如何提高led光效問題解決辦法

新聞發(fā)布時間：2014/7/9新聞瀏覽次數(shù)：2423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(fā)作的：GaN基藍光芯片激起黃色熒光粉，混合這兩種色彩發(fā)作白光。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)投影閃現(xiàn)的一種方法—即以紅、綠、藍為原料的LED，混合而發(fā)作白光。這種方法的利益是不會局限于更高的顯色指數(shù)，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(fā)作高能效的系統(tǒng)，有必要選用高效光源。藍光和紅光LED的功用現(xiàn)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(zhàn)，因為無法運用志向老到的材料系統(tǒng)。用來發(fā)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(nèi)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(fā)射更短的波長，功率會降低，簡而言之，材料系統(tǒng)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(shù)據(jù)點）和III族磷化物LED（紅光數(shù)據(jù)點）的發(fā)光功率。藍線代表世界照明委員會 （CIE）1924年的光度函數(shù)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(zhì)。

　　關于III族磷化物而言，發(fā)射光到綠色波段變成了材料系統(tǒng)的基礎妨礙。改動AlInGaP的成分讓它發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(nèi)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(qū)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(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(yè)中引起了劇烈的談論。因為構成droop效應的損失率在電致發(fā)光和光致發(fā)光影響下對電荷載體密度有著立方依靠，大多數(shù)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(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)定地前進綠光LED的發(fā)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(fā)光功率等于73lm/W.兩年后，選用 GoldenDragonPlus封裝的優(yōu)化1mm2芯片，可將發(fā)光效能前進到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。

　　邇來，我們使綠光LED的功用再次更上一層樓。根據(jù)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，這樣做可以會有更高的效能。5μm厚的硅摻雜緩沖層安定作用區(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接觸層所掩蓋。

　　我們對比這個結構和由出產(chǎn)線上取下的設備，發(fā)現(xiàn)它們的作用區(qū)所發(fā)作的光致發(fā)光（見圖3）。通過大容量設備，光致發(fā)光顯微圖發(fā)現(xiàn)了強度上的不均勻，有黑點圖畫的出現(xiàn)。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(lián)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(chǎn)線取來器件的光致發(fā)光的微型圖，（b）是研討樣品的光致發(fā)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(xiàn)。

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

　　通過前進材料質(zhì)量來增強內(nèi)部量子功率和傳送才干，然后使得LED發(fā)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(qū)動下，光通量抵達114lm，發(fā)光功率為100lm/W（見圖4）。通過對比，在相同的驅(qū)動電流條件下，出產(chǎn)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(diào)整量子阱的數(shù)量，從7個削減到5個，以此前進載體運送才干。通過調(diào)整，532nm1mm2ThinGaN芯片在350mA電流驅(qū)動下，光通量為134lm，發(fā)光功率為108lm/W。

　　圖4：Dragon封裝1mm2ThinGaN芯片的電光參數(shù)：出產(chǎn)線的設備（藍線），前進傳送才干的設備（黑線），優(yōu)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(fā)光的量子阱數(shù)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(fā)光功率是135lm/W--而1mm2的芯片發(fā)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(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，光輸出抵達313lm和620mW，峰值波長變成529nm.后邊的數(shù)據(jù)，對比，在50Acm-2的電流密度下，光通量逾越 310lm（600mW）等值，這是根據(jù)紅、綠、藍LED的高功用投影系統(tǒng)的促進技術。光改換功率在驅(qū)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(yōu)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(fā)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(fā)光剖面是有利也有弊。它本身供應的顯色指數(shù)高，適宜于一般照明。但較窄的發(fā)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(tǒng)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(fā)作的光射比由天然綠光：InGaN基LED發(fā)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(fā)作的損耗是不行避免的，用藍光芯片激起熒光粉將發(fā)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(nèi)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(fā)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(qū)動下，藍光LED和綠色熒光粉聯(lián)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(jù)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(fā)現(xiàn)發(fā)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(qū)的容量，來降低載流子密度;也可以通過前進材料質(zhì)量來前進內(nèi)部量子功率;還可以優(yōu)化芯片計劃和標準來增加作用區(qū)域。但以我們的觀念，優(yōu)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(fā)作綠光的不相同方法的光通量和發(fā)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(qū)動電流下的功率和光通量都很高。

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