利用四色LED混杂实现超高效率照明

　白光LEDs的效率正以飞快的速度上升中，在2004年，工程师引以为傲被问到350mA时的功率几乎是60 lm/W, 但在今天的研究记录则超过130 lm/W。

　这样照明效率几乎是省电灯泡(compact fluorescents)的两倍，而且比日光灯(incandescent)性能高上10倍之多的白光LED已被定位成一般的照明应用。然而，进一步改善可以强化固态照明设备的性能，同时能实际节省能源及减少照明费用。

　不幸地，传统白光LED所剩的性能改善空间正在缩小中，经由下转换式(down-converting)磷光粉将芯片上的蓝光或紫外光转换成黄光的过程会浪费能量并且局限器件的性能。举例来说，Nichia估算以蓝光激发磷光粉的最大理论功率为263 lm/W，但只有203 lm/W等值的紫外光来源。

　根据Jeffrey Tsao以及在Sandia国家实验室的同事的说法，通过改变LED基本的架构可以达到更高的功率。该团队已显示出通过颜色混合的方式小心选取四个不同发光波长的LEDs，在演色性指数(color rendering index；CRI)为90时的理论功率可以超过400 lm/W at，Tsao说道CRI值在90是最好的，而且可以满足所有实质的白光应用。

　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，要达到这个性能目标是没有捷径的，在开始的研究中，器件要得到近乎理论的功率需要几乎100%的光电转换性能。虽然已经可以制作出80%效率的红外线激光器，Tsao选择了530 nm及573 nm两个落在相对较差性能范围的波长，就是所谓的”绿光能隙”(green gap)，最佳的LEDs在这个光谱范围是无法展现最佳的效率(参见图一)。

图一：目前最绿的LED效率相当差，若是要以混色的方式用在超高效率的白光光源上，则还需要实质的提升这些器件性能。

　显然实质改善绿光能隙(green-gap)LED性能是必要的，而朝向这个目标的第一步包括明确的建立阻碍器件输出的原因认知，这个问题在科学界间是个争议性的热门话题，而Tsao推测各种类型的缺陷皆可能扮演着某一种角色。

　这些架构在InGaN/GaN外延层(epilayers)的器件(以及它们的蓝光系列器件)被做在异质(foreign)基板(例如蓝宝石(sapphire)和SiC基板)，而这些基板会产生应力(strain)和高度贯穿式位错(Threading Dislocation; TD)密度，而典型的TD密度范围介于5 × 108到5 × 109 cm–2之间。姑且不论这些高缺陷密度，InGaN LEDs可以产生的外部量子效率仍可达70%，然而有些证据推测这些缺陷仍旧会限制量子性能：阴极射线发光(cathodoluminescence)的研究已揭露出贯穿式位错结构(TDs)是不会发光的，当所有计算都指出螺旋错位（screw dislocations）会诱导应力场(strain fields) 而局限其中一种载体，并且限制它们以幅射的方式(radiative)再结合。

　除此之外，点状缺陷(例如镓和氮空缺及碳和氧不纯物)会扮演着非发光再结合中心，GaN正电子湮灭(positron annihilation)的研究中显示已知的缺陷与镓空缺结合会限制光激发发光效率。在更低的长膜温度条件下的点状缺陷变得更普遍(这是高浓度的铟(indium)成份制作绿色及黄色LED所需要的制程环境)，在较长的发光波长下，这些缺限会降低LED的效率。

　绿光及黄光LED效率也受到本身极化场(intrinsic polarization fields)所冲击, 而这个效应会随着更高的铟原子浓度而变得更强，浓度极化作用(polarization)可以帮助发光位置产生红位移(red-shift), 但是这个好处在更高的驱动电流下会被内部电场载体诱导屏蔽(carrier-induced screening)所抵消，这意味着发光波长会随着温度而变化，这是色彩混合方法最主要的障碍。

　克服相关极化问题而具有前景的途径包括将器件长在GaN的非极性平面上，然而这方面的研究工作仍处于初级阶段，但是圣塔巴巴拉(Santa Barbara)加州大学的研究员在过去几年已经使得效率明显增长，而且生产的器件之外部量子效率可达45%；即使这些数值可以获得实质的改善，但晶圆尺寸的问题仍就存在。这些做在Mitsubishi Chemical的1平方公分基板上的开发器件仍无法清楚了解该项特殊的制程是否能将LED产品放大到所需要的更大直径。

　把InGaN层做在另一种材料(例如蓝宝石基板(sapphire))的InGaN模板也可以提供做为亮绿色LED的基材。比起传统的LED灯而言，该项材料系统可以尽可能免除本身的极化场(intrinsic polarization fields)的问题，而且美国化合物半导体基板大厂Technologies and Devices International of Silver Springs(MD)也有提供2英吋直径基板样品。

　然而，Tsao说道另一个潜伏的问题: “除了绿色能隙(green gap)外还有一个红色能隙(red gap)问题”。大部份沉积在GaAs上面的AlInGaP化合物通常会接近该平谱范围。在深红色平谱中，估算该材料的内部量子效率几乎达100%，但在理想白光光源中的橘红色发光波长(位于较短波长平谱中，例如614 nm)的性能却迅速下降 。

　Tsao相信红光能隙(red gap)可能比绿光能隙(green gap)问题更难以解决，在高浓度铝原子下，这些器件所使用的材料系统具有间接能隙(indirect bandgap)，而且此时由交会点移除的化合物之间接电子能阶最低处(indirect valleys)会开始被载体(carriers)占据。镁掺杂层在高浓度铝成份的LED也受到漏电问题所苦(该问题会降低内部效率)；导致在较高器件温度下的功率输出下降(这与高功率的LED有关)，且发光波长会随着温度而改变。

　根据Tsao的研究，这么棒的想法用来解决上面遇到的问题已经是非常有限了(如果还有改善空间得话)。然而他相信更为激进的方法或许能突破这方面的发展，其中一个可能性是创造出混合系统将AlInGaP与广能隙(wide-bandgap)材料串联在一起，而另一个方法则是将InGaPN LED发展在GaP基板上。

图二：目前所看到的高功率LED主要使用两种材料系统：InGaN(用于蓝光及绿光)以及AlGaInP(发光波长含盖可见光平谱的红色部份)。先进的LED在确定发光波长下(例如400及650 nm)的外部量子效率可以达到50%左右，但是绿光及黄光的性能却很差。这些数据取自于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) 采用图样化基板InGaN传统的LED，以及(4) 去顶的倒金字塔式(truncated-inverted-pyramid) AlGaInP的LED。

回到磷光粉材料方面

　大致上来说，实质改善530、573及614 nm发光区域的LED性能将是艰难的，然而，借助不同芯片和磷光粉的结合或许可以制造出超高效率的白光光源。Tsao的解释提到：“假如你能透过主要的半导体的使用(像是InGaN)针对绿光能隙(green gap)对症下药，那么你或许可以使用某一磷光粉作为红光，[与蓝光LED并排]”。

　当动机朝向蓝光LED和黄色磷光粉发展的用意在于消除下转换(down-conversion)损失时，以上的方法看来就蛮荒谬了。然而，以绿光芯片及红色磷光粉为例，在激发源和磷光粉发光之间的波长假使只有少许的差异得话，能量损失可以减低到最小。

　Tsao 和他的同事已经考虑过数种不同的芯片和磷光粉结合，并且算出95%的转换效率以及少量的Stokes下转换(down-conversion)损失。藉由红色及蓝色发光体的结合以及发光波长较广的系统，如果主要的发光体具有80%的效率而红光发光位置在615 nm，则绿色磷光粉的整体效率可达到70% (286 lm/W)，但假使光源波长超出626 nm，则主要的半导体必须具有90%效率以达到相同的整体效率。

一切的动机和目的就是要实质的改善LED技术以制造出超高性能的白光光源，不管他们是否根据不同色彩的LED组合亦或是LED与磷光粉的混合体，要达到器件性能的改善不仅需要提升材料本身特性外，也需要新器件设计的发展来改善光提取效率(extraction efficiency)。这些努力的成果背后的奖励是最大的源动力，但要达到这样高性能的路途看来还是相当漫长及艰辛的。