高效LED是令人印象深刻的設(shè)備。許多領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司銷售經(jīng)過驗(yàn)證的商用設(shè)備，其功效超過100流明/瓦，壽命超過50，000小時(shí)。

然而，雖然現(xiàn)代產(chǎn)品表現(xiàn)良好，但基于氮化銦鎵（InGaN）的白光LED（目前生產(chǎn)的最常見類型）的理論效能極限約為250流明/瓦，因此仍有很大的改進(jìn)空間。諸如載流子注入，內(nèi)部量子和光提取效率等因素正受到為領(lǐng)先的LED公司工作的學(xué)者和研究人員的嚴(yán)格審查。

本文回顧了迄今為止這些科學(xué)家和工程師所取得的進(jìn)展，并著眼于我們接下來可能會(huì)看到哪些改進(jìn)。

綠色憑證LED被譽(yù)為環(huán)保照明的未來。他們的一些綠色證書來自可持續(xù)制造技術(shù)和可回收材料的使用，但與傳統(tǒng)照明光源相比，地球的主要優(yōu)勢在于節(jié)能LED。

雖然有幾種從LED生產(chǎn)白光的技術(shù)，但大多數(shù)現(xiàn)代商業(yè)設(shè)備結(jié)合了InGaN LED，產(chǎn)生光譜的藍(lán)色部分的光，以及基于釔鋁石榴石（YAG）的磷光體。磷光體吸收來自LED的一些藍(lán)光，然后在寬范圍的波長上重新發(fā)射它，包括一些綠色和紅色，以及大量的黃色。來自LED的藍(lán)光和來自熒光粉的顏色范圍的組合看起來是白色的”）。本文的其余部分將僅限于考慮此類白光LED。

目前的商用設(shè)備具有70至120 lm/W的功效。這比即將淘汰的白熾燈泡（10到18流明/瓦）要好得多，比緊湊型熒光燈（CFL）（35到60流明/瓦）好一點(diǎn)，與之相當(dāng)熒光燈管（80到100 lm/W）。

這種功效對一個(gè)國家的功耗有很大影響。根據(jù)Nature Photonics的一篇文章， 2 美國約22％的電力用于照明應(yīng)用。文章指出，如果世界上所有傳統(tǒng)的白光光源都轉(zhuǎn)換為LED，那么每年的耗電量可以減少大約1000 TWh，相當(dāng)于大約230個(gè)典型的500 MW煤電廠，大約減少溫室氣體的排放量2億噸。

雖然LED在效率改進(jìn)方面遵循指數(shù)曲線（圖1），但它們作為一種技術(shù)仍然處于起步階段。根據(jù)最近的分析，“完美工程白光”（一個(gè)5800 K黑體，在400和700 nm之間的可見光譜波長發(fā)射所有光子）的光輸出上限為250 lm/W. sup style =“font-size：8px;”》

圖1：白光源發(fā)光效率的歷史發(fā)展。

這為LED制造商提供了充足的空間來改善他們的產(chǎn)品。那么可以做些什么來使今天最好的白光LED的功效翻倍？

提高效率的四個(gè)步驟

科學(xué)家已經(jīng)確定了三個(gè)不同的因素，它們共同決定了一種被稱為白光LED外部量子效率（EQE）的特性。這個(gè)無量綱數(shù)字定義了器件將電子轉(zhuǎn)換成實(shí)際從芯片中逃逸并有助于發(fā)光的光子的效率 - 這是器件存在的原因。

EQE（ηext）定義為：

其中ηinj是載流子注入效率，ηint是內(nèi)部量子效率，ηextraction是光子提取效率。

讓我們依次仔細(xì)研究這些因素。

為了進(jìn)行載流子空穴復(fù)合，必須將通過LED的電子注入有源區(qū)。該操作的效率（載流子注入效率）定義為通過器件實(shí)際進(jìn)入有源區(qū)的電子的比例。

內(nèi)部量子效率（IQE）是有源區(qū)域中重組輻射（即產(chǎn)生光子）的重組數(shù)量的量度。請注意，許多重組都是非輻射性的，產(chǎn)生“聲子” - 晶格的振動(dòng) - 加熱芯片并且不產(chǎn)生光。

一旦光子產(chǎn)生，它們就必須從模具中逃脫，以便有助于發(fā)光。提取效率測量實(shí)際從設(shè)備中逸出的活動(dòng)區(qū)域中產(chǎn)生的光子的比例。

在考慮使用磷光體增加光子波長的白光LED的EQE時(shí)，必須考慮第四個(gè)因素。藍(lán)色LED，使它們看起來是白色的 - 這就是轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率是發(fā)射的較長波長光子與較短波長吸收光子之比的量度。

（請注意，還有另一個(gè)限制現(xiàn)代LED功效的特性，稱為“電流下垂”.LED在極低的正向電流和電壓下工作效果最佳;當(dāng)電流增加時(shí)，LED會(huì)亮，但令人沮喪的是，當(dāng)前下垂背后的現(xiàn)象知之甚少，但被認(rèn)為是由于一種稱為直接俄歇重組的過程。這涉及電子和空穴復(fù)合而不是發(fā)射光子，將所得能量轉(zhuǎn)移到第三載體。由于該過程涉及三個(gè)載波，因此在較高電流常見的高載波密度下問題會(huì)變得更糟。

利用非極地地區(qū)

LED制造商將他們的研發(fā)工作重點(diǎn)放在促成EQE的所有四個(gè)因素上，但他們的努力成果對于som來說更為成功比其他人。

例如，IQE取得了重大進(jìn)展。今天最好的商用白光LED的IQE介于75％和80％之間。進(jìn)一步的改進(jìn)依賴于消除所謂的非輻射復(fù)合中心。這些通常在制造過程期間在體半導(dǎo)體中產(chǎn)生的管芯中形成微裂紋（或“穿透位錯(cuò)”），并隨著管芯老化和裂縫的增長而隨時(shí)間增加。

提出減少非輻射復(fù)合中心數(shù)量的一個(gè)解決方案是在非極性或半極性晶體中生長半導(dǎo)體方向。這減少了穿透位錯(cuò)的數(shù)量并因此減少了非輻射復(fù)合中心的數(shù)量。

首爾光電設(shè)備公司是LED制造商首爾半導(dǎo)體的子公司，最近剛剛制造了這種材料的專利申請。 4 圖圖2示出了使用該技術(shù)的LED結(jié)構(gòu)的示意圖。該方法的缺點(diǎn)是在批量生產(chǎn)中使用是困難的，因此是昂貴的。然而，該公司最近宣布已發(fā)布基于非極性技術(shù)的“nPola”LED商業(yè)樣品。

圖2：基于非極性或半極性藍(lán)寶石襯底的LED具有更高的內(nèi)部量子效率。

比IQE的數(shù)字更令人印象深刻的是提取效率的數(shù)字。提高提取效率的主要障礙是空氣和InGaN管芯之間的折射率差異很大，這導(dǎo)致超過90％的發(fā)射光子被內(nèi)部反射回半導(dǎo)體并重新吸收。

一種解決方案是增加以近乎垂直的角度撞擊LED-空氣界面的光子量（例如，通過表面粗糙化技術(shù)在表面上產(chǎn)生微尺度錐體，改變LED的外部形狀和圖案化藍(lán)寶石襯底）。根據(jù)在倫斯勒理工學(xué)院進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，上表面粗糙化可以將發(fā)光效率從10％以下提高到20％以上。

另一種在高亮度LED制造商中普及的技術(shù)是用一種折射率接近半導(dǎo)體的材料封裝LED。這可以在器件封裝期間完成，并且比成型模具便宜得多。半導(dǎo)體和密封劑的折射率的更接近的匹配意味著光子可以以更高的入射角撞擊邊界并且仍然被發(fā)射而不是被反射回來。

載體注入效率是研究人員發(fā)現(xiàn)難以取得進(jìn)展的另一個(gè)領(lǐng)域。適當(dāng)摻雜的n型和p型半導(dǎo)體以及偏置電壓確保有足夠的電子（和空穴）供應(yīng)用于復(fù)合，但確保它們最終都在有源區(qū)域中完全是另一個(gè)問題。許多空穴和電子在芯片的非有源區(qū)域中重新組合，僅產(chǎn)生熱量。

現(xiàn)代設(shè)備使用一些技巧將不情愿的電荷載體“捕獲”到活動(dòng)區(qū)域，然后，當(dāng)它們在那里時(shí)，“鼓勵(lì)”它們重新組合并產(chǎn)生光子。這些改進(jìn)中的第一個(gè)是電子阻擋層（EBL），其位于p型包層和有源層之間，并且一旦它們使電子區(qū)域遠(yuǎn)離，就防止電子從有源區(qū)域遷移出去。另外，形成EBL的材料必須適當(dāng)?shù)負(fù)诫s，使得它不會(huì)阻止空穴自由遷移到有源區(qū)中。

第二個(gè)增強(qiáng)是將“量子阱”引入有源區(qū)。這些結(jié)構(gòu)是非常?。?至20nm）的半導(dǎo)體層，其帶隙略低于周圍的塊狀材料。由于復(fù)雜的量子力學(xué)原因，井“吸引”然后“陷阱”電荷載流子增加了輻射重組的可能性。 6 圖3顯示了能帶隙（價(jià)帶到導(dǎo)帶）示意圖顯示具有多量子阱（MQW）的EBL和有源區(qū)。

圖3：LED的能帶隙圖，顯示載流子注入效率提升電子阻擋層和有源區(qū)中的多個(gè)量子阱。

提高載流子注入效率的另一項(xiàng)新提議是“LET”或發(fā)光三極管。 7 該器件取代傳統(tǒng)的單陽極LED帶兩個(gè)陽極。圖4（b）顯示了這種安排。

圖4：建議用兩個(gè)陽極代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED的陽極以形成發(fā)光三極管，作為提高載流子注入效率的一種方法。

在這種裝置中，電流從一個(gè)陽極橫向流向另一個(gè)陽極，加速孔并為它們提供更多能量。這種額外的能量增加了空穴注入有源層的可能性，在那里它們可以輻射地重新組合。

馴服光子

在改善影響LED EQE的因素方面取得了重大進(jìn)展。但商業(yè)白光LED的另一個(gè)基本要素是什么，熒光粉會(huì)改變從LED發(fā)出的一些光子的波長，使得整體發(fā)出的光看起來是白色的？

盡管今天商用設(shè)備中使用的YAG熒光粉是高度發(fā)達(dá)的，但斯托克斯位移現(xiàn)象存在一些固有的低效率，這些現(xiàn)象會(huì)改變?nèi)肷涔庾訌臒晒夥壑兄匦掳l(fā)射時(shí)的波長。這些低效率將來自原始光子的光能交換為熱量，從而降低了對光度的貢獻(xiàn)。

但這遠(yuǎn)不是LED制造商面臨的最大問題;主要的挑戰(zhàn)是從熒光體發(fā)射的大多數(shù)光子返回到芯片而不是從LED向外傳播，從而大大降低了器件的效率。倫斯勒理工學(xué)院研究小組最近的研究發(fā)現(xiàn)，大約60％的光從熒光粉層向內(nèi)反射。

一個(gè)提議的解決方案一種透明的“單片”熒光粉，可消除困擾傳統(tǒng)“粉末”熒光粉的光子散射粒子界面。另一種技術(shù)是在LED管芯和磷光體層之間添加選擇性地反射濾光器的多層薄膜，允許來自LED的藍(lán)光通過，同時(shí)將來自磷光體的黃色向內(nèi)發(fā)射反射回封裝。另一個(gè)減少光子反向散射的建議是將熒光粉“遠(yuǎn)程”定位在遠(yuǎn)離LED的位置。在傳統(tǒng)的白色LED中，封裝環(huán)氧樹脂均勻地包含磷光體。這種布置限制了可以從封裝中逸出的光子的數(shù)量，因?yàn)楹苡锌赡茉S多光子會(huì)被發(fā)射回封裝并被吸收。在改進(jìn)的器件中，磷光體位于器件頂部的層中，并且管芯被再成形以提取大部分反向傳輸?shù)墓?。圖5說明了這個(gè)概念。 9 發(fā)明人聲稱與傳統(tǒng)LED相比，改進(jìn)后的器件的功效提高了約50％。

圖5：遠(yuǎn)程定位的磷光體層和改進(jìn)的封裝通過允許散射的光子逃逸來提高功效。

今天的實(shí)驗(yàn)室，明天商業(yè)化

LED技術(shù)發(fā)展的步伐令人驚訝。實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展可能比任何其他技術(shù)都更快地投入生產(chǎn)，因?yàn)長ED制造商試圖在新形式的主流照明中占據(jù)更大的市場份額。

雖然本文討論的幾個(gè)開發(fā)項(xiàng)目尚未納入商用芯片，但最新一代產(chǎn)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劑?，F(xiàn)成的白色LED。

具有芯片架構(gòu)和熒光粉增強(qiáng)功能的新器件即將推出。例如，Cree剛剛宣布了一款基于碳化硅技術(shù)的170 lm/W原型LED“燈泡”。目前，該公司的頂級(jí)商用產(chǎn)品是124-lm/W XLamp XP-G2。

就其本身而言，今年早些時(shí)候，歐司朗發(fā)布了最新一代的OSLON SSL，該公司稱其功效比之前的版本提高了25％。這些器件可以產(chǎn)生高達(dá)111 lm/W的功率（圖6）。

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

如果保持這些公司和其他領(lǐng)先的LED制造商目前的進(jìn)展速度，白色LED的理論最大功效250 lm/W將在十年之前達(dá)到。