利用四色LED混雜實(shí)現超高效率照明

　白光LEDs的效率正以飛快的速度上升中，在2004年，工程師引以為傲被問(wèn)到350mA時(shí)的功率幾乎是60 lm/W, 但在今天的研究記錄則超過(guò)130 lm/W。

　這樣照明效率幾乎是省電燈泡(compact fluorescents)的兩倍，而且比日光燈(incandescent)性能高上10倍之多的白光LED已被定位成一般的照明應用。然而，進(jìn)一步改善可以強化固態(tài)照明設備的性能，同時(shí)能實(shí)際節省能源及減少照明費用。

　不幸地，傳統白光LED所剩的性能改善空間正在縮小中，經(jīng)由下轉換式(down-converting)磷光粉將芯片上的藍光或紫外光轉換成黃光的過(guò)程會(huì )浪費能量并且局限器件的性能。舉例來(lái)說(shuō)，Nichia估算以藍光激發(fā)磷光粉的最大理論功率為263 lm/W，但只有203 lm/W等值的紫外光來(lái)源。

　根據Jeffrey Tsao以及在Sandia國家實(shí)驗室的同事的說(shuō)法，通過(guò)改變LED基本的架構可以達到更高的功率。該團隊已顯示出通過(guò)顏色混合的方式小心選取四個(gè)不同發(fā)光波長(cháng)的LEDs，在演色性指數(color rendering index；CRI)為90時(shí)的理論功率可以超過(guò)400 lm/W at，Tsao說(shuō)道CRI值在90是最好的，而且可以滿(mǎn)足所有實(shí)質(zhì)的白光應用。

　起初乍看之下，所有的器件性能似乎非常令人鼓舞，但Tsao明白指出，要達到這個(gè)性能目標是沒(méi)有捷徑的，在開(kāi)始的研究中，器件要得到近乎理論的功率需要幾乎100%的光電轉換性能。雖然已經(jīng)可以制作出80%效率的紅外線(xiàn)激光器，Tsao選擇了530 nm及573 nm兩個(gè)落在相對較差性能范圍的波長(cháng)，就是所謂的”綠光能隙”(green gap)，最佳的LEDs在這個(gè)光譜范圍是無(wú)法展現最佳的效率(參見(jiàn)圖一)。

圖一：目前最綠的LED效率相當差，若是要以混色的方式用在超高效率的白光光源上，則還需要實(shí)質(zhì)的提升這些器件性能。

　顯然實(shí)質(zhì)改善綠光能隙(green-gap)LED性能是必要的，而朝向這個(gè)目標的第一步包括明確的建立阻礙器件輸出的原因認知，這個(gè)問(wèn)題在科學(xué)界間是個(gè)爭議性的熱門(mén)話(huà)題，而Tsao推測各種類(lèi)型的缺陷皆可能扮演著(zhù)某一種角色。

　這些架構在InGaN/GaN外延層(epilayers)的器件(以及它們的藍光系列器件)被做在異質(zhì)(foreign)基板(例如藍寶石(sapphire)和SiC基板)，而這些基板會(huì )產(chǎn)生應力(strain)和高度貫穿式位錯(Threading Dislocation; TD)密度，而典型的TD密度范圍介于5 × 108到5 × 109 cm–2之間。姑且不論這些高缺陷密度，InGaN LEDs可以產(chǎn)生的外部量子效率仍可達70%，然而有些證據推測這些缺陷仍舊會(huì )限制量子性能：陰極射線(xiàn)發(fā)光(cathodoluminescence)的研究已揭露出貫穿式位錯結構(TDs)是不會(huì )發(fā)光的，當所有計算都指出螺旋錯位（screw dislocations）會(huì )誘導應力場(chǎng)(strain fields) 而局限其中一種載體，并且限制它們以幅射的方式(radiative)再結合。

　除此之外，點(diǎn)狀缺陷(例如鎵和氮空缺及碳和氧不純物)會(huì )扮演著(zhù)非發(fā)光再結合中心，GaN正電子湮滅(positron annihilation)的研究中顯示已知的缺陷與鎵空缺結合會(huì )限制光激發(fā)發(fā)光效率。在更低的長(cháng)膜溫度條件下的點(diǎn)狀缺陷變得更普遍(這是高濃度的銦(indium)成份制作綠色及黃色LED所需要的制程環(huán)境)，在較長(cháng)的發(fā)光波長(cháng)下，這些缺限會(huì )降低LED的效率。

　綠光及黃光LED效率也受到本身極化場(chǎng)(intrinsic polarization fields)所沖擊, 而這個(gè)效應會(huì )隨著(zhù)更高的銦原子濃度而變得更強，濃度極化作用(polarization)可以幫助發(fā)光位置產(chǎn)生紅位移(red-shift), 但是這個(gè)好處在更高的驅動(dòng)電流下會(huì )被內部電場(chǎng)載體誘導屏蔽(carrier-induced screening)所抵消，這意味著(zhù)發(fā)光波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)溫度而變化，這是色彩混合方法最主要的障礙。

　克服相關(guān)極化問(wèn)題而具有前景的途徑包括將器件長(cháng)在GaN的非極性平面上，然而這方面的研究工作仍處于初級階段，但是圣塔巴巴拉(Santa Barbara)加州大學(xué)的研究員在過(guò)去幾年已經(jīng)使得效率明顯增長(cháng)，而且生產(chǎn)的器件之外部量子效率可達45%；即使這些數值可以獲得實(shí)質(zhì)的改善，但晶圓尺寸的問(wèn)題仍就存在。這些做在Mitsubishi Chemical的1平方公分基板上的開(kāi)發(fā)器件仍無(wú)法清楚了解該項特殊的制程是否能將LED產(chǎn)品放大到所需要的更大直徑。

　把InGaN層做在另一種材料(例如藍寶石基板(sapphire))的InGaN模板也可以提供做為亮綠色LED的基材。比起傳統的LED燈而言，該項材料系統可以盡可能免除本身的極化場(chǎng)(intrinsic polarization fields)的問(wèn)題，而且美國化合物半導體基板大廠(chǎng)Technologies and Devices International of Silver Springs(MD)也有提供2英吋直徑基板樣品。

　然而，Tsao說(shuō)道另一個(gè)潛伏的問(wèn)題: “除了綠色能隙(green gap)外還有一個(gè)紅色能隙(red gap)問(wèn)題”。大部份沉積在GaAs上面的AlInGaP化合物通常會(huì )接近該平譜范圍。在深紅色平譜中，估算該材料的內部量子效率幾乎達100%，但在理想白光光源中的橘紅色發(fā)光波長(cháng)(位于較短波長(cháng)平譜中，例如614 nm)的性能卻迅速下降 。

　Tsao相信紅光能隙(red gap)可能比綠光能隙(green gap)問(wèn)題更難以解決，在高濃度鋁原子下，這些器件所使用的材料系統具有間接能隙(indirect bandgap)，而且此時(shí)由交會(huì )點(diǎn)移除的化合物之間接電子能階最低處(indirect valleys)會(huì )開(kāi)始被載體(carriers)占據。鎂摻雜層在高濃度鋁成份的LED也受到漏電問(wèn)題所苦(該問(wèn)題會(huì )降低內部效率)；導致在較高器件溫度下的功率輸出下降(這與高功率的LED有關(guān))，且發(fā)光波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)溫度而改變。

　根據Tsao的研究，這么棒的想法用來(lái)解決上面遇到的問(wèn)題已經(jīng)是非常有限了(如果還有改善空間得話(huà))。然而他相信更為激進(jìn)的方法或許能突破這方面的發(fā)展，其中一個(gè)可能性是創(chuàng )造出混合系統將AlInGaP與廣能隙(wide-bandgap)材料串聯(lián)在一起，而另一個(gè)方法則是將InGaPN LED發(fā)展在GaP基板上。

圖二：目前所看到的高功率LED主要使用兩種材料系統：InGaN(用于藍光及綠光)以及AlGaInP(發(fā)光波長(cháng)含蓋可見(jiàn)光平譜的紅色部份)。先進(jìn)的LED在確定發(fā)光波長(cháng)下(例如400及650 nm)的外部量子效率可以達到50%左右，但是綠光及黃光的性能卻很差。這些數據取自于Lumileds (1) 在350 mA下的InGaN薄膜覆晶(Flip Chip)式LED，(2) 在1 A下的InGaN垂直薄膜型LED，(3) 采用圖樣化基板InGaN傳統的LED，以及(4) 去頂的倒金字塔式(truncated-inverted-pyramid) AlGaInP的LED。

回到磷光粉材料方面

　大致上來(lái)說(shuō)，實(shí)質(zhì)改善530、573及614 nm發(fā)光區域的LED性能將是艱難的，然而，借助不同芯片和磷光粉的結合或許可以制造出超高效率的白光光源。Tsao的解釋提到：“假如你能透過(guò)主要的半導體的使用(像是InGaN)針對綠光能隙(green gap)對癥下藥，那么你或許可以使用某一磷光粉作為紅光，[與藍光LED并排]”。

　當動(dòng)機朝向藍光LED和黃色磷光粉發(fā)展的用意在于消除下轉換(down-conversion)損失時(shí)，以上的方法看來(lái)就蠻荒謬了。然而，以綠光芯片及紅色磷光粉為例，在激發(fā)源和磷光粉發(fā)光之間的波長(cháng)假使只有少許的差異得話(huà)，能量損失可以減低到最小。

　Tsao 和他的同事已經(jīng)考慮過(guò)數種不同的芯片和磷光粉結合，并且算出95%的轉換效率以及少量的Stokes下轉換(down-conversion)損失。藉由紅色及藍色發(fā)光體的結合以及發(fā)光波長(cháng)較廣的系統，如果主要的發(fā)光體具有80%的效率而紅光發(fā)光位置在615 nm，則綠色磷光粉的整體效率可達到70% (286 lm/W)，但假使光源波長(cháng)超出626 nm，則主要的半導體必須具有90%效率以達到相同的整體效率。

一切的動(dòng)機和目的就是要實(shí)質(zhì)的改善LED技術(shù)以制造出超高性能的白光光源，不管他們是否根據不同色彩的LED組合亦或是LED與磷光粉的混合體，要達到器件性能的改善不僅需要提升材料本身特性外，也需要新器件設計的發(fā)展來(lái)改善光提取效率(extraction efficiency)。這些努力的成果背后的獎勵是最大的源動(dòng)力，但要達到這樣高性能的路途看來(lái)還是相當漫長(cháng)及艱辛的。