如何提高led光效问题解决办法

新闻发布时间：2014/7/9新闻浏览次数：2238新闻作者：济南锐玛试验机

　　LED灯泡最大的诟病仅次于报价的是不志向的色彩。这个缺点是由制作白光LED的进程中发作的：GaN基蓝光芯片激起黄色荧光粉，混合这两种色彩发作白光。用这种方法，可见光谱的红光区域并没有对光输出有多大贡献。

　　白光LED照明产品制作的更高级方法—也是固态投影闪现的一种方法—即以红、绿、蓝为原料的LED，混合而发作白光。这种方法的利益是不会局限于更高的显色指数，一同也可以抵达更高的光效和灵敏的控制色彩。

　　用混合色彩的方法发作高能效的系统，有必要选用高效光源。蓝光和红光LED的功用现已很显着，近期的技术改善，推进峰值功率改换功率逾越81%和70%，可是绿光LED的功用却远远落后。这种以GaN为主的LED效能不高的表象被称为“绿光缺口”。

　　绿光波长波段

　　前进绿光LED照明的功率面临很大应战，因为无法运用志向老到的材料系统。用来发明高效蓝光LED的III-N系列，在波长更长的情况下功率会变低，而在红光的波段计划内功率很高的III族磷化物也面临相同的烦恼;延伸这一类LED的光发射更短的波长，功率会降低，简而言之，材料系统在黄绿色谱计划里功率很低。

　　图一：在不相同的波长下，III族氮化物（绿色数据点）和III族磷化物LED（红光数据点）的发光功率。蓝线代表世界照明委员会 （CIE）1924年的光度函数乘以电光改换功率（WPE）相应的值。用黄色彩标明的是黄绿计划，既没有被II族氮化物也没被III族磷化物充分掩盖。这便是绿色缺口疑问的实质。

　　关于III族磷化物而言，发射光到绿色波段变成了材料系统的基础妨碍。改动AlInGaP的成分让它发绿光，而不是红光、橙色或许黄色—构成载波束缚不充分，是因为材料系统相对低的能隙，打扫有用的辐射复合。

　　对比之下，III族氮化物要抵达高效难度更大，但艰难并不是无法跨过的。用这个系统，将光延伸到绿光波段，会构成功率降低的两个要素是：外部量子功率和电功率的降低。

　　外部量子功率降低来源于绿光LED需要选用高正向电压。这些设备有着很高的内部电压场。因此在给定电压下，尽管带隙更低，但运用于此类LED的电压会更高。更高的驱动电压使得电源改换率降低。第二个缺点是绿光LED随写入电流密度增大而降低，被droop效应所困。Droop效应也出现在蓝光 LED中，但在绿色LED中影响更甚，导致常规的操作电流功率更低。

　　（图二）在波长为442nm和530nm的1mm2蓝光InGaN和绿色GaN，外部量子功率对比

　　droop效应的成因在氮化物行业中引起了剧烈的谈论。因为构成droop效应的损失率在电致发光和光致发光影响下对电荷载体密度有着立方依靠，大多数猜测都指向俄歇复合是droop效应的成因。

　　可是，构成droop效应成因猜测许多，不仅仅只需俄歇复合这一种---其间包含了错位、载体溢出或许电子泄露。后者是由高压内部电场增强的。

　　绿光的发展方向

　　位于德国雷根斯堡的欧司朗光电半导体公司，一直在稳定地前进绿光LED的发光功率。2008年，在MatthiasPeter的带领下，伙伴报道了1mm2，527nmThinGaN基芯片在350mA电流条件下，光通量为100lm.发光功率等于73lm/W.两年后，选用 GoldenDragonPlus封装的优化1mm2芯片，可将发光效能前进到100lm/W。在这种驱动电流条件下，光通量为117lm，当投入1A的电流时可获得224lm的光通量。

　　迩来，我们使绿光LED的功用再次更上一层楼。根据c平面蓝宝石衬底MOCVD生长的LED，作用区域有5-7个InGaN量子阱嵌在GaN垒层，这样做可以会有更高的效能。5μm厚的硅掺杂缓冲层安定作用区域，这个作用区域被30nm厚的镁掺杂p型AlGaN电子阻挡层和140nm厚的镁掺杂 GaN接触层所掩盖。

　　我们对比这个结构和由出产线上取下的设备，发现它们的作用区所发作的光致发光（见图3）。通过大容量设备，光致发光显微图发现了强度上的不均匀，有黑点图画的出现。黑点的密度相当于六角晶体缺点（V-pits）密度，使我们有理由猜测这些黑点和V-pits之间的强关联性。已有一些研讨支撑这个观念，证明点对点的相关性。

　　图3：（a）是从出产线取来器件的光致发光的微型图，（b）是研讨样品的光致发光的微型图。为了非常好的对比，图画的低处有些只用灰色闪现。

　　根据光致发光的微型图可以看到，在作用区域降低生长率可以大幅度前进量子阱材料的质量，黑点的密度，结果与出产线上的样品类似，受影响的计划却更小。所以增加了亮堂区域的份额，就会得到更多均匀的发光图画像。

　　通过前进材料质量来增强内部量子功率和传送才干，然后使得LED发扬更佳的功用。近期用Dragon封装方式制作的球面透镜封装的样品，在 350mA的电流驱动下，光通量抵达114lm，发光功率为100lm/W（见图4）。通过对比，在相同的驱动电流条件下，出产线上的器件光通量仅为 108ml.假设去掉对光贡献不高的量子阱，作用会非常好。在这个例子中，调整量子阱的数量，从7个削减到5个，以此前进载体运送才干。通过调整，532nm1mm2ThinGaN芯片在350mA电流驱动下，光通量为134lm，发光功率为108lm/W。

　　图4：Dragon封装1mm2ThinGaN芯片的电光参数：出产线的设备（蓝线），前进传送才干的设备（黑线），优化外延结构的设备（橙线）。

　　前进绿光LED的要害方法是通过降低载体浓度来应对droop效应。可以运用更大的芯片，或增加发光的量子阱数量。从图4的功率曲线可以预估，通过降低电流密度，功率可增加25%或60%。

　　采用这个方法，增加芯片标准到2mm2。为绿光LED前进输出功率，在350mA的电流条件下，光通量为150lm，发光功率是135lm/W--而1mm2的芯片发光功率仅是108lm/W。

　　增大电流值，在稍短的波段里输出更大光通量：在700mA电流驱动下，芯片在峰值波长为531nm条件下，输出248lm和480mW;增大电流到1A，光输出抵达313lm和620mW，峰值波长变成529nm.后边的数据，对比，在50Acm-2的电流密度下，光通量逾越 310lm（600mW）等值，这是根据红、绿、蓝LED的高功用投影系统的促进技术。光改换功率在驱动电源很低的情况下尤为显着。在100mA条件下逾越190lm，低于2mA条件下，逾越300lm。

　　图5，前进了载子传送才干、优化外延结构的OSLON封装的2mm2ThinGaN芯片的电光特性

　　激起荧光粉

　　制作绿色LED的另一种方法是用蓝光LED加绿色荧光粉。这种激起方法有着截然不相同的绿光发射特征：运用LuAG荧光粉的陶瓷板，激起的光的是 531nm峰值波长，525nm高斯峰和33nm半峰宽（FWHM），而芯片-荧光粉法制作的合成物的峰值波长是529nm，中间波长为557nm，半峰宽（FWHM）为99nm.（见图6）

　　更宽的发光剖面是有利也有弊。它本身供应的显色指数高，适宜于一般照明。但较窄的发光适宜于投影运用等。例如，天然绿光LED具有较小的光谱带宽，可以避免串扰，前进系统功率。假设天然绿光LED可以用于投影，对比改换的绿光处理方案，天然绿光LED可以掩盖更宽的色彩计划。

　　图6：采用不相同方法的绿光LED光谱。由荧光粉发作的光射比由天然绿光：InGaN基LED发作的光射更广。

　　可是，蓝光LED和绿色荧光粉仍然是个很具吸引力的选择方案，因为这个方案避免了绿色缺口等疑问。尽管因为斯托克斯位移发作的损耗是不行避免的，用蓝光芯片激起荧光粉将发作更高的功率，因为droop效应在较短波长段影响不大（见图8）。因为蓝光LED的内部电场不强，电损耗较低，我们以 1mm2ThinGaN芯片为例，对比这两种不相同方法的光通量和光效。在较低的电流密度条件下，绿光LED比蓝光光效更高，没有改换损耗，发光功率在 1mA电流条件下抵达291lm/W。可是当电流密度增加，光效降低很快，在350mA电流下，光效是108lm/W，在1A条件下，光效是66lm /W。蓝光LED正巧相反，跟着电流密度的增加，功率也相应前进。在20mA电流下，改换功率抵达最高值。在350mA电流驱动下，蓝光LED和绿色荧光粉联系物，光通量为194lm，光效为191lm/W，在1A电流条件下，光通量是462lm，光效是145lm/W。

　　图七 根据CIE1931色彩空间色度图，对比红绿蓝混合方案，与由荧光粉改动而来的绿光法，或直接绿光InGaN基，天然绿光InGaN基对比由荧光粉改动方案，发现发射光谱越窄的器件，越适宜投影运用。

　　前进天然绿光LED功用的途径有多种：可以是增加更多阱的增大作用区的容量，来降低载流子密度;也可以通过前进材料质量来前进内部量子功率;还可以优化芯片计划和标准来增加作用区域。但以我们的观念，优化外延生长进程的方法最具潜力，因为可以降低正向电压和前进载子传送才干。

　　图8：两种发作绿光的不相同方法的光通量和发光功率。绿光InGaN/GaNLED在高电流条件下，droop效应影响很大，由蓝光LED和荧光粉转化而来的合成物在标准驱动电流下的功率和光通量都很高。

斯诺光电：http://www.sinled.com