LED照亮一切 如何掌握好与发光效率的平衡？

    掌握好与发光效率的平衡

　　除了提高发光效率外，led厂商加速开发的项目大致还有五项。即：白色LED的“成本竞争力”、高温下性能不会降低的“温度稳定性”、可用于照明的高“显色指数”、白色LED产品间的色调“均匀性”、单位封装可输出的“光通量的大小”（图1）。所有这些项目与发光效率均属于此消彼长关系，要想与发光效率取得平衡，需要仔细处理。

 

　　图1：仅凭借高效率不会成为畅销产品

　　LED厂商要想满足市场要求，除了可实现200lm/W以上发光效率的技术实力外，还需要追求成本竞争力、温度稳定性、显色指数、光的均匀性以及单位白色LED的光通量大小。

　　“成本竞争力”的关键是降低占白色LED成本约6成的蓝色LED芯片的制造成本（图2）。其常规方法是扩充生产线。不过，单凭这一点并不能解决问题。在白色LED的开发方面领先一步的日美欧老牌LED厂商提出的方法是，缩小蓝色LED芯片的尺寸。即增加一个晶圆上可制成的芯片数量。

 

图2：白色LED的成本构造

　　在白色LED的各种成本中，LED芯片占整体的一多半，为62％。（图：DisplaySearch）
 

    在亮度单价比照明用途还要低20～30％、正进行激烈价格竞争的大尺寸液晶面板背照灯用途中，不同LED厂商间在芯片尺寸上已经出现明显差异（图3）。与韩国厂商的产品相比，日亚化学工业的芯片尺寸只有韩国厂商的1/3～1/2左右。芯片的小型化今后也许还会波及到竞争不断激化的照明用途。

 

图3：LED芯片的尺寸差别大

　　对各公司输入功率相同的白色LED进行调查后发现，使用的蓝色LED芯片的尺寸差别很大。例如，与韩国厂商的产品相比，日亚化学工业的0.1W产品只有其1/3左右，0.5W产品只有其1/2左右。（图由本站根据DisplaySearch的资料制作）

　　提高电流密度缩小芯片尺寸

　　如果缩小了芯片尺寸，为获得相同亮度就需要提高输入给蓝色LED芯片的电流密度。不过，此时存在电流密度越高，LED芯片的发光效率越低的“衰退（droop）现象”，因此能量损失会变大。要想缩小芯片尺寸，就需要设法减弱这种衰退现象。

　　减轻衰退现象不仅对想要降低制造成本的LED厂商有利，对于白色LED的用户也有好处。原因是，可在抑制能源效率降低的同时，削减部件成本。提高输入白色LED的电流可增加单位亮度，由此能减少产品配备的白色LED个数（图4）。

图4：提高在高电流密度下的特性

　　LED一般是电流密度越高发光效率越低。抑制这种衰退现象无论是对LED用户还是对制造商来说都有好处。例如，对用户来说，即使增加单位LED的输入功率也能获得高能源效率，因此可减少安装在照明器具上的LED个数。对于制造商来说，能以更小的芯片面积获得相同亮度的LED芯片，因此可降低LED芯片的制造成本。
 

    在照明用白色LED中，目前已经有产品采用了减轻衰退现象的技术。例如，德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）的“UX：3”技术通过抑制衰退现象，将输入350mA电流时的光输出较原来提高了约10％。输入电流越大该差值越明显。

　　飞利浦流明在最新白色LED使用的蓝色LED芯片中，使输入1A电流时（芯片尺寸为1mm见方）的外部量子效率（内部量子效率和光提取效率的乘积）达到了59％，与峰值相比抑制了约8个百分点的降低。如果不抑制衰退现象，通常会降低20个百分点左右。

　　利用均匀流过的电流抑制衰退现象

　　使电流密度在蓝色LED芯片面内均匀流过、改进发光层使用的量子阱构造以及提高结晶品质等均为抑制衰退现象发挥了作用。

　　例如，欧司朗的UX：3技术将蓝色LED芯片表面设置的n型接触电极转移到芯片内部，使芯片面内的电流密度均匀化（图5）。电流密度局部较高的情况消失，由此减轻了电流密度越高表现越明显的“俄歇复合”现象。俄歇复合是指，不会产生发光现象的电子与空穴的复合。抑制该现象有助于提高内部量子效率。

 

图5：通过改变电极构造和配置减轻衰退现象

　　欧司朗光电开发的LED技术“UX：3”通过将n型接触电极移动到LED芯片内部，使流经LED芯片的电流密度在面内均匀化（a）。如果输入LED芯片的电流相同，可大幅减少局部电流密度升高的位置。由此，可抑制电流密度增加引起的俄歇复合现象，因此，可较原来进一步提高输入电流量增加时的发光强度（b）。（图：欧司朗光电）

　　改进量子阱构造是指，即使电流密度提高也能持续有效到达电子与空穴复合的位置。各大LED厂商没有公开将其具体应用在产品中的方法，不过欧司朗日本表示，对量子阱构造“阻挡层的带隙大小和阱层宽度等进行了改进”。

　　还有观点指出，今后要想进一步提高电流密度，需要减少蓝色LED芯片GaN系半导体结晶的结晶缺陷。“虽然此前一直认为结晶缺陷数基本不会影响GaN系LED的发光，但那是在电流密度较低时的情况。在高电流密度下就会产生严重影响”（飞利浦流明日本）。通过将用于结晶成长的基板由目前的蓝宝石替换为GaN可以减少结晶缺陷。不过，GaN基板的价格目前高达蓝宝石基板的10倍以上，要想普及还需要时间。