2020年全球十大LED光源创新器件展示与解读

　　自LED光源诞生以来,照明产业经历了一轮接一轮的科技变革,为照明用户带来了不同的灯光控制模式、不同的能源节约方式、不同的光生物特性功效……虽然LED光源技术革新带来的惠民价值足以让广大照明科研工作者引以为傲,但全球各大科研机构、企事业单位研发人员并没有停下LED光源科技继续创新的步伐。

　　下面,中国照明网通过对2020年全球十大LED光源创新器件的展示与解读,期待能为照明业界在产品研发创新上带来重要借鉴。

　　一、金属卤化物钙钛矿LED

　　6月,德国HZB研究中心和柏林洪堡大学(HU)的研究人员组成的联合团队成功生产出了由半导体化合物溶液印刷而成的金属卤化物钙钛矿功能发光二极管。

通过HZB和HU图像印刷钙钛矿LED流程

　　在该LED光源器件的制备过程中,研究人员使用了一种附着在基底上并触发了随后钙钛矿层的网格形成的盐晶体作为引诱剂或催化剂,让印刷在基材上的盐样前体快速、均匀地结晶,克服了以往不能从液态溶液中生产出高质量LED半导体层的难关,创造出了比以前使用增材制造工艺所具有的更高的发光度和更好的电性能的印刷LED。

　　通过HZB和HU研究人员的喷墨印刷制备工序,所产出的一、金属卤化物钙钛矿LED有望产生特别高的发光效率,提升照明产品光品质的同时,还为日后更高光效LED光源电子组件的诞生提供技术借鉴。

　　二、无荧光粉白色半极化LED

　　同月,美国加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,UCSB)研究团队与诺贝尔奖得主中村修二共同开发出了一种制造无荧光粉白色半极化LED的新方法。该LED器件诞生后,可望将其作为背光源使用。

无荧光粉白色半极化LED各项参数示意图

　　研究过程中,研究团队在块状氮化镓衬底上采用蓝色量子阱(顶部)和黄色量子阱(底部)生长出无荧光粉的白色InGaN(铟镓氮)LED,这些LED发射波长峰值为427mn的蓝光及560nm的黄光,输出功能为0．9mW,克服了由荧光粉转换而来的白色LED能量损耗及热稳定性下降等问题。

　　研究团队认为,无荧光粉的高效LED作为背光源的前景可期,有望实现用于可见光通讯LiFi中的Micro LED。

　　三、深蓝色磷光OLED

　　同月,韩国釜山国立大学(Busan National University)教授金圣浩(Jin Sung-ho)领导的研究团队研发出了一种深蓝色磷光OLED材料和装置,与荧光材料相比,这种材料具有优越的外部量子效率和现场照明特性。

　　研究团队通过调整掺杂浓度来优化OLED发光层内部电子和气孔之间的浓度不平衡,解决了低亮度和效率问题。研究人员还通过控制发光层中的电子和气孔的浓度,实现了24%的效率。

　　该OLED材料和装置的出现,填补了同类型器件效率及亮度低下的缺点,满足NTSC的蓝色标准,为照明及显示产品的高品质应用带来强大源动力。

　　四、远红/近红外光OLED

　　7月,英国纽卡斯尔大学、伦敦大学学院、伦敦纳米技术中心、波兰科学院有机化学研究所(波兰华沙)和国家研究委员会纳米结构材料研究所(CNR-ISMN,Bologna,Italy)的科学家们创造了远红/近红外溶液处理的新型OLED。

用于VLC的发近红外光的OLED结构示意图

　　通过将设备集成到实时VLC装置中,该OLED器件达到了超过1 Mb / s的无错误传输速度,成功地扩展了带宽,并为有机发光二极管实现了有史以来最快的数据速度。

　　从物联网应用的角度来看,该OLED器件实现的数据速率足以支持室内点对点链路,为新型物联网(IoT)连接以及可穿戴和可植入生物传感器技术创造了机遇。此外,由于有机发光二极管的活性层中没有有毒的重金属,拥有该OLED器件的新VLC装置有望集成便携式、可佩戴或可植入的有机生物传感器。

　　五、高效纳米级LED

　　8月,美国国家标准与技术研究所(NIST)、马里兰大学和伦斯勒理工学院等高效科研人员开发出了一种具备产生激光能力的新型纳米级发光二极管(LED)。该LED器件的亮点是其亮度,为传统亚微米级LED的100～1000倍。

可作为微型激光器的高效纳米级LED

　　该LED器件制作过程中,虽然其使用的材料与传统LED装置相仿,但科研人员对其内部架构进行改进,并引入了氧化锌翅片,利用该翅片细长的形状和较宽的侧面或许能够接收更多电流,让改LED器件能发射出包括紫光至紫外光的明亮光线,产生高达20微瓦的功率,是一般小型LED的成百上千倍,成为了名副其实的微型激光器。

　　该LED器件凭借着其高光效,在化学传感、便携式通信产品、高清显示器和芯片级设备等方面都有重要应用价值。

　　六、高性能红光QLED

　　11月,中国科学院长春应用化学研究所和云南大学丁军桥团队采用有机电子传输层来替代传统的ZnO无机电子传输层,成功地组装出高性能的红光量子点发光二极管(QLED)。

高性能红光QLED制备过程参数图

　　器件研制过程中,该研究团队选择含氮杂环类化合物作为有机电子传输层,同时通过能带工程,对中心核的分子结构进行微调。当中心核从苯环变到嘧啶和三嗪时,最低未占据分子轨道(LUMO)能级从-2．28 eV增加到-2．79 eV和-3．07 eV,电子注入能力逐渐增强。最终,以三嗪为中心核的有机电子传输层TmPPPyTz实现了最优的载流子平衡性,器件外量子效率(EQE)高达13．4%(18．8 cd/A,23．9 lm/W),CIE色坐标为(0．68,0．32)。

　　该QLED器件的成功制备,将为照明及显示产品光学品质的提升带来重要的应用价值。

　　七、高光效InGaN基橙—红光LED

　　同月,中国南昌大学的江风益院士课题组研制出了最新的高光效InGaN基橙—红光LED。

(a) 高光效橙光LED外延材料结构示意图与 (b) 其断面TEM测试结果

　　该LED器件研制过程中,课题组基于硅衬底氮化镓技术,引入了铟镓氮红光量子阱与黄光量子阱交替生长方法,并结合V形坑技术,从而大幅缓解了红光量子阱中高In组分偏析问题,再依据V形p-n结和量子阱带隙工程大幅提升了红光量子阱中的辐射复合速率,让制备出的InGaN基橙-红光LED在发光波长分别为594、608和621 nm时,功率转换效率分别为30．1%、24．0%以及16．8%,光效相较于过往相同波段InGaN基LED整体提高了约十倍。

　　该LED器件的成功研制,证明了InGaN材料在制作显示应用的红光像素芯片上将有巨大潜力和美好的应用前景。

　　八、高光效硅基LED

　　12月,美国麻省理工研究团队成功设计出了一款高光效硅基LED,其亮度比其他同类器件亮度提升10倍。

　　该LED器件的制作采用了正偏方法,同时将LED中PN结的组合方式进行改变,将N区和P区从传统的并列排放改为垂直叠放,让二极管内的电子及空穴远离表面和边缘区域,防止电子将电能转换为热量,成功将硅材料的光电能量转换效率提高,进一步提升硅基LED的亮度,并降低了LED相关产品的制造成本。

　　凭借着高亮度,该LED器件集成在CMOS芯片后,在近程传感方面有更加广泛的应用场景。

　　九、全球最轻薄有机LED

　　同月,英国圣安德鲁斯大学物理与天文学学院的科学家利用有机电致发光分子、金属氧化物和具有生物兼容性的聚合物保护层,制造出了这种像日常保鲜膜一样纤薄而柔韧的有机LED。迄今为止,该LED器件是全球最耐用、最轻、最薄的光源。

全球最轻薄的LED光源

　　该光源凭借着极具力学的柔韧性,未来除了可应用于移动技术领域之外,还可整合到工作台表面、包装和衣物内,也用于可穿戴设备以及在生物医学研究中用作植入物,研究大脑功能,让其成为生物医学和神经科学研究领域的新工具,有望在临床领域发挥作用。

　　此外,该光源衍生出的新技术还可创建光学接口,将信息直接发送给视觉、听觉或触觉受损的患者的大脑。

　　十、AlGaN基全结构深紫外LED

　　同样在12月,中国北京大学、松山湖材料实验室和中国医学科学院的合作者们成功打造了AlGaN基全结构的深紫外LED,并以此为基础制作了具有高功率密度的杀菌光源模组,在对新冠病毒的杀灭实验中取得优异表现。

(a) 深紫外LED的输出功率与电流曲线(插图为对应发光谱)
(b) 深紫外LED阵列(15×13) 集成光源工作状态展示
(c) 集成光源在不同辐照距离处的功率密度与工作电流关系曲线
(d) 新冠病毒杀灭实验示意图

　　该LED器件的研制工作覆盖了上游材料外延、中游芯片设计制备、下游器件与模组封装等全产业链范围,第一步在外延端基于纳米级图形化衬底和高温MOCVD技术,获得了高晶体质量的AlGaN基深紫外LED外延结构;第二步在中游流片端通过设计电极结构与摸索电极工艺实现高电流注入效率与高出光效率;第三步在下游通过利用AlN陶瓷基板,优化封装工艺与电路设计,制成稳定性优异的高功率杀菌模组。

深紫外集成光源在1秒内杀灭新冠病毒实验结果

　　通过三步骤相互配合,所组装出的高功率密度深紫外杀菌光源在中国医学科学院实验动物科学研究所BSL-3级实验室实现了对新冠病毒1秒的瞬间杀灭,在与空白对照组的实验中,辐照组结果显示超过99．99%的新冠病毒被彻底杀灭。

　　该LED器件凭借着优异的杀菌性能,不仅在短期内为缓解新冠疫情显现了巨大潜力,更为未来深紫外杀菌行业提供了新的发展思路。

　　不断完善的性能、不断延伸的应有领域、不断提升的科技含量……作为照明产业的“大脑”,每一个LED光源器件创新之作的诞生,都将对照明行业的发展带来变革性的推动,也将激励着更多的照明人投身科技创新,为全球照明事业的健康发展注入更多知识与智慧的力量。

编辑:严志祥来源:中国照明网原创