大功率LED的发展进程

高效LED是令人印象深刻的设备。许多领先的半导体公司销售经过验证的商用设备，其功效超过100流明/瓦，寿命超过50，000小时。

然而，虽然现代产品表现良好，但基于氮化铟镓（InGaN）的白光LED（目前生产的最常见类型）的理论效能极限约为250流明/瓦，因此仍有很大的改进空间。诸如载流子注入，内部量子和光提取效率等因素正受到为领先的LED公司工作的学者和研究人员的严格审查。

本文回顾了迄今为止这些科学家和工程师所取得的进展，并着眼于我们接下来可能会看到哪些改进。

绿色凭证LED被誉为环保照明的未来。他们的一些绿色证书来自可持续制造技术和可回收材料的使用，但与传统照明光源相比，地球的主要优势在于节能LED。

虽然有几种从LED生产白光的技术，但大多数现代商业设备结合了InGaN LED，产生光谱的蓝色部分的光，以及基于钇铝石榴石（YAG）的磷光体。磷光体吸收来自LED的一些蓝光，然后在宽范围的波长上重新发射它，包括一些绿色和红色，以及大量的黄色。来自LED的蓝光和来自荧光粉的颜色范围的组合看起来是白色的”）。本文的其余部分将仅限于考虑此类白光LED。

目前的商用设备具有70至120 lm/W的功效。这比即将淘汰的白炽灯泡（10到18流明/瓦）要好得多，比紧凑型荧光灯（CFL）（35到60流明/瓦）好一点，与之相当荧光灯管（80到100 lm/W）。

这种功效对一个国家的功耗有很大影响。根据Nature Photonics的一篇文章， 2 美国约22％的电力用于照明应用。文章指出，如果世界上所有传统的白光光源都转换为LED，那么每年的耗电量可以减少大约1000 TWh，相当于大约230个典型的500 MW煤电厂，大约减少温室气体的排放量2亿吨。

虽然LED在效率改进方面遵循指数曲线（图1），但它们作为一种技术仍然处于起步阶段。根据最近的分析，“完美工程白光”（一个5800 K黑体，在400和700 nm之间的可见光谱波长发射所有光子）的光输出上限为250 lm/W. sup style =“font-size：8px;”》

图1：白光源发光效率的历史发展。

这为LED制造商提供了充足的空间来改善他们的产品。那么可以做些什么来使今天最好的白光LED的功效翻倍？

提高效率的四个步骤

科学家已经确定了三个不同的因素，它们共同决定了一种被称为白光LED外部量子效率（EQE）的特性。这个无量纲数字定义了器件将电子转换成实际从芯片中逃逸并有助于发光的光子的效率 - 这是器件存在的原因。

EQE（ηext）定义为：

其中ηinj是载流子注入效率，ηint是内部量子效率，ηextraction是光子提取效率。

让我们依次仔细研究这些因素。

为了进行载流子空穴复合，必须将通过LED的电子注入有源区。该操作的效率（载流子注入效率）定义为通过器件实际进入有源区的电子的比例。

内部量子效率（IQE）是有源区域中重组辐射（即产生光子）的重组数量的量度。请注意，许多重组都是非辐射性的，产生“声子” - 晶格的振动 - 加热芯片并且不产生光。

一旦光子产生，它们就必须从模具中逃脱，以便有助于发光。提取效率测量实际从设备中逸出的活动区域中产生的光子的比例。

在考虑使用磷光体增加光子波长的白光LED的EQE时，必须考虑第四个因素。蓝色LED，使它们看起来是白色的 - 这就是转换效率。转换效率是发射的较长波长光子与较短波长吸收光子之比的量度。

（请注意，还有另一个限制现代LED功效的特性，称为“电流下垂”.LED在极低的正向电流和电压下工作效果最佳;当电流增加时，LED会亮，但令人沮丧的是，当前下垂背后的现象知之甚少，但被认为是由于一种称为直接俄歇重组的过程。这涉及电子和空穴复合而不是发射光子，将所得能量转移到第三载体。由于该过程涉及三个载波，因此在较高电流常见的高载波密度下问题会变得更糟。

利用非极地地区

LED制造商将他们的研发工作重点放在促成EQE的所有四个因素上，但他们的努力成果对于som来说更为成功比其他人。

例如，IQE取得了重大进展。今天最好的商用白光LED的IQE介于75％和80％之间。进一步的改进依赖于消除所谓的非辐射复合中心。这些通常在制造过程期间在体半导体中产生的管芯中形成微裂纹（或“穿透位错”），并随着管芯老化和裂缝的增长而随时间增加。

提出减少非辐射复合中心数量的一个解决方案是在非极性或半极性晶体中生长半导体方向。这减少了穿透位错的数量并因此减少了非辐射复合中心的数量。

首尔光电设备公司是LED制造商首尔半导体的子公司，最近刚刚制造了这种材料的专利申请。 4 图图2示出了使用该技术的LED结构的示意图。该方法的缺点是在批量生产中使用是困难的，因此是昂贵的。然而，该公司最近宣布已发布基于非极性技术的“nPola”LED商业样品。

图2：基于非极性或半极性蓝宝石衬底的LED具有更高的内部量子效率。

比IQE的数字更令人印象深刻的是提取效率的数字。提高提取效率的主要障碍是空气和InGaN管芯之间的折射率差异很大，这导致超过90％的发射光子被内部反射回半导体并重新吸收。

一种解决方案是增加以近乎垂直的角度撞击LED-空气界面的光子量（例如，通过表面粗糙化技术在表面上产生微尺度锥体，改变LED的外部形状和图案化蓝宝石衬底）。根据在伦斯勒理工学院进行的实验，上表面粗糙化可以将发光效率从10％以下提高到20％以上。

另一种在高亮度LED制造商中普及的技术是用一种折射率接近半导体的材料封装LED。这可以在器件封装期间完成，并且比成型模具便宜得多。半导体和密封剂的折射率的更接近的匹配意味着光子可以以更高的入射角撞击边界并且仍然被发射而不是被反射回来。

载体注入效率是研究人员发现难以取得进展的另一个领域。适当掺杂的n型和p型半导体以及偏置电压确保有足够的电子（和空穴）供应用于复合，但确保它们最终都在有源区域中完全是另一个问题。许多空穴和电子在芯片的非有源区域中重新组合，仅产生热量。

现代设备使用一些技巧将不情愿的电荷载体“捕获”到活动区域，然后，当它们在那里时，“鼓励”它们重新组合并产生光子。这些改进中的第一个是电子阻挡层（EBL），其位于p型包层和有源层之间，并且一旦它们使电子区域远离，就防止电子从有源区域迁移出去。另外，形成EBL的材料必须适当地掺杂，使得它不会阻止空穴自由迁移到有源区中。

第二个增强是将“量子阱”引入有源区。这些结构是非常薄（1至20nm）的半导体层，其带隙略低于周围的块状材料。由于复杂的量子力学原因，井“吸引”然后“陷阱”电荷载流子增加了辐射重组的可能性。 6 图3显示了能带隙（价带到导带）示意图显示具有多量子阱（MQW）的EBL和有源区。

图3：LED的能带隙图，显示载流子注入效率提升电子阻挡层和有源区中的多个量子阱。

提高载流子注入效率的另一项新提议是“LET”或发光三极管。 7 该器件取代传统的单阳极LED带两个阳极。图4（b）显示了这种安排。

图4：建议用两个阳极代替传统LED的阳极以形成发光三极管，作为提高载流子注入效率的一种方法。

在这种装置中，电流从一个阳极横向流向另一个阳极，加速孔并为它们提供更多能量。这种额外的能量增加了空穴注入有源层的可能性，在那里它们可以辐射地重新组合。

驯服光子

在改善影响LED EQE的因素方面取得了重大进展。但商业白光LED的另一个基本要素是什么，荧光粉会改变从LED发出的一些光子的波长，使得整体发出的光看起来是白色的？

尽管今天商用设备中使用的YAG荧光粉是高度发达的，但斯托克斯位移现象存在一些固有的低效率，这些现象会改变入射光子从荧光粉中重新发射时的波长。这些低效率将来自原始光子的光能交换为热量，从而降低了对光度的贡献。

但这远不是LED制造商面临的最大问题;主要的挑战是从荧光体发射的大多数光子返回到芯片而不是从LED向外传播，从而大大降低了器件的效率。伦斯勒理工学院研究小组最近的研究发现，大约60％的光从荧光粉层向内反射。

一个提议的解决方案一种透明的“单片”荧光粉，可消除困扰传统“粉末”荧光粉的光子散射粒子界面。另一种技术是在LED管芯和磷光体层之间添加选择性地反射滤光器的多层薄膜，允许来自LED的蓝光通过，同时将来自磷光体的黄色向内发射反射回封装。另一个减少光子反向散射的建议是将荧光粉“远程”定位在远离LED的位置。在传统的白色LED中，封装环氧树脂均匀地包含磷光体。这种布置限制了可以从封装中逸出的光子的数量，因为很有可能许多光子会被发射回封装并被吸收。在改进的器件中，磷光体位于器件顶部的层中，并且管芯被再成形以提取大部分反向传输的光。图5说明了这个概念。 9 发明人声称与传统LED相比，改进后的器件的功效提高了约50％。

图5：远程定位的磷光体层和改进的封装通过允许散射的光子逃逸来提高功效。

今天的实验室，明天商业化

LED技术发展的步伐令人惊讶。实验室的发展可能比任何其他技术都更快地投入生产，因为LED制造商试图在新形式的主流照明中占据更大的市场份额。

虽然本文讨论的几个开发项目尚未纳入商用芯片，但最新一代产品中有一些，如多量子阱，成型芯片和接近芯片折射率的密封剂。现成的白色LED。

具有芯片架构和荧光粉增强功能的新器件即将推出。例如，Cree刚刚宣布了一款基于碳化硅技术的170 lm/W原型LED“灯泡”。目前，该公司的顶级商用产品是124-lm/W XLamp XP-G2。

就其本身而言，今年早些时候，欧司朗发布了最新一代的OSLON SSL，该公司称其功效比之前的版本提高了25％。这些器件可以产生高达111 lm/W的功率（图6）。

图6：欧司朗最新一代OSLON SSL LED的效率比以前的版本高出25％。

如果保持这些公司和其他领先的LED制造商目前的进展速度，白色LED的理论最大功效250 lm/W将在十年之前达到。