超高效率照明技术之四色LED的应用

　　白光LEDs的效率正以飞快的速度上升中，在2004年，工程师引以为傲被问到350mA时的功率几乎是60 lm/W， 但在今天的研究记录则超过130 lm/W。

　　这样照明效率几乎是省电灯泡（compact fluorescents）的两倍，而且比日光灯（incandescent）效能高上10倍之多的白光LED已被定位成一般的照明应用。然而，进一步改善可以强化固态照明设备的效能，同时能实际节省能源及减少照明费用。

　　不幸地，传统白光LED所剩的效能改善空间正在缩小中，经由下转换式（down-converting）磷光体将晶片上的蓝光或紫外光转换成黄光的过程会浪费能量并且局限元件的效能。举例来说，Nichia估算以蓝光激发磷光体之最大理论功率为263 lm/W，但只有203 lm/W等值的紫外光来源。

　　根据Jeffrey Tsao以及在Sandia国家实验室的同仁的说法，藉由改变LED基本的架构可以达到更高的功率。该团队已显示出藉由颜色混合的方式小心选取四个不同发光波长的LEDs，在演色性指数（color rendering index；CRI）为90时的理论功率可以超过400 lm/W at，Tsao说道CRI值在90是最好的，而且可以满足所有实质的白光应用。

　　起初乍看之下，所有的元件效能似乎非常令人鼓舞，但Tsao明白指出，要达到这个效能目标是没有捷迳的，在开始的研究中，元件要得到近乎理论的功率需要几乎100%的光电转换效能。虽然已经可以制作出80%效率的红外线雷射，Tsao选择了530 nm及573 nm两个落在相对较差效能范围的波长，就是所谓的”绿光能隙”（green gap），最佳的LEDs在这个光谱范围是无法展现最佳的效率（参见图一）。

　　显然实质改善绿光能隙（green-gap）LED效能是必要的，而朝向这个目标的第一步包括明确的建立阻碍元件输出的原因认知，这个问题在科学界间是个争议性的热门话题，而Tsao推测各种类型的缺陷皆可能扮演着某一种角色。

　　这些架构在InGaN/GaN磊晶层（epilayers）的元件（以及它们的蓝光系列元件）被做在异质（foreign）基板（例如蓝宝石（sapphire）和SiC基板），而这些基板会产生应力（strain）和高度贯穿式差排（Threading Dislocation； TD）密度，而典型的TD密度范围介於5 × 108到5 × 109 cm–2之间。姑且不论这些高缺陷密度，InGaN LEDs可以产生的外部量子效率仍可达70%，然而有些证据推测这些缺陷仍旧会限制量子效能：阴极射线发光（cathodoluminescence）的研究已揭露出贯穿式差排结构（TDs）是不会放光的，当所有计算都指出螺旋错位（screw dislocations）会诱导应力场（strain fields） 而局限其中一种载体，并且限制它们以幅射的方式（radiative）再结合。

　　除此之外，点状缺陷（例如镓和氮空缺及碳和氧不纯物）会扮演着非放光再结合中心，GaN正子消散（positron annihilation）的研究中显示已知的缺陷与镓空缺结合会限制光激发发光效率。在更低的长膜温度条件下的点状缺陷变得更普遍（这是高浓度的铟（indium）成份制作绿色及黄色LED所需要的制程环境），在较长的发光波长下，这些缺限会降低LED的效率。

　　绿光及黄光LED效率也受到本身极化场（intrinsic polarization fields）所冲击， 而这个效应会随着更高的铟原子浓度而变得更强，浓度极化作用（polarization）可以帮助发光位置产生红位移（red-shift）， 但是这个好处在更高的驱动电流下会被内部电场载体诱导屏蔽（carrier-induced screening）所抵消，这意味着发光波长会随着温度而变化，这是色彩混合方法最主要的障碍。