LED照亮一切：實現(xiàn)200lmW以上的發(fā)光效率和高易用性

發(fā)光效率正以年均15％的速度穩(wěn)步提高，很快就會達到200lm/W……白色LED發(fā)光效率的提高會持續(xù)到何時，又會達到何種程度呢？

實際上，研發(fā)水平上的發(fā)光效率已經(jīng)幾近極限（圖1）。有觀點認為，組合使用能夠獲得最高發(fā)光效率的藍色LED和黃色熒光材料等的白色LED，其極限是260lm/W左右。而目前在研發(fā)水平上已經(jīng)超過200lm/W，增長空間所剩無幾?！昂翢o疑問，通過技術創(chuàng)新來提高效率的速度將越來越緩慢”（歐司朗日本）。很多相關人士認為，2020年之前，白色LED的發(fā)光效率將達到頂點。不過，數(shù)年后，白色LED產(chǎn)品的發(fā)光效率仍是證明LED廠商實力所不可或缺的指標。因為，現(xiàn)有產(chǎn)品的發(fā)光效率與極限值相比，還有近兩倍的差距。

圖1：即將達到極限
白色LED的發(fā)光效率極限被認為是在260lm/W左右。

需要注意的是，在白色LED的用途不斷擴大的同時，“發(fā)光效率至上主義”的狀況正在逐漸瓦解。發(fā)光效率的高低體現(xiàn)了能源使用效率的高低，同時還是降低單位亮度單價的（日元/lm）的重要指標。不過，在白色LED被廣泛用于各種用途的今天，單憑發(fā)光效率已經(jīng)無法判斷是否能滿足產(chǎn)品廠商等白色LED用戶的要求了。今后，這種傾向將進一步增強。

在這種情況下，LED廠商在開發(fā)可實現(xiàn)200lm/W以上發(fā)光效率的技術的同時，還將加速開發(fā)白色LED的其他特點。下面來看一下白色LED開發(fā)方面的最新動向。

內部量子效率等尚有提高的空間

關于提高發(fā)光效率，認為藍色LED芯片和熒光材料尚有改進余地的LED廠商有很多（圖2（a））。

圖2：實現(xiàn)200lm/W以上發(fā)光效率的重點

今后，要想將發(fā)光效率提高到200lm/W以上，必須改善藍色LED芯片內的內部量子效率和熒光材料的波長轉換效率。（圖（b）由本站根據(jù)飛利浦流明的資料制作）

輸入到白色LED的電力轉換為光后輸出到外部的過程如下：①向藍色LED芯片輸入電力，發(fā)出藍光；②通過熒光材料將部分藍光的波長轉換為長波長的可見光；③藍光和進行過波長轉換的光混合后成為白色光輸出到封裝外部。要想提高發(fā)光效率，就必須減少各個環(huán)節(jié)中的能量損失。

每個環(huán)節(jié)需要以下技術：①降低電阻損失、在發(fā)光層改善電子產(chǎn)生光子的內部量子效率、提高將光子輸出到藍色LED芯片外的光提取效率；②改善波長轉換效率；③提高向封裝外輸出白光的光提取效率，等等。迄今為止各廠商已經(jīng)提出多種改進措施，并取得了顯著成果。

例如，電阻損失的指標——白色LED的正向電壓較原來大幅降低。照明用途常用的1W產(chǎn)品，其正向電壓以前接近4V，而現(xiàn)在已經(jīng)降至2.9～3V左右（圖3）。從藍色光的能量（2.75eV）來看，以前輸入功率的20～30％多會因電阻喪失，而現(xiàn)在只損失5％左右。光提取效率也大幅提高，其中最高的產(chǎn)品為70％左右，在研發(fā)水平達到了90％。

圖3：正向電壓基本在下限值

日亞化學工業(yè)面向照明用途供貨的輸入功率為1W的白色LED，其正向電壓近年來大幅降低。2011年的新產(chǎn)品為3V，已經(jīng)相當接近正向電壓的下限值（2.75V）。下限值與正向電壓的差會產(chǎn)生無助于發(fā)光的能量損失。

要想實現(xiàn)200lm/W以上的發(fā)光效率，在實施上述所有改進措施的基礎上，還需要整體提高①的內部量子效率和②的波長轉換效率。因為這二者的提高空間相對較大。比如，內部量子效率目前為50～70％的水平。美國飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）宣布，將實現(xiàn)使每枚LED芯片具備1000lm的高輸出以及高效率的白色LED，由此內部量子效率需要提高至80％以上（圖2（b））。

結晶品質和發(fā)光層構造存在改進余地

內部量子效率和波長轉換效率將會如何改善呢？內部量子效率方面，需要改進發(fā)光層材料——GaN系半導體外延結晶的結晶品質和發(fā)光層構造；波長轉換效率方面，需要改進熒光材料材料并開發(fā)新材料。這些舉措均從白色LED面世時起就一直在進行。

除此之外，還具有將GaN系結晶的結晶面由目前的極性面變?yōu)榉菢O性面，從而大幅提高內部量子效率的方法。該方法此前一直處于研發(fā)階段，不過最近已開始向實用階段邁進。例如，韓國首爾半導體（Seoul Semiconductor）計劃2011年底開始樣品供貨，三菱化學計劃最早在2012年實現(xiàn)實用化。首爾半導體表示，通過提高內部量子效率，有望將發(fā)光效率較現(xiàn)有產(chǎn)品提高40～70％。