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科普:关于LED的那些事儿
发布日期:2017-11-21
分类:最新公告

 

美国能源部最新报告指出,至2020年,该技术有望减少照明行业15%的能源消耗,2030年节约30%——即光2030年就能节约261 TWh(太瓦时)的能量,以当前的价格计算其价值超过260亿美元,相当于美国两千四百万家庭目前的能源消费总和。此外,这些节约的能量用于混合发电厂将减少大概一千八百万吨CO2温室气体的排放。  

 

 

 

虽然在很多情况下,这些设备的初始成本仍然高于现有的光源设备,但是LEDs更高的效率以及更长的寿命使其具有很强的竞争力。

 

 

 

Strategies Unlimited估计2013年全球销售出4亿只LED灯,McKinsey调查表明2016年LEDs在全球普通照明市场的份额将达到45%,2020年将接近70%。到2020年,该领域的市场容量预计将从目前的约260亿美元提高到720亿美元。

 

 

 

LED装置是一个复杂的多组分系统,可根据特定需求调整性能特征。以下章节将讨论白光LED及其他应用。

 

 

 

 

LED的发展之路

 

 

 

 

无机材料中电致发光现象是LED发光的基础,HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分别报道LED发光现象——电流通过使得碳化硅(SiC)晶体发光。这些结果引发了半导体及p-n结光电过程的进一步理论研究。

 

 

 

20世纪50、60年代,科学家开始研究Ge、Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光性能。Richard Haynes和William Shockley证明了p-n结中电子和空穴复合导致发光。随后,一系列半导体被研究,最终于1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响,1971年George Craford发明了橙光LEDs,1972年又相继发明了黄光和绿光LEDs(均由GaAsP组成)。

 

 

 

强烈的研究迅速使得在宽光谱范围内(从红外到黄色)发光的LEDs实现商业化,主要用于电话或控制面板的指示灯。实际上,这些LEDs的效率很低,电流密度有限,使得亮度很低,并 不适于普通照明。

 

 

 

 

蓝光LEDs

 

 

 

 

效的蓝光LEDs的研发花费了30年的时间,因为当时没有可应用的足够质量的宽带隙半导体。1989年,第一个基于SiC材料体系的蓝光LEDs商品化,但由于SiC是间接带隙半导体,使得其效率很低。

 

 

 

20世纪50年代末就已经考虑使用直接带隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展示了第一款发射绿光的GaN基LED。然而,制备高质量GaN单晶以及在这些材料中引入n-型和p-型掺杂的技术仍然有待开发。

 

 

 

20世纪70年代发展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技术对于高效蓝光LEDs的发展具有里程碑意义。1974年,日本科学家Isamu Akasaki开始采用这种方法生长GaN晶体,并与Hiroshi Aman合作于1986年通过MOVPE方法首次合成了高质量的器件级GaN。

 

 

 

另一个主要挑战是p-型掺杂GaN的可控合成。实际上,MOVPE过程中,Mg和Zn原子可进入这种材料的晶体结构中,但往往与氢结合,从而形成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其合作者观察到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜观察过后会发射更多的光。

 

 

 

同样的方式,他们证明了电子束辐射对Mg原子的掺杂性能起到有益的作用。随后,Shuji Nakamura提出在热退火之后增加一个简单的后沉积步骤,分解Mg和Zn的复杂体,该方法可轻易实现GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。

 

 

 

应该指出的是,这些三元体系的能带可通过Al和In的成分进行调节,使得蓝光LEDs的设计增加了一个自由度,对于提高其效率具有重要的意义。事实上,目前这些器件的活性层通常由一系列交替的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端约束)组成。

 

 

 

1994年,Nakamura及其合作者基于n-型和p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对称双异质结构设计首次展示了具有2.7%外量子效率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1列举出了LEDs主要的性能指标定义)

 

 

 

该LED结构示意图示于图1a。这些结果对于如今应用的LED基照明技术而言是很关键的,也因此引发了照明行业的革命。2014年底,诺贝尔物理学奖授予Akasaki、Amano和Nakamura,表彰他们“发明用于照明以及白光源节能的高效蓝光LED”。

 

 

LED性能指标

 

 

 

 

 

 

量子效率Quantum efficiency:材料内量子效率(IQE)为辐射的电子-空穴复合(即产生光子)数量与复合总量(辐射与非辐射)的比值。

 

 

 

该指标决定了半导体材料发光效率。半导体LED性能通常使用外量子效率(EQE)表示,即IQE与提取效率的乘积。提取效率特指产生的光子中逃离LED的部分。EQE取决于直接影响IQE的半导体层缺陷和影响提取效率的器件构造。

 

 

 

发光效率(Luminous efficacy):发光效率表示光源发射可见光辐射的效率,单位一般为lm W−1。光源以单色绿光(频率为450x1012 Hz,对应波长约为555 nm,人类眼睛最敏感的光,图2b为相应的眼睛灵敏度曲线)转换100%电能,其最大发光效率达到683 lm W−1。

 

 

 

照明用的白光源通常要求有比全部可见光波段更宽的发射光谱,因此其发光效率明显低于其最大值。电能转换成眼睛灵敏度曲线以外的辐射,无法用于照明,本应尽可能减小这类辐射。

 

 

 

相关色温(Correlated colour temperature):用于比较不同照明技术的参比光源是处于热平衡的黑体辐射。根据普朗克辐射定律(Planck's law of radiation),黑体白炽灯的发射光谱取决于它的温度,相应于不同温度下辐射的色点用CIE图表示,即称之为普朗克轨迹(Planckian locus)的黑点曲线(图2f、h)。

 

 

 

沿着普朗克轨迹的不同位置,白光的相关色温(CCT)大致可分为“暖白”(2,500-3,500 K)、“自然白”(3,500–4,500 K)、“冷白”(4,500–5,500 K)以及日光(5,500–7,500 K)。

 

 

 

显色指数(Colour rendering index):显色指数(CRI)是一个无量纲的指标,描述白光源以一种相对于人类视觉感知而言准确且舒适的方式显色的能力,同时考虑参比光源(相同CCT下,黑体辐射在CCT<6,000 K或者自然光CCT>6,000 K条件下进行测试)。

 

 

 

CRI通常被定义为8个测试颜色样本(R1-R8)的显色平均值,额定范围在0到100之间。对于高CRI采用额外的R9值,表示深红色。CRI=100意味着由测试光源发光的所有颜色样本都与参比光源发光的相同样本具有相同的颜色。

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

过去20年,蓝光LED的EQE逐步提高,这也是不断降低GaN晶体结构缺陷密度的结果。出于成本效益的原因,这种材料通常生长于蓝宝石衬底上,然而二者存在着16%的晶格失配以及不同的热膨胀系数。这两个因素导致1,000℃附近MOVPE生长GaN过程中位错缺陷的产生。

 

 

 

细致优化生长工艺可使缺陷保持在107~108 cm-2范围内,但需进一步提高其他LED应用的相同结构半导体的质量。虽然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度,但其具有比其他低缺陷密度的宽带隙半导体二极管(如ZnSe)更高的效率,具体原因至今不明。

 

 

 

另一个强烈影响LEDs提取效率以及内量子效率(IQE)提高的因素是器件的构造。图1a显示了外p-型GaN层,其具有相对较低的电导率,从而限制了器件中的空穴注入,但是这个瓶颈可通过覆盖整个p-GaN表面的更大p-型接触来克服。然而,电接触会阻碍输出光子。

 

 

 

几种设计方案都可以解决这个问题,如图1b、c所示。倒装芯片(图1b)是指芯片倒置安装且p-和n-接触都在背后。这种构造提供更好的散热,获得更高的电流密度,从而使得每片芯片表面具有更高的光输出。蓝宝石在蓝光和绿光区域是透明的,并不妨碍发光

 

 

 

此外,接触部位可采用涂层(例如Ag)来反射那些向基座方向发射的光子。可采用薄膜芯片倒装法(图1c)进一步提升性能。从n-GaN层上讲基底移除,并将表面粗糙化,以提高光提取效率。据报道,结合材料以及构造的进展, ~444 nm处发光的InGaN LEDs在20 mA下EQE可达到84.3%。

 

 

 

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