白光LED的三種主要技術路線解析

白光LED種類:照明用白光LED的主要技術路線有: ①藍光LED+熒光粉型; ②RGB LED 型; ③紫外光LED +熒光粉型

1、藍光-LED芯片?+ 黃綠熒光粉型包括多色熒光粉衍生等型

黃綠熒光粉層吸收一部分LED芯片的藍光產生光致發光,另一部分來自LED芯片的藍光透射出熒光粉層后與熒光粉發出的黃綠光在空間各點匯合,紅綠藍三色光混合組成白光;這種方式中,外量子效率之一的熒光粉光致發光轉換效率的最高理論值將不超過75%;而芯片出光的提取率最高也只能達到70%左右,所以,理論上藍光型白光LED光效最高將不超過340 Lm/W,前幾年CREE達到303Lm/W,如果測試結果準確的話是值得慶賀的。

2、紅綠藍三基色組合RGB LED 型包括RGBW- LED型等

R-LED(紅)+ G-LED(綠)+ B- LED(藍)三個發光二極管組合在一起,所發出的紅綠藍三基色光在空間直接混合組成白光。要想用這種方式產生高光效白光,首先各色LED特別是綠色LED必須是高效光源,這從“等能白光”中綠光約占69%可見。而目前,藍光和紅光LED的光效已經做到很高了,內量子效率分別超過90%和95%,但是綠光LED的內量子效率卻遠遠落后。這種以GaN為主的LED綠光效率不高的現象被稱為“綠光缺口”。其主要原因是綠光LED還沒找到專屬自己的外延材料,現有磷砷氮化物系列材料在黃綠色譜范圍里效率都很低,而采用紅光或藍光的外延材料制作綠光LED,在較低的電流密度條件下,因為沒有熒光粉轉換損耗,綠光LED要比藍光+熒光粉型綠光的光效更高,據報道在 1mA電流條件下其發光效率達到291Lm/W。但在較大電流下Droop效應導致的綠光的光效下降很顯著,當電流密度增加,光效下降很快,在350mA電流下,光效是108Lm/W,在1A條件下,光效下降到66Lm/W。

對于III族磷化物而言,發射光到綠色波段成為了材料系統的基礎障礙。改變AlInGaP的成分讓它發綠光,而不是紅光、橙色或者黃色—造成載波限制不充分,是由于材料系統相對低的能隙,排除有效的輻射復合。

相比之下,III族氮化物要達到高效難度更大,但困難并不是無法逾越的。用這個系統,將光延伸到綠光波段,會造成效率降低的兩個因素是:外部量子效率和電效率的下降。外部量子效率下降來源于盡管綠光帶隙更低,但綠光LED采用GaN的高正向電壓,使得電源轉換率下降。第二個缺點是綠光LED隨注入電流密度增大而下降,被droop效應所困。Droop效應也出現在藍光 LED中,但在綠色LED中影響更甚,導致常規的工作電流效率更低。然而,造成droop效應原因猜測很多,不僅僅只有俄歇復合這一種一其中包括了錯位、載體溢出或者電子泄漏。后者是由高壓內部電場增強的。

因此,提高綠光LED光效的途徑:一方面研究現有外延材料條件下如何減小Droop效應來提升光效;第二方面,用藍光LED加綠色熒光粉的光致發光轉換發出綠光,該方法可以得到高光效綠光,理論上來說可達到高于目前的白光光效,它屬于非自發綠光,其光譜展寬所導致的色純度下降,對于顯示來說是不利的,但對于普通照明來說沒有問題,該方式獲得的綠光光效有大于340 Lm/W的可能性,但組合白光后仍然不會超過340 Lm/W;第三,繼續研究尋找專屬自己的外延材料,只有這樣才有一線希望通過獲得比340 Lm/w高較多的綠光后,再由紅綠藍三個三基色LED組合后的白光才可能高于藍光芯片型白光LED的光效極限340 Lm/W。

3、紫外光LED芯片 ?+ 三基色熒光粉發光 ?

上述兩種白光LED的主要固有缺陷是光度和色度空間分布不均勻。而紫外光是人眼無法感知看到的,因此,紫外光出射芯片后被封裝層的三基色熒光粉吸收,由熒光粉的光致發光轉換成白光,再向空間發射。這是它的最大優點,就像傳統熒光燈一樣,它不存在空間顏色不均勻。但紫外光芯片型白光LED的理論光效不可能高于藍光芯片型白光的理論值,更不可能高于RGB型白光的理論值。但是只有通過研發適合紫外光激發的高效三基色熒光粉才有可能得到接近甚至比上述兩種白光LED現階段光效更高的紫外光型白光LED,越靠近藍光的紫外光型LED其可能性越大,中波和短波紫外線型的白光LED就不可能了。