如何提高led光效問題解決辦法

新聞發布時間：2014/7/9新聞瀏覽次數：2421新聞作者：濟南銳瑪試驗機

　　LED燈泡最大的詬病僅次于報價的是不志向的色彩。這個缺點是由制作白光LED的進程中發作的：GaN基藍光芯片激起黃色熒光粉，混合這兩種色彩發作白光。用這種方法，可見光譜的紅光區域并沒有對光輸出有多大貢獻。

　　白光LED照明產品制作的更高級方法—也是固態投影閃現的一種方法—即以紅、綠、藍為原料的LED，混合而發作白光。這種方法的利益是不會局限于更高的顯色指數，一同也可以抵達更高的光效和靈敏的控制色彩。

　　用混合色彩的方法發作高能效的系統，有必要選用高效光源。藍光和紅光LED的功用現已很顯著，近期的技術改善，推進峰值功率改換功率逾越81%和70%，可是綠光LED的功用卻遠遠落后。這種以GaN為主的LED效能不高的表象被稱為“綠光缺口”。

　　綠光波長波段

　　前進綠光LED照明的功率面臨很大應戰，因為無法運用志向老到的材料系統。用來發明高效藍光LED的III-N系列，在波長更長的情況下功率會變低，而在紅光的波段計劃內功率很高的III族磷化物也面臨相同的煩惱;延伸這一類LED的光發射更短的波長，功率會降低，簡而言之，材料系統在黃綠色譜計劃里功率很低。

　　圖一：在不相同的波長下，III族氮化物（綠色數據點）和III族磷化物LED（紅光數據點）的發光功率。藍線代表世界照明委員會 （CIE）1924年的光度函數乘以電光改換功率（WPE）相應的值。用黃色彩標明的是黃綠計劃，既沒有被II族氮化物也沒被III族磷化物充分掩蓋。這便是綠色缺口疑問的實質。

　　關于III族磷化物而言，發射光到綠色波段變成了材料系統的基礎妨礙。改動AlInGaP的成分讓它發綠光，而不是紅光、橙色或許黃色—構成載波束縛不充分，是因為材料系統相對低的能隙，打掃有用的輻射復合。

　　對比之下，III族氮化物要抵達高效難度更大，但艱難并不是無法跨過的。用這個系統，將光延伸到綠光波段，會構成功率降低的兩個要素是：外部量子功率和電功率的降低。

　　外部量子功率降低來源于綠光LED需要選用高正向電壓。這些設備有著很高的內部電壓場。因此在給定電壓下，盡管帶隙更低，但運用于此類LED的電壓會更高。更高的驅動電壓使得電源改換率降低。第二個缺點是綠光LED隨寫入電流密度增大而降低，被droop效應所困。Droop效應也出現在藍光 LED中，但在綠色LED中影響更甚，導致常規的操作電流功率更低。

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

　　droop效應的成因在氮化物行業中引起了劇烈的談論。因為構成droop效應的損失率在電致發光和光致發光影響下對電荷載體密度有著立方依靠，大多數猜測都指向俄歇復合是droop效應的成因。

　　可是，構成droop效應成因猜測許多，不僅僅只需俄歇復合這一種---其間包含了錯位、載體溢出或許電子泄露。后者是由高壓內部電場增強的。

　　綠光的發展方向

　　位于德國雷根斯堡的歐司朗光電半導體公司，一直在穩定地前進綠光LED的發光功率。2008年，在MatthiasPeter的帶領下，伙伴報道了1mm2，527nmThinGaN基芯片在350mA電流條件下，光通量為100lm.發光功率等于73lm/W.兩年后，選用 GoldenDragonPlus封裝的優化1mm2芯片，可將發光效能前進到100lm/W。在這種驅動電流條件下，光通量為117lm，當投入1A的電流時可獲得224lm的光通量。

　　邇來，我們使綠光LED的功用再次更上一層樓。根據c平面藍寶石襯底MOCVD生長的LED，作用區域有5-7個InGaN量子阱嵌在GaN壘層，這樣做可以會有更高的效能。5μm厚的硅摻雜緩沖層安定作用區域，這個作用區域被30nm厚的鎂摻雜p型AlGaN電子阻擋層和140nm厚的鎂摻雜 GaN接觸層所掩蓋。

　　我們對比這個結構和由出產線上取下的設備，發現它們的作用區所發作的光致發光（見圖3）。通過大容量設備，光致發光顯微圖發現了強度上的不均勻，有黑點圖畫的出現。黑點的密度相當于六角晶體缺點（V-pits）密度，使我們有理由猜測這些黑點和V-pits之間的強關聯性。已有一些研討支撐這個觀念，證明點對點的相關性。

　　圖3：（a）是從出產線取來器件的光致發光的微型圖，（b）是研討樣品的光致發光的微型圖。為了非常好的對比，圖畫的低處有些只用灰色閃現。

　　根據光致發光的微型圖可以看到，在作用區域降低生長率可以大幅度前進量子阱材料的質量，黑點的密度，結果與出產線上的樣品類似，受影響的計劃卻更小。所以增加了亮堂區域的份額，就會得到更多均勻的發光圖畫像。

　　通過前進材料質量來增強內部量子功率和傳送才干，然后使得LED發揚更佳的功用。近期用Dragon封裝方式制作的球面透鏡封裝的樣品，在 350mA的電流驅動下，光通量抵達114lm，發光功率為100lm/W（見圖4）。通過對比，在相同的驅動電流條件下，出產線上的器件光通量僅為 108ml.假設去掉對光貢獻不高的量子阱，作用會非常好。在這個例子中，調整量子阱的數量，從7個削減到5個，以此前進載體運送才干。通過調整，532nm1mm2ThinGaN芯片在350mA電流驅動下，光通量為134lm，發光功率為108lm/W。

　　圖4：Dragon封裝1mm2ThinGaN芯片的電光參數：出產線的設備（藍線），前進傳送才干的設備（黑線），優化外延結構的設備（橙線）。

　　前進綠光LED的要害方法是通過降低載體濃度來應對droop效應。可以運用更大的芯片，或增加發光的量子阱數量。從圖4的功率曲線可以預估，通過降低電流密度，功率可增加25%或60%。

　　采用這個方法，增加芯片標準到2mm2。為綠光LED前進輸出功率，在350mA的電流條件下，光通量為150lm，發光功率是135lm/W--而1mm2的芯片發光功率僅是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，光輸出抵達313lm和620mW，峰值波長變成529nm.后邊的數據，對比，在50Acm-2的電流密度下，光通量逾越 310lm（600mW）等值，這是根據紅、綠、藍LED的高功用投影系統的促進技術。光改換功率在驅動電源很低的情況下尤為顯著。在100mA條件下逾越190lm，低于2mA條件下，逾越300lm。

　　圖5，前進了載子傳送才干、優化外延結構的OSLON封裝的2mm2ThinGaN芯片的電光特性

　　激起熒光粉

　　制作綠色LED的另一種方法是用藍光LED加綠色熒光粉。這種激起方法有著截然不相同的綠光發射特征：運用LuAG熒光粉的陶瓷板，激起的光的是 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，中間波長為557nm，半峰寬（FWHM）為99nm.（見圖6）

　　更寬的發光剖面是有利也有弊。它本身供應的顯色指數高，適宜于一般照明。但較窄的發光適宜于投影運用等。例如，天然綠光LED具有較小的光譜帶寬，可以避免串擾，前進系統功率。假設天然綠光LED可以用于投影，對比改換的綠光處理方案，天然綠光LED可以掩蓋更寬的色彩計劃。

　　圖6：采用不相同方法的綠光LED光譜。由熒光粉發作的光射比由天然綠光：InGaN基LED發作的光射更廣。

　　可是，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疑問。盡管因為斯托克斯位移發作的損耗是不行避免的，用藍光芯片激起熒光粉將發作更高的功率，因為droop效應在較短波長段影響不大（見圖8）。因為藍光LED的內部電場不強，電損耗較低，我們以 1mm2ThinGaN芯片為例，對比這兩種不相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，沒有改換損耗，發光功率在 1mA電流條件下抵達291lm/W。可是當電流密度增加，光效降低很快，在350mA電流下，光效是108lm/W，在1A條件下，光效是66lm /W。藍光LED正巧相反，跟著電流密度的增加，功率也相應前進。在20mA電流下，改換功率抵達最高值。在350mA電流驅動下，藍光LED和綠色熒光粉聯系物，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CIE1931色彩空間色度圖，對比紅綠藍混合方案，與由熒光粉改動而來的綠光法，或直接綠光InGaN基，天然綠光InGaN基對比由熒光粉改動方案，發現發射光譜越窄的器件，越適宜投影運用。

　　前進天然綠光LED功用的途徑有多種：可以是增加更多阱的增大作用區的容量，來降低載流子密度;也可以通過前進材料質量來前進內部量子功率;還可以優化芯片計劃和標準來增加作用區域。但以我們的觀念，優化外延生長進程的方法最具潛力，因為可以降低正向電壓和前進載子傳送才干。

　　圖8：兩種發作綠光的不相同方法的光通量和發光功率。綠光InGaN/GaNLED在高電流條件下，droop效應影響很大，由藍光LED和熒光粉轉化而來的合成物在標準驅動電流下的功率和光通量都很高。

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