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揭秘如何提高綠光LED能效

點擊數:80092017-10-04 00:30:05

眾所都知,綠光LED的性能水平達不到同等紅光和藍光led。但可以通過降低電流密度、使用一個更大的芯片以及優化生長條件來減少黑點,能夠盡可能縮小在100mA驅動電流條件下,達到190lm/W的LED之間的距離。歐司朗的Andreas L?ffler和Michael Binder如是說。

LED燈泡最大的詬病僅次于價格的是不理想的顏色。這個缺點是由制作白光LED的過程中產生的:GaN基藍光芯片激發黃色熒光粉,混合這兩種顏色產生白光。用這種方法,可見光譜的紅光區域并沒有對光輸出有多大貢獻。

白光LED照明產品制作的更高級方法—也是固態投影顯示的一種方法—即以紅、綠、藍為材質的LED,混合而產生白光。這種方法的優點是不會局限于更高的顯色指數,同時也可以達到更高的光效和靈活的控制色彩。

用混合顏色的方式產生高能效的系統,必須采用高效光源。藍光和紅光LED的性能已經很顯著,近期的技術改進,促使峰值功率轉換效率超過81%和70%,但是綠光LED的性能卻遠遠落后。這種以GaN為主的LED效力不高的現象被稱為“綠光缺口”

綠光波長波段

提高綠光LED的效率面臨很大挑戰,因為無法利用理想成熟的材料系統。用來創造高效藍光LED的III-N 系列,在波長更長的情況下效率會變低,而在紅光的波段范圍內效率很高的III族磷化物也面臨一樣的苦惱;延伸這一類LED的光發射更短的波長,效率會降低,簡而言之,材料系統在黃綠色譜范圍里效率很低。

歐司朗獨家揭秘如何提高綠光LED能效問題

圖一:在不同的波長下,III族氮化物(綠色數據點)和III族磷化物LED(紅光數據點)的發光效率。藍線代表國際照明委員會(CIE)1924年的光度函數乘以電光轉換效率(WPE)相應的值。用黃顏色標注的是黃綠范圍,既沒有被II族氮化物也沒被III族磷化物充分覆蓋。這就是綠色缺口問題的本質。

對于III族磷化物而言,發射光到綠色波段成為了材料系統的基礎障礙。改變AlInGaP的成分讓它發綠光,而不是紅光、橙色或者黃色—造成載波限制不充分,是由于材料系統相對低的能隙,排除有效的輻射復合。

相比之下,III族氮化物要達到高效難度更大,但困難并不是無法逾越的。用這個系統,將光延伸到綠光波段,會造成效率降低的兩個因素是:外部量子效率和電效率的下降。

外部量子效率下降來源于綠光LED需要采用高正向電壓。這些設備有著很高的內部電壓場。因此在給定電壓下,盡管帶隙更低,但應用于此類LED的電壓會更高。更高的驅動電壓使得電源轉換率下降。第二個缺點是綠光LED隨注入電流密度增大而下降, 被droop效應所困。Droop效應也出現在藍光LED中,但在綠色LED中影響更甚,導致常規的操作電流效率更低。

歐司朗獨家揭秘如何提高綠光LED能效問題

(圖二)在波長為442nm和530nm的1mm2 藍光InGaN和綠色GaN,外部量子效率對比

droop效應的成因在氮化物行業中引起了激烈的討論。因為造成droop效應的損失率在電致發光和光致發光刺激下對電荷載體密度有著立方依賴,大部分猜測都指向俄歇復合是droop效應的成因。

然而,造成droop效應成因猜測很多,不僅僅只有俄歇復合這一種---其中包括了錯位、載體溢出或者電子泄漏。后者是由高壓內部電場增強的。

綠光的發展方向

位于德國雷根斯堡的歐司朗光電半導體公司,一直在穩定地提高綠光LED的發光效率。2008年,在Matthias Peter的帶領下,同事報道了1 mm2,527nmThinGaN基芯片在350mA電流條件下,光通量為100lm. 發光效率等于73lm/W. 兩年后,采用Golden Dragon Plus封裝的優化1 mm2芯片,可將發光效力提升到100 lm/W。在這種驅動電流條件下,光通量為117lm,當投入1A的電流時可獲得224lm的光通量。

近來,我們使綠光LED的性能再次更上一層樓?;赾平面藍寶石襯底MOCVD生長的LED,作用區域有5-7個InGaN量子阱嵌在GaN壘層,這樣做可能會有更高的效能。5 μm厚的硅摻雜緩沖層鞏固作用區域,這個作用區域被30nm厚的鎂摻雜p型AlGaN電子阻擋層和140nm厚的鎂摻雜GaN接觸層所覆蓋。

我們對比這個結構和由生產線上取下的裝置,發現它們的作用區所產生的光致發光(見圖3)。通過大容量裝置,光致發光顯微圖發現了強度上的不均勻,有黑點圖案的出現。黑點的密度相當于六角晶體缺陷(V-pits)密度,使我們有理由猜測這些黑點和V-pits之間的強關聯性。已有一些研究支持這個觀點,證實點對點的相關性。

圖3:(a)是從生產線取來器件的光致發光的微型圖,(b)是研究樣品的光致發光的微型圖。為了更好的對比,圖片的低處部分只用灰色顯示。

根據光致發光的微型圖可以看到,在作用區域降低生長率能夠大幅度提高量子阱材料的質量,黑點的密度,結果與生產線上的樣品相似,受影響的范圍卻更小。所以增加了明亮區域的比例,就會得到更多均勻的發光圖案像。

通過提高材料質量來增強內部量子效率和傳送能力,從而使得LED發揮更佳的性能。 近期用Dragon封裝形式制作的球面透鏡封裝的樣品,在350mA的電流驅動下,光通量達到114lm,發光效率為100 lm/W(見圖4)。通過對比,在相同的驅動電流條件下,生產線上的器件光通量僅為108ml. 如果去除對光貢獻不高的量子阱,效果會更好。在這個例子中,調整量子阱的數量,從7個減少到5個,以此提高載體運輸能力。通過調整,532 nm 1 mm2 ThinGaN 芯片在350mA電流驅動下,光通量為134lm,發光效率為108 lm/W.

歐司朗獨家揭秘如何提高綠光LED能效問題

圖4:Dragon封裝1mm2 ThinGaN芯片的電光參數:生產線的裝置(藍線),提高傳送能力的裝置(黑線),優化外延結構的裝置(橙線)。

提高綠光LED的關鍵措施是通過降低載體濃度來應對droop效應??梢允褂酶蟮男酒?,或增加發光的量子阱數量。從圖4的效率曲線可以預估,通過降低電流密度,效率可增加25%或60%。

采取這個方法,增加芯片尺寸到2 mm2。為綠光LED提高輸出功率,在350mA的電流條件下,光通量為150lm,發光效率是135lm/W--而1 mm2的芯片發光效率僅是108 lm/W。

增大電流值,在稍短的波段里輸出更大光通量:在700mA電流驅動下,芯片在峰值波長為531nm條件下,輸出248 lm和480mW;增大電流到1A,光輸出達到313 lm和620mW,峰值波長變成529nm.后面的數據,相比,在50 A cm-2的電流密度下,光通量超過310 lm (600 mW)等值,這是基于紅、綠、藍LED的高性能投影系統的促成技術。光轉換效率在驅動電源很低的情況下尤為顯著。在100mA條件下超過190 lm,低于2mA條件下,超過300lm.

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圖5,提高了載子傳送能力、優化外延結構的OSLON 封裝的2 mm2ThinGaN芯片的電光特性

激發熒光粉

制作綠色LED的另一種方法是用藍光LED加綠色熒光粉。這種激發方法有著截然不同的綠光發射特點:使用LuAG熒光粉的陶瓷板,激發的光的是531nm峰值波長,525nm高斯峰和33nm半峰寬(FWHM),而芯片-熒光粉法制作的合成物的峰值波長是529nm,中心波長為557nm, 半峰寬(FWHM)為99nm.(見圖6)

更寬的發光剖面是有利也有弊。它本身提供的顯色指數高,適合于一般照明。但較窄的發光適合于投影應用等。例如,自然綠光LED具有較小的光譜帶寬,能夠避免串擾,提高系統效率。如果自然綠光LED能夠用于投影,相比轉換的綠光解決方案,自然綠光LED可以覆蓋更寬的顏色范圍。

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圖6:采取不同方法的綠光LED光譜。由熒光粉產生的光射比由自然綠光:InGaN基LED產生的光射更廣。

然而,藍光LED和綠色熒光粉仍然是個很具吸引力的選擇方案,因為這個方案避免了綠色缺口等問題。雖然由于斯托克斯位移產生的損耗是不可避免的,用藍光芯片激發熒光粉將產生更高的效率,因為droop效應在較短波長段影響不大(見圖8)。由于藍光LED的內部電場不強,電損耗較低,我們以1mm2 ThinGaN芯片為例,比較這兩種不同方法的光通量和光效。在較低的電流密度條件下,綠光LED比藍光光效更高,沒有轉換損耗,發光效率在1 mA電流條件下達到291 lm/W 。然而當電流密度增加,光效下降很快,在350 mA電流下,光效是108 lm/W,在1 A條件下,光效是66 lm/W。藍光LED正好相反,隨著電流密度的增加,效率也相應提升。在20mA電流下,轉換效率達到最高值。在350mA電流驅動下,藍光LED和綠色熒光粉結合物,光通量為194lm,光效為191 lm/W,在1A電流條件下,光通量是462 lm,光效是145 lm/W。

歐司朗獨家揭秘如何提高綠光LED能效問題

【圖七】根據CIE 1931色彩空間色度圖,對比紅綠藍混合方案,與由熒光粉轉變而來的綠光法,或直接綠光InGaN基,自然綠光InGaN基對比由熒光粉轉變方案,發現發射光譜越窄的器件,越適合投影應用。

提高自然綠光LED性能的途徑有多種:可以是增加更多阱的增大作用區的容量,來降低載流子密度;也可以通過提高材料質量來提高內部量子效率;還可以優化芯片設計和尺寸來增加作用區域。但以我們的觀點,優化外延生長過程的方法最具潛力,因為可以降低正向電壓和提高載子傳送能力。

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圖8:兩種產生綠光的不同方法的光通量和發光效率。綠光InGaN/GaN LED在高電流條件下,droop效應影響很大,由藍光LED和熒光粉轉化而來的合成物在標準驅動電流下的效率和光通量都很高。

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