大功率LED的下一步是什么?

2020-10-05 23
高效的LED是令人印象深刻的设备。许多领先的半导体公司出售的行之有效的商用设备的效率超过100 lm / W,使用寿命超过50,000小时。

但是,尽管当代产品表现良好,但基于氮化铟镓(InGaN)的白光LED(当今生产的最常见的白光LED)的理论功效极限约为250 lm / W,因此仍有很大的改进空间。为领先的LED公司工作的学者和研究人员正在严格审查载流子注入效率,内部量子效率和光提取效率等因素。

LED被吹捧为环保照明的未来。他们的某些绿色资质来自可持续的制造技术和可回收材料的使用,但与传统光源相比,LED所展示的节能效果是该星球的主要优点。

尽管有几种从LED发出白光的技术,但大多数现代商业设备都将InGaN LED与钇铝石榴石(YAG)基磷光体结合在一起,产生光谱中蓝色的光。磷光体吸收了来自LED的一些蓝光,然后在包括一些绿色和红色以及许多黄色的很宽的波长范围内重新发出。LED发出的蓝光和磷光体发出的各种颜色的组合看上去对眼睛来说是白色的(请参阅TechZone文章“更白,更亮的LED ”)。本文的其余部分将仅限于考虑这种类型的白色LED。

当前的商用设备的效率在70至120 lm / W的范围内。这远比即将淘汰的白炽灯泡(10至18 lm / W)好得多,比紧凑型荧光灯(CFL)(35至60 lm / W)好一点,并且与荧光灯管(80至100 lm / W)。1

这种功效对一个国家的电力消耗有很大的影响。根据《自然光子学》2中的一篇文章在美国,约22%的电力专用于照明应用。文章指出,如果世界上所有常规白光源都转换为LED,则每年可以减少约1,000 TWh的电力消耗,相当于约230座典型的500 MW燃煤电厂,从而将温室气体排放量减少约2亿吨。

尽管LED在效率提高方面遵循指数曲线,但它们仍处于起步阶段。根据最近的分析,“完美设计的白光”(一个5800 K黑体以400至700 nm的可见光谱波长发射所有光子)输出的光的上限为250 lm / W。3
白光源发光功效的历史发展历程

这为LED制造商留出了很大的空间来改进其产品。那么,如何才能使当今最好的白光LED的效率几乎提高一倍?

效率的四个步骤
科学家确定了三个不同的因素,这些因素结合起来可以确定一种白色LED的外部量子效率(EQE)。这个无量纲的数字定义了设备将电子转换为实际上从芯片逸出并有助于发光的光子的效率,这是设备存在的原因。
的EQE(η EXT)被定义为:

其中,η INJ是载流子注入效率,η INT是内部量子效率,η提取是光子提取效率。

让我们依次仔细研究这些因素。

为了进行载流子复合,必须将穿过LED的电子注入到有源区中。将该操作的效率(载流子注入效率)定义为实际上通过电子进入有源区的通过器件的电子比例。

内部量子效率(IQE)是有效区域中辐射(即产生光子)的重组数的量度。请注意,许多重组都是非辐射性的,会产生“声子”(晶格振动),从而使管芯变热且不发光。


一旦产生了光子,它们就必须从芯片中逸出,以提高光度。提取效率测量的是在有源区域中产生的,实际上从设备中逸出的光子所占的比例。(请参阅TechZone文章“ LED效率改善没有迹象”。)


在考虑使用荧光粉增加蓝色LED发出的光子波长的白色LED的EQE时,必须考虑第四个因素,这样它们就看起来是白色的-就是转换效率。转换效率是所发射的较长波长光子与较短波长吸收的光子之比的量度。


(请注意,还有另一个特性限制了现代LED的功效,称为“电流下降”。LED在非常低的正向电流和电压下效果最佳;当电流增加时,LED变亮,但令人沮丧的是,功效降低电流下垂后的现象知之甚少,但被认为是由于称为直接俄歇复合的过程所引起的,该过程涉及电子和空穴的复合,而不是发射光子,而是将产生的能量转移至第三载流子。包括三大运营商,这个问题往往会在高载流子密度常见的更高的电流变得更糟。

LED制造商已将研发工作均等地集中在促成EQE的所有四个因素上,但他们的努力成果对某些人而言比其他人更为成功。

例如,IQE取得了重大进展。当今最好的商业白色LED的IQE在75%至80%之间。进一步的改进取决于消除所谓的非辐射复合中心。这些通常在制造过程中在大块半导体中产生的芯片中的微裂纹(或“螺纹位错”)周围形成,并随着时间的流逝随着芯片的老化和裂纹的增长而增加。(请参阅TechZone文章“了解高亮度LED褪色的原因”。)

提出的减少非辐射复合中心数目的一种解决方案是在非极性或半极性晶体学方向上生长半导体。这减少了螺纹位错的数目,并因此减少了非辐射复合中心的数目。

LED制造商Seoul Semiconductor的子公司Seoul Opto Device Company最近就制造这种材料申请了专利。4图2显示了使用该技术的LED结构的示意图。该方法的缺点在于,难以在批量生产中使用,因此昂贵。但是,该公司最近宣布已发布其基于非极性技术的“ nPola” LED的商业样品。

提取效率的数字比IQE的数字令人印象深刻。改善提取效率的主要障碍是空气与InGaN裸片之间的折射率差异很大,这导致90%以上的发射光子被内部反射回半导体并被重新吸收。


一种解决方案是增加以接近垂直的角度击中LED-空气界面的光子数量(例如,通过表面粗糙化技术在表面上产生微米级的圆锥体,改变LED的外部形状并对蓝宝石衬底进行构图)。根据Rensselaer Polytechnic Institute进行的实验,对上表面进行5粗糙化处理可以使发光效率从10%以下提高到20%以上。


在高亮度LED制造商中越来越流行的另一种技术是用一种折射率更接近于半导体的材料来封装LED。这可以在器件封装期间完成,并且比定型模具便宜得多。半导体和密封剂的折射率更接近匹配,这意味着光子可以以更高的入射角撞击边界,并且仍然被发射而不是反射回去。(请参阅TechZone文章“提高LED发光效率”。)


载流子注入效率是研究人员发现很难取得进展的另一个领域。适当掺杂n-和p型半导体和偏置电压可确保提供足够的电子(和空穴)进行复合,但确保它们都最终进入有源区则完全是另一回事。许多空穴和电子在芯片的非活动区域复合,仅产生热量。


现代设备使用一些技巧将“不愿意”的电荷载流子“束缚”到有源区域,然后在它们出现时“鼓励”它们重新结合并产生光子。这些增强功能中的第一个是位于p型覆层和有源层之间的电子阻挡层(EBL),一旦电子到达有源层,电子阻挡层就会阻止电子迁移离开有源区。另外,形成EBL的材料必须适当地掺杂,以使其不阻止空穴自由迁移到有源区中。


第二个增强功能是将“量子阱”引入有源区。这些结构是非常薄的半导体层(1至20 nm),带隙略低于周围的块状材料。由于复杂的量子力学原因,阱“吸引”然后“捕获”电荷载流子,增加了辐射复合的可能性。6图3显示了能带隙(价带至导带)示意图,该图显示了EBL和具有多个量子阱(MQW)的有源区。
LED的能带隙图的图像


提高载流子注入效率的另一种新颖建议是“ LET”或发光三极管。7该设备用两个阳极代替了常规LED的单个阳极。图4(b)显示了这种安排。


在这种装置中,电流从一个阳极横向流向另一个阳极,从而加速了空穴并为其提供了更多的能量。这种额外的能量增加了将空穴注入有源层的可能性,在有源层中它们可以进行辐射复合。


在改善影响LED EQE的因素方面已取得了重大进展。但是,商业白色LED的其他基本要素是什么,磷光体会改变从LED发射的某些光子的波长,从而使整体发射的光看起来是白色的?


尽管当今商业设备中使用的基于YAG的磷光体已得到高度开发,但斯托克斯位移现象存在一些固有的低效率,这种现象会改变入射光子从磷光体中重新发射时的波长。这些低效率将原始光子的光能换成热量,从而降低了对光度的贡献。


但这远非LED制造商面临的最大问题。主要的挑战是,从磷光体发出的大多数光子会返回到裸片而不是从LED向外传播,从而大大降低了器件的效率。伦斯勒理工学院研究小组的最新研究发现,大约60%的光从磷光体层向内反射。8


一种提出的解决方案采用透明的“整体式”磷光体,该磷光体消除了困扰传统“粉状”磷光体的光子散射粒子界面。另一种技术是在LED管芯和磷光体层之间添加选择性反射反射器的多层薄膜,以允许来自LED的蓝光通过,同时将磷光体的黄色向内反射回封装。


减少光子向后散射的另一个建议是将荧光粉“远程”放置在远离LED的位置。在常规的白光LED中,密封环氧树脂均匀地结合了磷光体。这种布置限制了可以从封装中逸出的光子的数量,因为很有可能许多光子会被发射回封装中并被吸收。在改进的器件中,磷光体位于器件顶部的一层中,并且晶粒经过重新塑形以提取大部分反向传输的光。图5说明了该概念。9发明人声称,与传统的LED相比,改进型设备的功效提高了约50%。

今天的实验室,明天的商业化LED的技术发展步伐惊人。随着LED制造商试图在新兴形式的主流照明设备中抢占新兴市场的更大份额,也许比其他任何技术都更迅速地将实验室的开发成果投入生产。

尽管本文中讨论的一些开发尚待结合到商用芯片中,但最新一代的off-off可提供一些功能,例如多量子阱,成形管芯和接近管芯折射率的密封剂。现成的白色LED。


具有芯片架构和荧光粉增强功能的新设备指日可待。例如,Cree刚刚宣布了基于其碳化硅技术的170 lm / W原型LED“灯泡”。目前,该公司的顶级商用产品是124 lm / W XLamp XP-G2。

就其本身而言,今年早些时候,欧司朗发布了最新一代的OSLON SSL,该公司声称其功效比以前的版本提高了25%。该设备可产生高达111 lm / W的功率(图6)。
欧司朗最新一代OSLON SSL LED图像

如果这些公司和其他领先的LED制造商保持当前的进步速度,那么在十年结束之前,白光LED的理论最大效率250 lm / W将可实
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