1、藍(lán)光芯片型白光LED提升光效
a) 提升內(nèi)量子效率?在有源區(qū)產(chǎn)生更多的藍(lán)光并減少藍(lán)光輸出時的吸收,隨著外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展,超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率已有了非常大的改善,藍(lán)光LED已達(dá)90%以上;
b) 提升光提取效率 ?采用倒裝結(jié)構(gòu)避免正裝結(jié)構(gòu)的電極和金線遮擋光;平衡解決透明導(dǎo)電膜吸光與擴(kuò)散電流的矛盾;底部反射層使藍(lán)光向正面出光方向反射;表面圖型化或表面粗糙化技術(shù)避免因折射率差異大導(dǎo)致的發(fā)光被過多全反射等;接近芯片折射率的封裝材料;
c) 提升熒光粉光致發(fā)光轉(zhuǎn)換的外量子效率?研發(fā)光致發(fā)光轉(zhuǎn)換效率高的熒光粉材料及配比;?
d) 提升封裝的光出射效率?封裝材料的折射率高有利于芯片出光的提取率,但也會使與空氣折射率差異增大;對于平面型封裝,導(dǎo)致與空氣界面之間的向內(nèi)全反射增大,從而又使出光率減小,因此,在平面型封裝之上可考慮再加一層折射率過渡的二次透明封裝層;此外,對于非平面型封裝,改進(jìn)熒光粉涂層厚度和形狀以及封裝結(jié)構(gòu)形狀,避免因折射率差異大所導(dǎo)致的出射光被過多全反射。
藍(lán)光芯片型白光LED的最高光效主要由四部分所限:
①藍(lán)光的內(nèi)量子效率估計不超過90%(較高溫影響下,而小功率常溫可達(dá)95%左右);
②外延層的光提取效率估計不超過85%(正裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)其GaN與硅膠或環(huán)氧樹脂的材料折射率決定的全反射角約42°;倒裝結(jié)構(gòu)其GaN與Al2O3的全反射臨界角約46°;進(jìn)行圖型優(yōu)化等處理后估計不會超過75°);
③藍(lán)光轉(zhuǎn)換為白光的最高量子效率估計不超過70%(視見效率最高的為無損耗單光譜555nm綠光,藍(lán)光全部轉(zhuǎn)換至555nm單色綠光的光致發(fā)光效率不超過78%);
④熒光粉層白光出射球型封裝的效率不超過95%(平面封裝出射率將可能更低得多,這一項(xiàng)人們平時關(guān)注較少,因?yàn)楣鈴墓枘z或環(huán)氧樹脂出射至空氣的全反射臨界角僅約為42°)。
這四部分相乘的綜合光效率估計不超過50%;也就是說藍(lán)光芯片型白光LED的光效不會超過340Lm/W左右。
據(jù)報道,目前全球最高光效的白光LED是美國CREE公司2014年3月宣稱303Lm/W。已接近本文上面分析預(yù)計的白光LED光效的極限。
美國CREE公司實(shí)驗(yàn)室碳化硅襯底白光LED光效進(jìn)展
我國目前國產(chǎn)化的LED光效也已逐步趕上國際先進(jìn)水平。多年前,我國南昌大學(xué)團(tuán)隊采用在硅晶片上預(yù)先柵格化刻蝕來緩解生長GaN后降溫過程中熱匹配差異大造成的龜裂和位錯缺陷,通過特殊措施改進(jìn)MOCVD設(shè)備關(guān)鍵部件“密布輸氣管”來改善GaN生長的均勻性等等自主專利技術(shù),突破了硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管的關(guān)鍵技術(shù),成為繼日美之后第三個掌握藍(lán)光LED自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的國家。打破了日本藍(lán)寶石襯底、美國碳化硅襯底長期壟斷國際LED照明核心技術(shù)的局面,與日美技術(shù)形成全球三足鼎力之勢。據(jù)國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《2018中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》數(shù)據(jù):“2018年我國產(chǎn)業(yè)化白光LED光效水平達(dá)到180Lm/W,硅基黃光(565nm@20A/cm2)電光轉(zhuǎn)換效率24.3%,硅基綠光(520nm@20A/cm2)電光轉(zhuǎn)換效率41.6%”。這是值得可喜的,但在半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)8寸、12寸等主流大尺寸硅晶片要想大規(guī)模應(yīng)用于LED照明產(chǎn)業(yè),在目前主流仍為6寸以下小尺寸藍(lán)寶石襯底在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈已形成了先發(fā)優(yōu)勢的情況下,硅晶片本身的工藝成熟和低成本優(yōu)勢反而發(fā)揮不出來。預(yù)計還需等待封裝設(shè)備等產(chǎn)業(yè)鏈升級到采用6寸以上襯底成為主流時,硅基LED的大批量需求才將會不斷地回歸其原本就具有的比藍(lán)寶石和氮化鎵襯底工藝成本低很多的優(yōu)勢,這時硅基LED應(yīng)用市場前景就非常光明了。
2、RGB型白光LED提升光效
早期因?yàn)榧t光,特別是綠光LED的光效不高,所以由三個紅綠藍(lán)的LED組成的RGB型只限于顯示或裝飾照明用途,隨著綠光LED光效的逐步提升,RGB型白光LED進(jìn)入實(shí)用化照明。RGB型白光LED的主要優(yōu)點(diǎn)是:首先,不需熒光粉來轉(zhuǎn)換光,單這一點(diǎn)從理論上來說就可減少藍(lán)光芯片型白光LED中至少20-30%的光致發(fā)光能量轉(zhuǎn)換損失;其次,可方便調(diào)節(jié)色溫和顏色,這在智能智慧照明應(yīng)用中很重要。但是RGB型白光LED其主要缺點(diǎn)是綠光LED的光效仍不高,導(dǎo)致總的發(fā)光效率目前比藍(lán)光芯片型白光LED低較多;另RGB三個LED需嚴(yán)格選配光度和色度分布,使紅綠藍(lán)三個LED所發(fā)光的光色分布曲線應(yīng)該平滑完全一致且投射方向一致,否則在不同距離和方向上的光度和色度不均勻性嚴(yán)重;還有需要紅綠藍(lán)三種LED的三套供電系統(tǒng),使驅(qū)動電路復(fù)雜化、成本增加。
3、紫外芯片型白光LED提升光效
光度和色度分布不均勻是藍(lán)光芯片型白光LED和RGB型白光LED一定存在的固有缺陷,只是程度不同而已。由于人眼對紫外線沒有感知,利用紫外LED芯片發(fā)出的紫外線被封裝涂層中的紅綠藍(lán)三基色熒光粉吸收并轉(zhuǎn)換成白光,所以紫外芯片型白光LED與傳統(tǒng)熒光燈一樣都不存在色度分布不均勻問題,光度均勻性也比藍(lán)光芯片型和RGB型要好得多,這是其最大的優(yōu)點(diǎn)。紫外線芯片型白光LED的主要缺點(diǎn)是,一般來說在熒光粉光致發(fā)光轉(zhuǎn)換出的光譜包絡(luò)與藍(lán)光型白光的連續(xù)光譜相似情況下,紫外線芯片型白光LED的發(fā)光效率比藍(lán)光芯片型要更低,其紫外線波長越短,轉(zhuǎn)換效率就越低(254nm紫外線下的熒光粉光轉(zhuǎn)換效率不超過50%),且制作難度成倍地增加,所以從理論上來說照明不可能使用短波紫外線芯片來制作白光LED。此外,還需研發(fā)針對長波紫外線激發(fā)的高效熒光粉。而且筆者建議其熒光粉轉(zhuǎn)換后發(fā)射的光譜應(yīng)像節(jié)能熒光燈的三基色那樣紅綠藍(lán)三色形成分離狀的不連續(xù)光譜,各自為窄光譜,綠色波峰還應(yīng)靠近光效最高的555nm,這樣的綠光搭配紅藍(lán)光后就可能輕易超過340 Lm/W的藍(lán)光芯片型白光LED的極限光效。當(dāng)然即使熒光粉能做到這樣,不改進(jìn)目前LED芯片的發(fā)光波長半寬度太寬的現(xiàn)狀,不能象傳統(tǒng)熒光燈中低氣壓放電產(chǎn)生的254nm工作紫外線其非常窄的波長半寬度去配合熒光粉,其效果可能仍然不太佳。
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