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揭秘如何提高绿光LED能效

点击数:75092017-10-04 00:30:05

众所都知,绿光LED的性能水平达不到同等红光和蓝光led。但可以通过降低电流密度、使用一个更大的芯片以及优化生长条件来减少黑点,能够尽可能缩小在100mA驱动电流条件下,达到190lm/W的LED之间的距离。欧司朗的Andreas L?ffler和Michael Binder如是说。

LED灯泡最大的诟病仅次于价格的是不理想的颜色。这个缺点是由制作白光LED的过程中产生的:GaN基蓝光芯片激发黄色荧光粉,混合这两种颜色产生白光。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—也是固态投影显示的一种方法—即以红、绿、蓝为材质的LED,混合而产生白光。这种方法的优点是不会局限于更高的显色指数,同时也可以达到更高的光效和灵活的控制色彩。

用混合颜色的方式产生高能效的系统,必须采用高效光源。蓝光和红光LED的性能已经很显著,近期的技术改进,促使峰值功率转换效率超过81%和70%,但是绿光LED的性能却远远落后。这种以GaN为主的LED效力不高的现象被称为“绿光缺口”

绿光波长波段

提高绿光LED的效率面临很大挑战,因为无法利用理想成熟的材料系统。用来创造高效蓝光LED的III-N 系列,在波长更长的情况下效率会变低,而在红光的波段范围内效率很高的III族磷化物也面临一样的苦恼;延伸这一类LED的光发射更短的波长,效率会降低,简而言之,材料系统在黄绿色谱范围里效率很低。

欧司朗独家揭秘如何提高绿光LED能效问题

图一:在不同的波长下,III族氮化物(绿色数据点)和III族磷化物LED(红光数据点)的发光效率。蓝线代表国际照明委员会(CIE)1924年的光度函数乘以电光转换效率(WPE)相应的值。用黄颜色标注的是黄绿范围,既没有被II族氮化物也没被III族磷化物充分覆盖。这就是绿色缺口问题的本质。

对于III族磷化物而言,发射光到绿色波段成为了材料系统的基础障碍。改变AlInGaP的成分让它发绿光,而不是红光、橙色或者黄色—造成载波限制不充分,是由于材料系统相对低的能隙,排除有效的辐射复合。

相比之下,III族氮化物要达到高效难度更大,但困难并不是无法逾越的。用这个系统,将光延伸到绿光波段,会造成效率降低的两个因素是:外部量子效率和电效率的下降。

外部量子效率下降来源于绿光LED需要采用高正向电压。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,但应用于此类LED的电压会更高。更高的驱动电压使得电源转换率下降。第二个缺点是绿光LED随注入电流密度增大而下降, 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效率更低。

欧司朗独家揭秘如何提高绿光LED能效问题

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

droop效应的成因在氮化物行业中引起了激烈的讨论。因为造成droop效应的损失率在电致发光和光致发光刺激下对电荷载体密度有着立方依赖,大部分猜测都指向俄歇复合是droop效应的成因。

然而,造成droop效应成因猜测很多,不仅仅只有俄歇复合这一种---其中包括了错位、载体溢出或者电子泄漏。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,一直在稳定地提高绿光LED的发光效率。2008年,在Matthias Peter的带领下,同事报道了1 mm2,527nmThinGaN基芯片在350mA电流条件下,光通量为100lm. 发光效率等于73lm/W. 两年后,采用Golden Dragon Plus封装的优化1 mm2芯片,可将发光效力提升到100 lm/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。

近来,我们使绿光LED的性能再次更上一层楼。基于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,这样做可能会有更高的效能。5 μm厚的硅掺杂缓冲层巩固作用区域,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接触层所覆盖。

我们对比这个结构和由生产线上取下的装置,发现它们的作用区所产生的光致发光(见图3)。通过大容量装置,光致发光显微图发现了强度上的不均匀,有黑点图案的出现。黑点的密度相当于六角晶体缺陷(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。已有一些研究支持这个观点,证实点对点的相关性。

图3:(a)是从生产线取来器件的光致发光的微型图,(b)是研究样品的光致发光的微型图。为了更好的对比,图片的低处部分只用灰色显示。

根据光致发光的微型图可以看到,在作用区域降低生长率能够大幅度提高量子阱材料的质量,黑点的密度,结果与生产线上的样品相似,受影响的范围却更小。所以增加了明亮区域的比例,就会得到更多均匀的发光图案像。

通过提高材料质量来增强内部量子效率和传送能力,从而使得LED发挥更佳的性能。 近期用Dragon封装形式制作的球面透镜封装的样品,在350mA的电流驱动下,光通量达到114lm,发光效率为100 lm/W(见图4)。通过对比,在相同的驱动电流条件下,生产线上的器件光通量仅为108ml. 如果去除对光贡献不高的量子阱,效果会更好。在这个例子中,调整量子阱的数量,从7个减少到5个,以此提高载体运输能力。通过调整,532 nm 1 mm2 ThinGaN 芯片在350mA电流驱动下,光通量为134lm,发光效率为108 lm/W.

欧司朗独家揭秘如何提高绿光LED能效问题

图4:Dragon封装1mm2 ThinGaN芯片的电光参数:生产线的装置(蓝线),提高传送能力的装置(黑线),优化外延结构的装置(橙线)。

提高绿光LED的关键措施是通过降低载体浓度来应对droop效应。可以使用更大的芯片,或增加发光的量子阱数量。从图4的效率曲线可以预估,通过降低电流密度,效率可增加25%或60%。

采取这个方法,增加芯片尺寸到2 mm2。为绿光LED提高输出功率,在350mA的电流条件下,光通量为150lm,发光效率是135lm/W--而1 mm2的芯片发光效率仅是108 lm/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248 lm和480mW;增大电流到1A,光输出达到313 lm和620mW,峰值波长变成529nm.后面的数据,相比,在50 A cm-2的电流密度下,光通量超过310 lm (600 mW)等值,这是基于红、绿、蓝LED的高性能投影系统的促成技术。光转换效率在驱动电源很低的情况下尤为显著。在100mA条件下超过190 lm,低于2mA条件下,超过300lm.

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图5,提高了载子传送能力、优化外延结构的OSLON 封装的2 mm2ThinGaN芯片的电光特性

激发荧光粉

制作绿色LED的另一种方法是用蓝光LED加绿色荧光粉。这种激发方法有着截然不同的绿光发射特点:使用LuAG荧光粉的陶瓷板,激发的光的是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,中心波长为557nm, 半峰宽(FWHM)为99nm.(见图6)

更宽的发光剖面是有利也有弊。它本身提供的显色指数高,适合于一般照明。但较窄的发光适合于投影应用等。例如,自然绿光LED具有较小的光谱带宽,能够避免串扰,提高系统效率。如果自然绿光LED能够用于投影,相比转换的绿光解决方案,自然绿光LED可以覆盖更宽的颜色范围。

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图6:采取不同方法的绿光LED光谱。由荧光粉产生的光射比由自然绿光:InGaN基LED产生的光射更广。

然而,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问题。虽然由于斯托克斯位移产生的损耗是不可避免的,用蓝光芯片激发荧光粉将产生更高的效率,因为droop效应在较短波长段影响不大(见图8)。由于蓝光LED的内部电场不强,电损耗较低,我们以1mm2 ThinGaN芯片为例,比较这两种不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,没有转换损耗,发光效率在1 mA电流条件下达到291 lm/W 。然而当电流密度增加,光效下降很快,在350 mA电流下,光效是108 lm/W,在1 A条件下,光效是66 lm/W。蓝光LED正好相反,随着电流密度的增加,效率也相应提升。在20mA电流下,转换效率达到最高值。在350mA电流驱动下,蓝光LED和绿色荧光粉结合物,光通量为194lm,光效为191 lm/W,在1A电流条件下,光通量是462 lm,光效是145 lm/W。

欧司朗独家揭秘如何提高绿光LED能效问题

【图七】根据CIE 1931色彩空间色度图,对比红绿蓝混合方案,与由荧光粉转变而来的绿光法,或直接绿光InGaN基,自然绿光InGaN基对比由荧光粉转变方案,发现发射光谱越窄的器件,越适合投影应用。

提高自然绿光LED性能的途径有多种: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;也可以通过提高材料质量来提高内部量子效率;还可以优化芯片设计和尺寸来增加作用区域。但以我们的观点,优化外延生长过程的方法最具潜力,因为可以降低正向电压和提高载子传送能力。

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图8:两种产生绿光的不同方法的光通量和发光效率。绿光InGaN/GaN LED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效率和光通量都很高。

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