超高效率照明技術(shù)之四色LED的應(yīng)用

　　白光LEDs的效率正以飛快的速度上升中，在2004年，工程師引以為傲被問到350mA時的功率幾乎是60 lm/W， 但在今天的研究記錄則超過130 lm/W。

　　這樣照明效率幾乎是省電燈泡（compact fluorescents）的兩倍，而且比日光燈（incandescent）效能高上10倍之多的白光LED已被定位成一般的照明應(yīng)用。然而，進一步改善可以強化固態(tài)照明設(shè)備的效能，同時能實際節(jié)省能源及減少照明費用。

　　不幸地，傳統(tǒng)白光LED所剩的效能改善空間正在縮小中，經(jīng)由下轉(zhuǎn)換式（down-converting）磷光體將晶片上的藍光或紫外光轉(zhuǎn)換成黃光的過程會浪費能量并且局限元件的效能。舉例來說，Nichia估算以藍光激發(fā)磷光體之最大理論功率為263 lm/W，但只有203 lm/W等值的紫外光來源。

　　根據(jù)Jeffrey Tsao以及在Sandia國家實驗室的同仁的說法，藉由改變LED基本的架構(gòu)可以達到更高的功率。該團隊已顯示出藉由顏色混合的方式小心選取四個不同發(fā)光波長的LEDs，在演色性指數(shù)（color rendering index；CRI）為90時的理論功率可以超過400 lm/W at，Tsao說道CRI值在90是最好的，而且可以滿足所有實質(zhì)的白光應(yīng)用。

　　起初乍看之下，所有的元件效能似乎非常令人鼓舞，但Tsao明白指出，要達到這個效能目標是沒有捷逕的，在開始的研究中，元件要得到近乎理論的功率需要幾乎100%的光電轉(zhuǎn)換效能。雖然已經(jīng)可以制作出80%效率的紅外線雷射，Tsao選擇了530 nm及573 nm兩個落在相對較差效能范圍的波長，就是所謂的”綠光能隙”（green gap），最佳的LEDs在這個光譜范圍是無法展現(xiàn)最佳的效率（參見圖一）。

　　顯然實質(zhì)改善綠光能隙（green-gap）LED效能是必要的，而朝向這個目標的第一步包括明確的建立阻礙元件輸出的原因認知，這個問題在科學界間是個爭議性的熱門話題，而Tsao推測各種類型的缺陷皆可能扮演著某一種角色。

　　這些架構(gòu)在InGaN/GaN磊晶層（epilayers）的元件（以及它們的藍光系列元件）被做在異質(zhì)（foreign）基板（例如藍寶石（sapphire）和SiC基板），而這些基板會產(chǎn)生應(yīng)力（strain）和高度貫穿式差排（Threading Dislocation； TD）密度，而典型的TD密度范圍介於5 × 108到5 × 109 cm–2之間。姑且不論這些高缺陷密度，InGaN LEDs可以產(chǎn)生的外部量子效率仍可達70%，然而有些證據(jù)推測這些缺陷仍舊會限制量子效能：陰極射線發(fā)光（cathodoluminescence）的研究已揭露出貫穿式差排結(jié)構(gòu)（TDs）是不會放光的，當所有計算都指出螺旋錯位（screw dislocations）會誘導應(yīng)力場（strain fields） 而局限其中一種載體，并且限制它們以幅射的方式（radiative）再結(jié)合。

　　除此之外，點狀缺陷（例如鎵和氮空缺及碳和氧不純物）會扮演著非放光再結(jié)合中心，GaN正子消散（positron annihilation）的研究中顯示已知的缺陷與鎵空缺結(jié)合會限制光激發(fā)發(fā)光效率。在更低的長膜溫度條件下的點狀缺陷變得更普遍（這是高濃度的銦（indium）成份制作綠色及黃色LED所需要的制程環(huán)境），在較長的發(fā)光波長下，這些缺限會降低LED的效率。

　　綠光及黃光LED效率也受到本身極化場（intrinsic polarization fields）所沖擊， 而這個效應(yīng)會隨著更高的銦原子濃度而變得更強，濃度極化作用（polarization）可以幫助發(fā)光位置產(chǎn)生紅位移（red-shift）， 但是這個好處在更高的驅(qū)動電流下會被內(nèi)部電場載體誘導屏蔽（carrier-induced screening）所抵消，這意味著發(fā)光波長會隨著溫度而變化，這是色彩混合方法最主要的障礙。