绿色环保照明简史系列之半导体照明

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1、蓝光芯片型白光LED提升光效

a) 提升内量子效率在有源区产生更多的蓝光并减少蓝光输出时的吸收,随着外延生长技术和多量子阱结构的发展,超高亮度发光二极管的内量子效率已有了非常大的改善,蓝光LED已达90%以上;

b) 提升光提取效率  采用倒装结构避免正装结构的电极和金线遮挡光;平衡解决透明导电膜吸光与扩散电流的矛盾;底部反射层使蓝光向正面出光方向反射;表面图型化或表面粗糙化技术避免因折射率差异大导致的发光被过多全反射等;接近芯片折射率的封装材料;

c) 提升荧光粉光致发光转换的外量子效率 研发光致发光转换效率高的荧光粉材料及配比;

d) 提升封装的光出射效率 封装材料的折射率高有利于芯片出光的提取率,但也会使与空气折射率差异增大;对于平面型封装,导致与空气界面之间的向内全反射增大,从而又使出光率减小,因此,在平面型封装之上可考虑再加一层折射率过渡的二次透明封装层;此外,对于非平面型封装,改进荧光粉涂层厚度和形状以及封装结构形状,避免因折射率差异大所导致的出射光被过多全反射。

绿色照明简史系列之半导体照明(四)

蓝光芯片型白光LED的最高光效主要由四部分所限:

①蓝光的内量子效率估计不超过90%(较高温影响下,而小功率常温可达95%左右);

②外延层的光提取效率估计不超过85%(正装结构和垂直结构其GaN与硅胶或环氧树脂的材料折射率决定的全反射角约42°;倒装结构其GaN与Al2O3的全反射临界角约46°;进行图型优化等处理后估计不会超过75°);

③蓝光转换为白光的最高量子效率估计不超过70%(视见效率最高的为无损耗单光谱555nm绿光,蓝光全部转换至555nm单色绿光的光致发光效率不超过78%);

④荧光粉层白光出射球型封装的效率不超过95%(平面封装出射率将可能更低得多,这一项人们平时关注较少,因为光从硅胶或环氧树脂出射至空气的全反射临界角仅约为42°)。

这四部分相乘的综合光效率估计不超过50%;也就是说蓝光芯片型白光LED的光效不会超过340Lm/W左右。

据报道,目前全球最高光效的白光LED是美国CREE公司2014年3月宣称303Lm/W。已接近本文上面分析预计的白光LED光效的极限。

绿色照明简史系列之半导体照明(四)

美国CREE公司实验室碳化硅衬底白光LED光效进展

我国目前国产化的LED光效也已逐步赶上国际先进水平。多年前,我国南昌大学团队采用在硅晶片上预先栅格化刻蚀来缓解生长GaN后降温过程中热匹配差异大造成的龟裂和位错缺陷,通过特殊措施改进MOCVD设备关键部件“密布输气管”来改善GaN生长的均匀性等等自主专利技术,突破了硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管的关键技术,成为继日美之后第三个掌握蓝光LED自主知识产权技术的国家。打破了日本蓝宝石衬底、美国碳化硅衬底长期垄断国际LED照明核心技术的局面,与日美技术形成全球三足鼎力之势。据国家半导体照明工程研发及产业联盟发布的《2018中国半导体照明产业发展蓝皮书》数据:“2018年我国产业化白光LED光效水平达到180Lm/W,硅基黄光(565nm@20A/cm2)电光转换效率24.3%,硅基绿光(520nm@20A/cm2)电光转换效率41.6%”。这是值得可喜的,但在半导体集成电路产业8寸、12寸等主流大尺寸硅晶片要想大规模应用于LED照明产业,在目前主流仍为6寸以下小尺寸蓝宝石衬底在LED照明产业链已形成了先发优势的情况下,硅晶片本身的工艺成熟和低成本优势反而发挥不出来。预计还需等待封装设备等产业链升级到采用6寸以上衬底成为主流时,硅基LED的大批量需求才将会不断地回归其原本就具有的比蓝宝石和氮化镓衬底工艺成本低很多的优势,这时硅基LED应用市场前景就非常光明了。

2、RGB型白光LED提升光效

早期因为红光,特别是绿光LED的光效不高,所以由三个红绿蓝的LED组成的RGB型只限于显示或装饰照明用途,随着绿光LED光效的逐步提升,RGB型白光LED进入实用化照明。RGB型白光LED的主要优点是:首先,不需荧光粉来转换光,单这一点从理论上来说就可减少蓝光芯片型白光LED中至少20-30%的光致发光能量转换损失;其次,可方便调节色温和颜色,这在智能智慧照明应用中很重要。但是RGB型白光LED其主要缺点是绿光LED的光效仍不高,导致总的发光效率目前比蓝光芯片型白光LED低较多;另RGB三个LED需严格选配光度和色度分布,使红绿蓝三个LED所发光的光色分布曲线应该平滑完全一致且投射方向一致,否则在不同距离和方向上的光度和色度不均匀性严重;还有需要红绿蓝三种LED的三套供电系统,使驱动电路复杂化、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匀是蓝光芯片型白光LED和RGB型白光LED一定存在的固有缺陷,只是程度不同而已。由于人眼对紫外线没有感知,利用紫外LED芯片发出的紫外线被封装涂层中的红绿蓝三基色荧光粉吸收并转换成白光,所以紫外芯片型白光LED与传统荧光灯一样都不存在色度分布不均匀问题,光度均匀性也比蓝光芯片型和RGB型要好得多,这是其最大的优点。紫外线芯片型白光LED的主要缺点是,一般来说在荧光粉光致发光转换出的光谱包络与蓝光型白光的连续光谱相似情况下,紫外线芯片型白光LED的发光效率比蓝光芯片型要更低,其紫外线波长越短,转换效率就越低(254nm紫外线下的荧光粉光转换效率不超过50%),且制作难度成倍地增加,所以从理论上来说照明不可能使用短波紫外线芯片来制作白光LED。此外,还需研发针对长波紫外线激发的高效荧光粉。而且笔者建议其荧光粉转换后发射的光谱应像节能荧光灯的三基色那样红绿蓝三色形成分离状的不连续光谱,各自为窄光谱,绿色波峰还应靠近光效最高的555nm,这样的绿光搭配红蓝光后就可能轻易超过340 Lm/W的蓝光芯片型白光LED的极限光效。当然即使荧光粉能做到这样,不改进目前LED芯片的发光波长半宽度太宽的现状,不能象传统荧光灯中低气压放电产生的254nm工作紫外线其非常窄的波长半宽度去配合荧光粉,其效果可能仍然不太佳。

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