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如何利用GaN氮化镓半导体提高白光LED的发光效率

  GaN(氮化镓)系蓝紫色发光组件可应用于新世代DVD,因此备受相关业者高度期待,此外利用LED高辉度、省能源的发光特性,蓝紫色发光组件未来还可取代传统的白炙灯、荧光灯,成为白光照明灯源的主流。氮化镓的格子缺陷很多却能够产生高辉度,主要原因是藉由奈米技术控制组件结构,使得组件的发光效率得以提高,进而获得高辉度。

  利用GaN(氮化镓)系半导体的白色发光二极管,做为新世代固态照明灯源是历经无数的转折,十年前包含产官学研界几乎未曾将半导体白色发光二极管纳入考量,虽然有很多研究人员非常关心蓝光LED的发展,却都无视白光LED的应用潜能。

  97年利用蓝光LED激发黄色荧光体(YAG;钇、铝、石榴石、铈的混合物),再透过蓝色与黄色荧光体的互补特性,产生二色式拟似白光的LED正式进入量产,加上行动电话的应用促成白光LED全面性的普及,使得白光LED成为全球性的研究主流。

  由于白光LED不需使用荧光灯常用的玻璃管、惰性气体、水银、变压器、升压器,所以可以大幅节省能源,取代荧光灯与白炙灯除了可节省能源之外,废弃物的减少对地球环保也有莫大的助益。

  97年日本通产省根据京都环保会议的省能源对策决议,组成「21世纪光源计划小组」,并委托日亚化学与丰田合成进行技术开发,该计划小组将近紫外LED的外部量子效率(以下简称为取光效率)目标定为40%,当时蓝光LED的取光效率为15%,紫外LED的取光效率祇有7.5%,目前紫外LED的取光效率则已经超过31%,也因此使的高性能白光LED的量产诱因更加扎实,而21世纪光源计划小组对全球白光LED的研究开发在提高取光效率的研发上扮演着更重要的角色。

  有关LED的基本动作原理,具体而言是电流顺时钟方向通过半导体p-n(正孔与电子)接合面时,正孔与电子会注入奈米级厚度的活性层(亦称为发光层),进而因辐射再结合过程(process)产生发光现象。

  利用混晶(亦称化合物为半导体)InGaN产生高辉度蓝光或是绿光的LED虽然已经进入商品化,可是有关发光机制传统的半导体物性物理学理,却无法具体说明因原因而屡遭质疑。其实不论是LED或是半导体雷射LD等发光组件(device),通常都具有 以上的格子缺陷,格子缺陷会阻碍发光,形成所谓的「发光杀手中心」,最后导致发光效率降低等问题。

  以GaN为基础的InGaN/GaN量子井QW型LED,含量109~1010/cm2 左右高密度格子缺陷,按照传统理论,如此高密度格子缺陷照理说不会发光,实际上InGaN/GaN系LED却能作高效率发光,换句话说InGaN系LED具有与以往LED相异的发光机制。InxGa1-xN是由InN与GaN所构成的三维化合物半导体,GaN层属于近紫外LED活性层,因此适合使用光学评鉴方式研究。如表1所示GaAs、ZnSe等常用的Ⅲ-Ⅴ(三五族)、Ⅱ-Ⅵ(二六族) 化合物半导体与GaN最大差异点,是GaN氮化物半导体的纵光学(LO:Longitudinal Optical;以下简称为LO)与音子(phonon;格子波的量子)的能量(ħ ω =h/2π,h为膜厚plank常数)大于92.5 ,因此电子与LO相互作用的能量( αe ħ也随着变大,两者互动值往往超过44.2 (表1的 αe 为Frohlich结合常数,ω为音子的振动数),导致被激发的载子(carrier;电子与正孔)会与LO产生强烈的互动,如图1所示被结晶格子捕获的电子变重(称为polaroon状态)形成自我束缚状,最后造成载子祇能在极短距离内移动,而电子则成为自由电子般的漂流。

  另一方面正孔也形成polaroon自我束缚状,加上In原子与Ga原子的电气阴性度的差,尤其是In原子周围短距离型电位(potential),有可能产生强大的正孔捕捉。类似上述的电子与正孔的挶限化,会在奈米以下的原子大小范围内产生,这种现象可视为InGaN化合物半导体的固有性质,换句话说注入发光组件活性层的载子,由于上述的捕捉效应被空间性的挶限,到达「发光杀手(killer)中心」的比率则相对的偏低,所以即使InGaN/GaN等化合物半导体具有大量的转位格子缺陷,仍旧可作高效率的发光。

  除了以上介绍的模式之外,会发光的理由是因为In特异性质产生下列两种模式:

  1.GaN活性层的In组成不均,使得黏着电位(coherent potential)动摇,造成激发子产生挶限现象。

  2.存于InGaN活性层非常微细的In高浓度领域(亦即量子点) 激发子产生挶限现象。

  上述其中的任一种模式的激发子挶限现象赋与高效率发光特性,乃是很常识性的想法。不过第1.项模式却无法说明发光与激发频谱所产生的storks shift,以及它的温度依存性发生原因,也就是说1.与2.的模式祇能解释发光现象是挶限激发子所造成的。

  是具备InGaN/GaN系量子井结构之LED发光波长与外部量子效率(亦即取光效率)的变化特性,图中的r、£、◆符号分别是日亚化学与Cree,以及21世纪光源计划小组的正式报告数据。由图可知发光波长愈短活性层的In含有量就有愈少的倾向,此时应该是外部量子效率的最大值,它的波长依推测约在400nm左右。

  2001年1月21世纪光源计划小组达成31%外部量子效率(发光波长为399~400nm,动作条件:3.4V,200mA),它是目前全球最高的外部取光效率。接着要介绍有关如何完成当初设定的发光波长400nm,外部量子效率40%目标的高效率LED发光结构。如上所述电子与正孔因固有挶限效应被结晶格子捕获,在此状态下的载子(carrier)若欲发挥最大的挶限效应,势必彻底减少格子缺陷密度,同时还需控制In组成的摇晃与歪曲,也就是说极力控制发光process,并藉由电子与正孔的再结合过程,才是根本提达成LED高效率发光的根本方法。

  基于发光机制的考量,21世纪光源计划小组试作图3所示之高功率近紫外LED,具体而言它是在已加工的蓝宝石(sapphire)基板,利用LEPS法(Lateral Epitaxy on a Patterned sapphire Substrate)使活性层的格子缺陷密度降低至108/cm2 左右,之后再用双稳态芯片(flip chip)方式固定于Si mount基板,在382nm波长,20mA时,外部量子效率为24%;400nm波长,20mA时外部量子效率为31%,如果使用散热器(heat sink)时,1mm平方的芯片可承载400mA的电流,同时还可以获140mW的发光功率。

  为获得完美高演色性 (Ra≧85;Ra为平均演色评鉴数),基本上白光LED可分为如表2所示的单芯片型(single chip)与多芯片型(multi chip)两种方法。

  一种是同时点亮红色(Red)、绿色(Green)、蓝色(Blue)LED产生白光;另一种是利用蓝光或是紫外光LED作为激发光源,激发荧光体获得白光。除此之外,单芯片型最新技术动向是改变活性层的性质,利用单纯的半导体产生RGB三色光,进而获得白光效果。

  多芯片型方式碍于各颜色LED的驱动电压、发光功率、配光特性的差异,以及温度特性、组件寿命的相违,因此距离实用化还存有许多问题有待解决。单芯片型因为组件种类单纯,因此具有驱动电路设计容易等优点。有关近紫外LED激发RGB三色荧光体,具体方法是利用RGB三色荧光体的波长与近紫外差异很小的特性,获得高效率的发光。图3(b)的flip chip结构上均匀涂布RGB三色荧光体,便可变成白光LED,此外不同种类荧光体的组合,可产生各种颜色的光线,所以近紫外LED可广泛应用于照明与显示领域。

  由于单体LED的光束很微弱,照明用途必需将复数个LED作系统最佳化的配列。图4是日亚BY白光LED、21世纪光源计划小组的RGB白光LED,以及山口大学OYGB白光LED的室温发光频谱、发光效率、色温、平均演色评鉴数Ra等照明光源必备的光学特性比较。

  由日亚的BY白光LED与山口大学的OYGB白光LED,20mA发光频谱可知,红色成份很弱因此无法获得高演色Ra值。山口大学的OYGB白光LED的O表示橘色(orangr),Y表示黄色(yellow),G表示绿色(green),B表示蓝色(blue),如此的设计主要目的是要补强OY荧光体宽广发光领域的红色成份,之后再与GB混色获得白光,荧光体最佳激发波长为400nm,即使激发波长在370~410nm之间变动,仍然可维持一定程度的发光强度,此外色温会随着OYGB的混合比率,从3000~6500K涵盖极广的范围,同时还可以得到Ra大于93的高演色性,这些测试结果显示OYGB白光LED具备良好的光学特性。图5的xy色度图是表示发光色对注入电流依存特性。由图可知顺向电流从0.5mA至50mA变化时,日亚的色度变化是三种LED之中最大,大约是21世纪光源计划小组的二倍左右。该色度变化最大特征是随着注入电流的增加,从黑体轨迹(实线曲线)偏离所显示的偏差亦随着增大,且色温变化高达3000K,造成这种现象主要是激发光本身形成白光成份所造成的。此外偏差在未被视为有色彩光的白光领域内也有变化,不过由于随着注入电流的增加,偏差亦随着增大等现象观之,似乎不容易获得发光色很安定的白光。

  有关21世纪光源计划小组的白光LED色度变化,由于它的色度变化是沿着等偏差线变化,因此一般认为可藉由RGB荧光体的混合比抑制偏差的变化量。山口大学的白光LED色度变化,随着注入电流的增加,色度变化与白光偏差都很小,因此可以获得发光色很安定的白光。最后是有关发光效率,日亚的BY白光LED发光效率是三者中最高,注入电流的的依存性也是最好的。

  目前已经商品化的BY白光LED是利用补色关系的拟似白光,因此无法获得高演色性(Ra>85),高电流时会产生色度偏差、温度特性恶化等问题,未来作为照明用白光灯源时必须加以解决才可。由于照明用LED必需是高演色性、均一照度的白光,基此观点近紫外、紫外LED与多色发光荧光体组合,形成类似荧光灯发光特性的白光光源,将成为未来照明用LED的主流。返回搜狐,查看更多


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