1、藍光芯片型白光LED提升光效

a) 提升內量子效率 在有源區產生更多的藍光并減少藍光輸出時的吸收,隨著外延生長技術和多量子阱結構的發展,超高亮度發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避免因折射率差異大導致的發光被過多全反射等;接近芯片折射率的封裝材料;

c) 提升熒光粉光致發光轉換的外量子效率 研發光致發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渡的二次透明封裝層;此外,對于非平面型封裝,改進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85%(正裝結構和垂直結構其GaN與硅膠或環氧樹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°;進行圖型優化等處理后估計不會超過75°);

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

④熒光粉層白光出射球型封裝的效率不超過95%(平面封裝出射率將可能更低得多,這一項人們平時關注較少,因為光從硅膠或環氧樹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50%;也就是說藍光芯片型白光LED的光效不會超過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公司實驗室碳化硅襯底白光LED光效進展

我國目前國產化的LED光效也已逐步趕上國際先進水平。多年前,我國南昌大學團隊采用在硅晶片上預先柵格化刻蝕來緩解生長GaN后降溫過程中熱匹配差異大造成的龜裂和位錯缺陷,通過特殊措施改進MOCVD設備關鍵部件“密布輸氣管”來改善GaN生長的均勻性等等自主專利技術,突破了硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管的關鍵技術,成為繼日美之后第三個掌握藍光LED自主知識產權技術的國家。打破了日本藍寶石襯底、美國碳化硅襯底長期壟斷國際LED照明核心技術的局面,與日美技術形成全球三足鼎力之勢。據國家半導體照明工程研發及產業聯盟發布的《2018中國半導體照明產業發展藍皮書》數據:“2018年我國產業化白光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業8寸、12寸等主流大尺寸硅晶片要想大規模應用于LED照明產業,在目前主流仍為6寸以下小尺寸藍寶石襯底在LED照明產業鏈已形成了先發優勢的情況下,硅晶片本身的工藝成熟和低成本優勢反而發揮不出來。預計還需等待封裝設備等產業鏈升級到采用6寸以上襯底成為主流時,硅基LED的大批量需求才將會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勢,這時硅基LED應用市場前景就非常光明了。

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,所以由三個紅綠藍的LED組成的RGB型只限于顯示或裝飾照明用途,隨著綠光LED光效的逐步提升,RGB型白光LED進入實用化照明。RGB型白光LED的主要優點是:首先,不需熒光粉來轉換光,單這一點從理論上來說就可減少藍光芯片型白光LED中至少20-30%的光致發光能量轉換損失;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其主要缺點是綠光LED的光效仍不高,導致總的發光效率目前比藍光芯片型白光LED低較多;另RGB三個LED需嚴格選配光度和色度分布,使紅綠藍三個LED所發光的光色分布曲線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。由于人眼對紫外線沒有感知,利用紫外LED芯片發出的紫外線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***大的優點。紫外線芯片型白光LED的主要缺點是,一般來說在熒光粉光致發光轉換出的光譜包絡與藍光型白光的連續光譜相似情況下,紫外線芯片型白光LED的發光效率比藍光芯片型要更低,其紫外線波長越短,轉換效率就越低(254nm紫外線下的熒光粉光轉換效率不超過50%),且制作難度成倍地增加,所以從理論上來說照明不可能使用短波紫外線芯片來制作白光LED。此外,還需研發針對長波紫外線激發的高效熒光粉。而且筆者建議其熒光粉轉換后發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,不改進目前LED芯片的發光波長半寬度太寬的現狀,不能象傳統熒光燈中低氣壓放電產生的254nm工作紫外線其非常窄的波長半寬度去配合熒光粉,其效果可能仍然不太佳。