av4机床

效率芯片白色LED照亮日本:发光效率达到极限了么?

  为实现200lm/W以上的发光效率,白色LED正不断进行改进。不过,白色LED所必需具备的特性已经不仅仅是发光效率了。在白色LED普及的过程中,温度稳定性及显色指数等能够拉开差异的因素越来越多。

  发光效率正以年均15%的速度稳步提高,很快就会达到200lm/W……白色LED发光效率的提高会持续到何时,又会达到何种程度呢?

  实际上,研发水平上的发光效率已经几近极限(图1)。有观点认为,组合使用能够获得最高发光效率的蓝色LED和黄色荧光材料等的白色LED,其极限是260lm/W左右。而目前在研发水平上已经超过200lm/W,增长空间所剩无几。“毫无疑问,通过技术创新来提高效率的速度将越来越缓慢”(欧司朗日本)。很多相关人士认为,2020年之前,白色LED的发光效率将达到顶点。不过,数年后,白色LED产品的发光效率仍是证明LED厂商实力所不可或缺的指标。因为,现有产品的发光效率与极限值相比,还有近两倍的差距。

  

图1:即将达到极限

  白色LED的发光效率极限被认为是在260lm/W左右。(图由本站根据DOE的资料“Solid-State Lighting Research and Development:Multi Year Program Plan March 2011”制作)

  需要注意的是,在白色LED的用途不断扩大的同时,“发光效率至上主义”的状况正在逐渐瓦解。发光效率的高低体现了能源使用效率的高低,同时还是降低单位亮度单价的(日元/lm)的重要指标。不过,在白色LED被广泛用于各种用途的今天,单凭发光效率已经无法判断是否能满足产品厂商等白色LED用户的要求了。今后,这种倾向将进一步增强。

  在这种情况下,LED厂商在开发可实现200lm/W以上发光效率的技术的同时,还将加速开发白色LED的其他特点。下面来看一下白色LED开发方面的最新动向。

  内部量子效率等尚有提高的空间

  关于提高发光效率,认为蓝色LED芯片和荧光材料尚有改进余地的LED厂商有很多(图2(a))。

  

图2:实现200lm/W以上发光效率的重点

  今后,要想将发光效率提高到200lm/W以上,必须改善蓝色LED芯片内的内部量子效率和荧光材料的波长转换效率。(图(b)由本站根据飞利浦流明的资料制作)

  输入到白色LED的电力转换为光后输出到外部的过程如下:①向蓝色LED芯片输入电力,发出蓝光;②通过荧光材料将部分蓝光的波长转换为长波长的可见光;③蓝光和进行过波长转换的光混合后成为白色光输出到封装外部。要想提高发光效率,就必须减少各个环节中的能量损失。

  每个环节需要以下技术:①降低电阻损失、在发光层改善电子产生光子的内部量子效率、提高将光子输出到蓝色LED芯片外的光提取效率;②改善波长转换效率;③提高向封装外输出白光的光提取效率,等等。迄今为止各厂商已经提出多种改进措施,并取得了显著成果。

  例如,电阻损失的指标——白色LED的正向电压较原来大幅降低。照明用途常用的1W产品,其正向电压以前接近4V,而现在已经降至2.9~3V左右(图3)。从蓝色光的能量(2.75eV)来看,以前输入功率的20~30%多会因电阻丧失,而现在只损失5%左右。光提取效率也大幅提高,其中最高的产品为70%左右,在研发水平达到了90%。

  

图3:正向电压基本在下限值

  日亚化学工业面向照明用途供货的输入功率为1W的白色LED,其正向电压近年来大幅降低。2011年的新产品为3V,已经相当接近正向电压的下限值(2.75V)。下限值与正向电压的差会产生无助于发光的能量损失。

  要想实现200lm/W以上的发光效率,在实施上述所有改进措施的基础上,还需要整体提高①的内部量子效率和②的波长转换效率。因为这二者的提高空间相对较大。比如,内部量子效率目前为50~70%的水平。美国飞利浦流明(Philips Lumileds Lighting)宣布,将实现使每枚LED芯片具备1000lm的高输出以及高效率的白色LED,由此内部量子效率需要提高至80%以上(图2(b))。

  结晶品质和发光层构造存在改进余地

  内部量子效率和波长转换效率将会如何改善呢?内部量子效率方面,需要改进发光层材料——GaN系半导体外延结晶的结晶品质和发光层构造;波长转换效率方面,需要改进荧光材料材料并开发新材料。这些举措均从白色LED面世时起就一直在进行。

  除此之外,还具有将GaN系结晶的结晶面由目前的极性面变为非极性面,从而大幅提高内部量子效率的方法。该方法此前一直处于研发阶段,不过最近已开始向实用阶段迈进。例如,韩国首尔半导体(Seoul Semiconductor)计划2011年底开始样品供货,三菱化学计划最早在2012年实现实用化。首尔半导体表示,通过提高内部量子效率,有望将发光效率较现有产品提高40~70%。

  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4)。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4: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5)。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5: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6)。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6: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7)。

  

图7: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8)。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8: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。

0.2804958820343 s