1、藍光芯片型白光LED提升光效

a) 提升內量子效率 在有源區產(chǎn)生更多的藍光并減少藍光輸出時(shí)的吸收,隨著(zhù)外延生長(cháng)技術(shù)和多量子阱結構的發(fā)展,超高亮度發(fā)光二極管的內量子效率已有了非常大的改善,藍光LED已達90%以上;

b) 提升光提取效率  采用倒裝結構避免正裝結構的電極和金線(xiàn)遮擋光;平衡解決透明導電膜吸光與擴散電流的矛盾;底部反射層使藍光向正面出光方向反射;表面圖型化或表面粗糙化技術(shù)避免因折射率差異大導致的發(fā)光被過(guò)多全反射等;接近芯片折射率的封裝材料;

c) 提升熒光粉光致發(fā)光轉換的外量子效率 研發(fā)光致發(fā)光轉換效率高的熒光粉材料及配比; 

d) 提升封裝的光出射效率 封裝材料的折射率高有利于芯片出光的提取率,但也會(huì )使與空氣折射率差異增大;對于平面型封裝,導致與空氣界面之間的向內全反射增大,從而又使出光率減小,因此,在平面型封裝之上可考慮再加一層折射率過(guò)渡的二次透明封裝層;此外,對于非平面型封裝,改進(jìn)熒光粉涂層厚度和形狀以及封裝結構形狀,避免因折射率差異大所導致的出射光被過(guò)多全反射。

藍光芯片型白光LED的***高光效主要由四部分所限:

①藍光的內量子效率估計不超過(guò)90%(較高溫影響下,而小功率常溫可達95%左右);

②外延層的光提取效率估計不超過(guò)85%(正裝結構和垂直結構其GaN與硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂的材料折射率決定的全反射角約42°;倒裝結構其GaN與Al₂O₃的全反射臨界角約46°;進(jìn)行圖型優(yōu)化等處理后估計不會(huì )超過(guò)75°);

③藍光轉換為白光的***高量子效率估計不超過(guò)70%(視見(jiàn)效率***高的為無(wú)損耗單光譜555nm綠光,藍光全部轉換至555nm單色綠光的光致發(fā)光效率不超過(guò)78%);

④熒光粉層白光出射球型封裝的效率不超過(guò)95%(平面封裝出射率將可能更低得多,這一項人們平時(shí)關(guān)注較少,因為光從硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂出射至空氣的全反射臨界角僅約為42°)。

這四部分相乘的綜合光效率估計不超過(guò)50%;也就是說(shuō)藍光芯片型白光LED的光效不會(huì )超過(guò)340Lm/W左右。

據報道,目前全球***高光效的白光LED是美國CREE公司2014年3月宣稱(chēng)303Lm/W。已接近本文上面分析預計的白光LED光效的極限。

美國CREE公司實(shí)驗室碳化硅襯底白光LED光效進(jìn)展

我國目前國產(chǎn)化的LED光效也已逐步趕上國際先進(jìn)水平。多年前,我國南昌大學(xué)團隊采用在硅晶片上預先柵格化刻蝕來(lái)緩解生長(cháng)GaN后降溫過(guò)程中熱匹配差異大造成的龜裂和位錯缺陷,通過(guò)特殊措施改進(jìn)MOCVD設備關(guān)鍵部件“密布輸氣管”來(lái)改善GaN生長(cháng)的均勻性等等自主專(zhuān)利技術(shù),突破了硅襯底高光效GaN基藍色發(fā)光二極管的關(guān)鍵技術(shù),成為繼日美之后第三個(gè)掌握藍光LED自主知識產(chǎn)權技術(shù)的國家。打破了日本藍寶石襯底、美國碳化硅襯底長(cháng)期壟斷國際LED照明核心技術(shù)的局面,與日美技術(shù)形成全球三足鼎力之勢。據國家半導體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《2018中國半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書(shū)》數據:“2018年我國產(chǎn)業(yè)化白光LED光效水平達到180Lm/W,硅基黃光(565nm@20A/cm²)電光轉換效率24.3%,硅基綠光(520nm@20A/cm²)電光轉換效率41.6%”。這是值得可喜的,但在半導體集成電路產(chǎn)業(yè)8寸、12寸等主流大尺寸硅晶片要想大規模應用于LED照明產(chǎn)業(yè),在目前主流仍為6寸以下小尺寸藍寶石襯底在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈已形成了先發(fā)優(yōu)勢的情況下,硅晶片本身的工藝成熟和低成本優(yōu)勢反而發(fā)揮不出來(lái)。預計還需等待封裝設備等產(chǎn)業(yè)鏈升級到采用6寸以上襯底成為主流時(shí),硅基LED的大批量需求才將會(huì )不斷地回歸其原本就具有的比藍寶石和氮化鎵襯底工藝成本低很多的優(yōu)勢,這時(shí)硅基LED應用市場(chǎng)前景就非常光明了。

2、RGB型白光LED提升光效

早期因為紅光,特別是綠光LED的光效不高,所以由三個(gè)紅綠藍的LED組成的RGB型只限于顯示或裝飾照明用途,隨著(zhù)綠光LED光效的逐步提升,RGB型白光LED進(jìn)入實(shí)用化照明。RGB型白光LED的主要優(yōu)點(diǎn)是:首先,不需熒光粉來(lái)轉換光,單這一點(diǎn)從理論上來(lái)說(shuō)就可減少藍光芯片型白光LED中至少20-30%的光致發(fā)光能量轉換損失;其次,可方便調節色溫和顏色,這在智能智慧照明應用中很重要。但是RGB型白光LED其主要缺點(diǎn)是綠光LED的光效仍不高,導致總的發(fā)光效率目前比藍光芯片型白光LED低較多;另RGB三個(gè)LED需嚴格選配光度和色度分布,使紅綠藍三個(gè)LED所發(fā)光的光色分布曲線(xiàn)應該平滑完全一致且投射方向一致,否則在不同距離和方向上的光度和色度不均勻性嚴重;還有需要紅綠藍三種LED的三套供電系統,使驅動(dòng)電路復雜化、成本增加。

3、紫外芯片型白光LED提升光效

光度和色度分布不均勻是藍光芯片型白光LED和RGB型白光LED一定存在的固有缺陷,只是程度不同而已。由于人眼對紫外線(xiàn)沒(méi)有感知,利用紫外LED芯片發(fā)出的紫外線(xiàn)被封裝涂層中的紅綠藍三基色熒光粉吸收并轉換成白光,所以紫外芯片型白光LED與傳統熒光燈一樣都不存在色度分布不均勻問(wèn)題,光度均勻性也比藍光芯片型和RGB型要好得多,這是其***大的優(yōu)點(diǎn)。紫外線(xiàn)芯片型白光LED的主要缺點(diǎn)是,一般來(lái)說(shuō)在熒光粉光致發(fā)光轉換出的光譜包絡(luò )與藍光型白光的連續光譜相似情況下,紫外線(xiàn)芯片型白光LED的發(fā)光效率比藍光芯片型要更低,其紫外線(xiàn)波長(cháng)越短,轉換效率就越低(254nm紫外線(xiàn)下的熒光粉光轉換效率不超過(guò)50%),且制作難度成倍地增加,所以從理論上來(lái)說(shuō)照明不可能使用短波紫外線(xiàn)芯片來(lái)制作白光LED。此外,還需研發(fā)針對長(cháng)波紫外線(xiàn)激發(fā)的高效熒光粉。而且筆者建議其熒光粉轉換后發(fā)射的光譜應像節能熒光燈的三基色那樣紅綠藍三色形成分離狀的不連續光譜,各自為窄光譜,綠色波峰還應靠近光效***高的555nm,這樣的綠光搭配紅藍光后就可能輕易超過(guò)340 Lm/W的藍光芯片型白光LED的極限光效。當然即使熒光粉能做到這樣,不改進(jìn)目前LED芯片的發(fā)光波長(cháng)半寬度太寬的現狀,不能象傳統熒光燈中低氣壓放電產(chǎn)生的254nm工作紫外線(xiàn)其非常窄的波長(cháng)半寬度去配合熒光粉,其效果可能仍然不太佳。