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如何利用GaN氮化镓半导体提高白光LED的发光效率

媒介 :GaN(氮化镓)系蓝紫色发光组件可利用于新世代DVD,是以备受相关业者高度等候,此外使用LED高辉度、省能源的发光特点,蓝紫色发光组件未来还可取代传统的白炙灯、荧光灯,成为白光照明灯源的主流。氮化镓的格子缺陷很多却能够孕育发生高辉度,主要缘故原由是藉由奈米技巧节制组件布局,使得组件的发光效率得以前进,进而得到高辉度。是以本文要深入探究氮化镓发光的奥秘,与前进发光效率的措施。

白色发光二极管

使用GaN(氮化镓)系半导体的白色发光二极管,做为新世代固态照明灯源是历经无数的迁移改变,十年前包孕产官学研界险些不曾将半导体白色发光二极管纳入考量,虽然有很多钻研职员异常关心蓝光LED的成长,却都疏忽白光LED的利用潜能。

97年使用蓝光LED引发黄色荧光体(YAG;钇、铝、石榴石、铈的混杂物),再透过蓝色与黄色荧光体的互补特点,孕育发生二色式拟似白光的LED正式进入量产,加上行动电话的利用匆匆成白光LED周全性的遍及,使得白光LED成为举世性的钻研主流。

因为白光LED不需应用荧光灯常用的玻璃管、惰性气体、水银、变压器、升压器,以是可以大年夜幅节省能源,取代荧光灯与白炙灯除了可节省能源之外,废弃物的削减对地球环保也有莫大年夜的助益。

97年日本通产省根据京都环保会议的省能源对策决议,组成「21世纪光源计划小组」,并委托日亚化学与丰田合成进行技巧开拓,该计划小组将近紫外LED的外部量子效率(以下简称为取光效率)目标定为40%,当时蓝光LED的取光效率为15%,紫外LED的取光效率祇有7.5%,今朝紫外LED的取光效率则已经跨越31%,也是以使的高机能白光LED的量产诱因加倍踏实,而21世纪光源计划小组对举世白光LED的钻研开拓在前进取光效率的研发上扮演着更紧张的角色。

有关格子缺陷

有关LED的基础动作道理,详细而言是电流时钟偏向经由过程半导体p-n(正孔与电子)接合面时,正孔与电子会注入奈米级厚度的活性层(亦称为发光层),进而因辐射再结合历程(process)孕育发生发光征象。

使用混晶(亦称化合物为半导体)InGaN孕育发生高辉度蓝光或是绿光的LED虽然已经进入商品化,可是有关发光机制传统的半导体物性物理学理,却无法详细阐明因缘故原由而屡遭质疑。着实不论是LED或是半导体雷射LD等发光组件(device),平日都具有 以上的格子缺陷,格子缺陷会阻碍发光,形成所谓的「发光杀手中间」,着末导致发光效率低落等问题。

以GaN为根基的InGaN/GaN量子井QW型LED,含量109~1010/cm2 阁下高密度格子缺陷,按照传统理论,如斯高密度格子缺陷照理说不会发光,实际上InGaN/GaN系LED却能作高效率发光,换句话说InGaN系LED具有与以往LED相异的发光机制。 InxGa1-xN是由InN与GaN所构成的三维化合物半导体,GaN层属于近紫外LED活性层,是以得当应用光学评鉴要领钻研。如表1所示GaAs、ZnSe等常用的Ⅲ-Ⅴ(三五族)、Ⅱ-Ⅵ(二六族) 化合物半导体与GaN最大年夜差异点,是GaN氮化物半导体的纵光学(LO:Longitudinal Optical;以下简称为LO)与音子(phonon;格子波的量子)的能量(ħ ω =h/2π,h为膜厚plank常数)大年夜于92.5 ,是以电子与LO互相感化的能量( αe ħ也跟着变大年夜,两者互动值每每跨越44.2 (表1的 αe 为Frohlich结合常数,ω为音子的振动数),导致被引发的载子(carrier;电子与正孔)会与LO孕育发生强烈的互动,如图1所示被结晶格子捕获的电子变重(称为polaroon状态)形成自我束缚状,着末造成载子祇能在极短间隔内移动,而电子则成为自由电子般的漂流。

另一方面正孔也形成polaroon自我束缚状,加上In原子与Ga原子的电气阴性度的差,尤其是In原子周围短间隔型电位(potenTIal),有可能孕育发生强大年夜的正孔捕捉。类似上述的电子与正孔的挶限化,会在奈米以下的原子大年夜小范围内孕育发生,这种征象可视为InGaN化合物半导体的固有性子,换句话说注入发光组件活性层的载子,因为上述的捕捉效应被空间性的挶限,到达「发光杀手(killer)中间」的比率则相对的偏低,以是纵然InGaN/GaN等化合物半导体具有大年夜量的转位格子缺陷,仍然可作高效率的发光。

除了以上先容的模式之外,会发光的来由是由于In特异性子孕育发生下列两种模式: 

1.GaN活性层的In组成不均,使得黏着电位(coherent potenTIal)动摇,造成引发子孕育发生挶限征象。

2.存于InGaN活性层异常微细的In高浓度领域(亦即量子点) 引发子孕育发生挶限征象。

上述此中的任一种模式的引发子挶限征象赋与高效率发光特点,乃是很知识性的设法主见。不过第1.项模式却无法阐明发光与引发频谱所孕育发生的storks shift,以及它的温度依存性发生缘故原由,也便是说1.与2.的模式祇能解释发光征象是挶限引发子所造成的。

低落格子缺陷前进效率

是具备InGaN/GaN系量子井布局之LED发光波长与外部量子效率(亦即取光效率)的变更特点,图中的r、£、◆符号分手这天亚化学与Cree,以及21世纪光源计划小组的正式申报数据。由图可知发光波长愈短活性层的In含有量就有愈少的倾向,此时应该是外部量子效率的最大年夜值,它的波长依推想约在400nm阁下。

2001年1月21世纪光源计划小组杀青31%外部量子效率(发光波长为399~400nm,动作前提:3.4V,200mA),它是今朝举世最高的外部取光效率。接着要先容有关若何完成当初设定的发光波长400nm,外部量子效率40%目标的高效率LED发光布局。如上所述电子与正孔因固有挶限效应被结晶格子捕获,在此状态下的载子(carrier)若欲发挥最大年夜的挶限效应,势必彻底削减格子缺陷密度,同时还需节制In组成的摇摆与污蔑,也便是说逝世力节制发光process,并藉由电子与正孔的再结合历程,才是根本提杀青LED高效率发光的根本措施。

基于发光机制的考量,21世纪光源计划小组试作图3所示之高功率近紫外LED,详细而言它是在已加工的蓝宝石(sapphire)基板,使用LEPS法(Lateral Epitaxy on a Patterned sapphire Substrate)使活性层的格子缺陷密度低落至108/cm2 阁下,之后再用双稳态芯片(flip chip)要领固定于Si mount基板,在382nm波长,20mA时,外部量子效率为24%;400nm波长,20mA时外部量子效率为31%,假如应用散热器(heat sink)时,1mm平方的芯片可承载400mA的电流,同时还可以获140mW的发光功率。

单芯片的优点

为得到完美高演色性 (Ra≧85;Ra为匀称演色评鉴数),基础上白光LED可分为如表2所示的单芯片型(single chip)与多芯片型(mulTI chip)两种措施。

一种是同时点亮血色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)LED孕育发生白光;另一种是使用蓝光或是紫外光LED作为引发光源,引发荧光体得到白光。除此之外,单芯片型最新技巧动向是改变活性层的性子,使用纯真的半导体孕育发生RGB三色光,进而得到白光效果。

多芯片型要领碍于各颜色LED的驱动电压、发光功率、配光特点的差异,以及温度特点、组件寿命的相违,是以间隔实用化还存有许多问题有待办理。单芯片型由于组件种类纯真,是以具有驱动电路设计轻易等优点。有关近紫外LED引发RGB三色荧光体,详细措施是使用RGB三色荧光体的波长与近紫外差异很小的特点,得到高效率的发光。图3(b)的flip chip布局上平均涂布RGB三色荧光体,便可变成白光LED,此外不合种类荧光体的组合,可孕育发生各类颜色的毫光,以是近紫外LED可广泛利用于照明与显示领域。

组件的配列

因为单体LED的光束很微弱,照明用途必需将复数个LED作系统最佳化的配列。图4这天亚BY白光LED、21世纪光源计划小组的RGB白光LED,以及山口大年夜学OYGB白光LED的室温发光频谱、发光效率、色温、匀称演色评鉴数Ra等照明光源必备的光学特点对照。

由日亚的BY白光LED与山口大年夜学的OYGB白光LED,20mA发光频谱可知,血色成份很弱是以无法得到高演色Ra值。山口大年夜学的OYGB白光LED的O表示橘色(orangr),Y表示黄色(yellow),G表示绿色(green),B表示蓝色(blue),如斯的设计主要目的是要补强OY荧光体宽广发光领域的血色成份,之后再与GB混色得到白光,荧光体最佳引发波长为400nm,纵然引发波长在370~410nm之间更改,仍旧可保持必然程度的发光强度,此外色温会跟着OYGB的混杂比率,从3000~6500K涵盖极广的范围,同时还可以获得Ra大年夜于93的高演色性,这些测试结果显示OYGB白光LED具备优越的光学特点。图5的xy色度图是表示发光色对注入电流依存特点。由图可知顺向电流从0.5mA至50mA变更时,日亚的色度变更是三种LED之中最大年夜,大年夜约是21世纪光源计划小组的二倍阁下。该色度变更最大年夜特性是跟着注入电流的增添,从黑体轨迹(实线曲线)偏离所显示的误差亦跟着增大年夜,且色温变更高达3000K,造成这种征象主如果引发光本身形成白光成份所造成的。此外误差在未被视为有色彩光的白光领域内也有变更,不过因为跟着注入电流的增添,误差亦跟着增大年夜等征象不雅之,彷佛不轻易得到发光色很安定的白光。

有关21世纪光源计划小组的白光LED色度变更,因为它的色度变更是沿着等误差线变更,是以一样平常觉得可藉由RGB荧光体的混杂比抑制误差的变更量。山口大年夜学的白光LED色度变更,跟着注入电流的增添,色度变更与白光误差都很小,是以可以得到发光色很安定的白光。着末是有关发光效率,日亚的BY白光LED发光效率是三者中最高,注入电流的的依存性也是最好的。

结语

今朝已做生意品化的BY白光LED是使用补色关系的拟似白光,是以无法得到高演色性(Ra>85),高电流时会孕育发生色度误差、温度特点恶化等问题,未来作为照明用白光灯源时必须加以办理才可。因为照明用LED必需是高演色性、均一照度的白光,基此不雅点近紫外、紫外LED与多色发光荧光体组合,形成类似荧光灯发光特点的白光光源,将成为未来照明用LED的主流。

滥觞;国际led网

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