（圖2）。其常規(guī)方法是擴充生產線。不過，單憑這一點并不能解決問題。在白色LED的開發(fā)方面領先一步的日美歐老牌LED廠商提出的方法是，縮小藍色LED芯片的尺寸。即增加一個晶圓上可制成的芯片數量。

圖2：白色LED的成本構造

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

在亮度單價比照明用途還要低20～30％、正進行激烈價格競爭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出現(xiàn)明顯差異（圖3）。與韓國廠商的產品相比，日亞化學工業(yè)的芯片尺寸只有韓國廠商的1/3～1/2左右。芯片的小型化今后也許還會波及到競爭不斷激化的照明用途。

圖3：LED芯片的尺寸差別大

　　對各公司輸入功率相同的白色LED進行調查后發(fā)現(xiàn)，使用的藍色LED芯片的尺寸差別很大。例如，與韓國廠商的產品相比，日亞化學工業(yè)的0.1W產品只有其1/3左右，0.5W產品只有其1/2左右。（圖由本站根據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色LED芯片的電流密度。不過，此時存在電流密度越高，LED芯片的發(fā)光效率越低的“衰退（droop）現(xiàn)象”，因此能量損失會變大。要想縮小芯片尺寸，就需要設法減弱這種衰退現(xiàn)象。

　　減輕衰退現(xiàn)象不僅對想要降低制造成本的LED廠商有利，對于白色LED的用戶也有好處。原因是，可在抑制能源效率降低的同時，削減部件成本。提高輸入白色LED的電流可增加單位亮度，由此能減少產品配備的白色LED個數（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LED用戶還是對制造商來說都有好處。例如，對用戶來說，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個數。對于制造商來說，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，目前已經有產品采用了減輕衰退現(xiàn)象的技術。例如，德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors）的“UX：3”技術通過抑制衰退現(xiàn)象，將輸入350mA電流時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使用的藍色LED芯片中，使輸入1A電流時（芯片尺寸為1mm見方）的外部量子效率（內部量子效率和光提取效率的乘積）達到了59％，與峰值相比抑制了約8個百分點的降低。如果不抑制衰退現(xiàn)象，通常會降低20個百分點左右。

　　利用均勻流過的電流抑制衰退現(xiàn)象

　　使電流密度在藍色LED芯片面內均勻流過、改進發(fā)光層使用的量子阱構造以及提高結晶品質等均為抑制衰退現(xiàn)象發(fā)揮了作用。

　　例如，歐司朗的UX：3技術將藍色LED芯片表面設置的n型接觸電極轉移到芯片內部，使芯片面內的電流密度均勻化（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“俄歇復合”現(xiàn)象。俄歇復合是指，不會產生發(fā)光現(xiàn)象的電子與空穴的復合。抑制該現(xiàn)象有助于提高內部量子效率。

圖5：通過改變電極構造和配置減輕衰退現(xiàn)象

　　歐司朗光電開發(fā)的LED技術“UX：3”通過將n型接觸電極移動到LED芯片內部，使流經LED芯片的電流密度在面內均勻化（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合現(xiàn)象，因此，可較原來進一步提高輸入電流量增加時的發(fā)光強度（b）。（圖：歐司朗光電）

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

　　還有觀點指出，今后要想進一步提高電流密度，需要減少藍色LED芯片GaN系半導體結晶的結晶缺陷?！半m然此前一直認為結晶缺陷數基本不會影響GaN系LED的發(fā)光，但那是在電流密度較低時的情況。在高電流密度下就會產生嚴重影響”（飛利浦流明日本）。通過將用于結晶成長的基板由目前的藍寶石替換為GaN可以減少結晶缺陷。不過，GaN基板的價格目前高達藍寶石基板的10倍以上，要想普及還需要時間。