提高GaN基发光二极管外量子效率的途径

发光二极管(LED)的低外量子效率严重制约了LED的发展,本文主要介绍了提高GaN基LED外量子效率途径的最新进展,包括芯片非极性面/半极性面生长技术、分布布拉格反射层(DBR)结构、改变LED基底几何外形来改变光在LED内部反射的路径、表面粗化处理,以及新近的光子晶体技术和全息技术等。并对纳米压印与SU8相结合技术在提高LED外量子光效率方面进行了初步探索。     

从LED封装探究户外照明灯具的系统设计

LED用于户外照明,特别是道路照明已在近两年得到快速的示范应用和推广,LED技术的成熟度和相关器件、产品的性能在应用过程中取得了很大的提升。然而,就LED目前的光效与现有传统照明灯具的光效相比还有较大差距,LED户外照明灯具作为一个系统,LED本身的可靠性和稳定性,驱动电源的性能和匹配程度,配光曲线的基本要求以及机械设计的合理性等都制约着整灯作为一个整体LED照明系统的性能体现。本文从LED封装技术和工艺的提升和改善,通过内量子和外量子效率的提升使得LED初始光效尽可能的提高,并探究LED户外照明灯具系统更趋合理的设计,而进一步提升整灯的系统性能。     

LED产业技术发展方向无铅焊接工艺

以GaN基LED为基础的半导体照明由于其节能、环保、长寿命等独特的优势引爆了研究和产业投资的热潮。2004年是GaN基LED取得长足发展的一年，CREE公司白光LED样品的发光效率在色温6000K时已达到821m／W。色温4600K时为921m／W，与目前日光灯发光效率一样；其量子效率达50％，接近红光LED的最高水平。 随着科学技术及生产工艺的发展，不但提高了白光、蓝光、绿光和紫光LED亮度和使用寿命，     

全息光子晶体LED的制作技术

在发光二极管（LED）表面制作二维光子晶体可以提高其外量子效率。本文提出一种利用激光全息技术将二维光子晶体结构制作于LED表面的新方法。这种二维光子晶体基于光栅衍射原理将限制在LED内的波导光提取出来。初步实验结果显示当在GaN基蓝光LED表面的ITO电流扩展层制作晶格常数为1．2微米、深度约0．2微米的二维六角光子晶体时，LED的发光强度提高了35％。     

InGaN/GaN多量子阱绿光发光二极管内量子效率研究进展

氮化镓基发光二极管(LED)具有绿色环保、节能降耗以及寿命长等优点,广泛应用在半导体照明、户外显示及可见光通信等领域。绿光LED有源区的In组分很高,会导致更高的缺陷密度和更大的极化电场,因此其内量子效率还不到蓝光LED的一半,是三基色照明急需解决的难点。本文对目前提升In Ga N/Ga N多量子阱绿光LED的关键技术和主要进展进行了综述。通过P型层生长工艺优化、变温量子阱及复合缓冲层等技术改善量子阱晶体质量,通过阶梯量子阱结构和半极性In Ga N量子阱生长技术来降低极化电场强度,最终提高绿光LED的内量子效率。     

基于光的回归反射技术提高LED外量子效率的研究

LED芯片的外量子效率受到芯片结构、荧光粉材料等多种因素的影响,其中主要原因之一就是背部金属反射层的反射率限制了出光效率。本论文提出了一种多层介质光的回归反射层结构,就是在芯片背部衬底采用这种高反射多层介质膜作为回归反射层,代替金属反射层,由于这种高反射多层介质膜比金属反射层可将LED芯片的背部蓝光的反射率提高8%～9%,可以有效地提高LED的外量子效率。     

一种高辐射通量的UVC封装结构研究

本文设计了一种新型UVC LED封装结构,该结构可以有效提升封装器件的外量子阱效率。通过实验测试发现,在UVC芯片相同的前提下,新的UVC LED封装结构的辐射光功率比市场上主流封装结构,测试电流60 mA时的光辐射通量提升22%;测试电流120 mA时的光辐射通量提升35%,同时该封装结构有利于解决陶瓷基板铜杯难电镀的生产瓶颈,提升UVC陶瓷基板的生产效率,降低UVC LED封装器件成本。     

固体光源在实际应用中的局限

我们对作为照明源的FED、EL、LED和OLED等固体发光器件的量子效率和能量转化效率进行了量化计算,固体发光器件所发射的光子数量与注入固体器件发光层的电子数量成比例关系,由于固体发光器件并非由超导材料制成,因此不可避免的会出现焦耳热而限制其应用范围。用每平方米330单位烛光（CD）的亮度照明25平方米的房间,我们计算了平板LED的最大尺寸和运行条件,如果平板LED采用适当的帧扫描频率运行,就可能照亮屋子和办公室的房间,但是,运行器件所产生的焦耳热限制了对于一定照度水平要求的应用区域。     

湿法表面粗化技术初探

本文采用热H2PO4湿法腐蚀方法对GaN表面进行粗化处理，比较了不同腐蚀条件对表面形貌的影响，并对最终器件光电性能进行测量，分析结果显示经过粗化的GaN基LED芯片，亮度增加达24％以上。     

LED光合光子效率的理论极限

文章针对LED的植物照明应用，推导分析了该应用主要的能效评价指标光合光子效率的理论极限。介绍了当前逼近该极限的主要技术手段，并具体提出三星LED通过采用峰值波长437 nm倒装芯片的技术，逼近该极限的原理和实际种植效果。为广大植物照明厂商评价和选型植物照明LED器件提供指引。     

白光LED应用于室内照明的分析与探讨

白光LED具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其他传统照明光源无法比拟的优势。因此被认为是取代白炽灯跟荧光灯最具潜力的照明光源。该文根据目前半导体照明的最新研究进展,介绍了GaN基白光LED应用在室内照明领域的发展趋势,从视觉功效、光学参数、封装技术、价格等方面出发,指出了白光LED在日常照明普及过程中的一些主要问题,并对这些问题做了详细的分析与探讨。针对现有可行的解决方法,对发展前景做了进一步展望。     

Study of the Excitation Power Dependent Internal Quantum Efficiency in InGaN/GaN LEDs Grown on Patterned Sapphire Substrate

The mechanisms of the excitation power dependent internal quantum efficiency in InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) LEDs grown on the planar and the patterned sapphire substrates (PSS) at temperature of 15 and 300 K were investigated. From observation the tendency of emission peak energy and carrier lifetime variation in MQWs with different excitation power for both LED samples, we conclude the internal quantum efficiency would increase as coulomb screening effect dominates at lower carrier injection stage and decrease due to the band-filling effect at higher density stage. At room temperature, the majority of the initial injected carriers would be first consumed by the thermal activated nonradiative centers that hinder the further achievement of high-efficiency LED devices. Experimentally, the internal quantum efficiency of the LED grown on the PSS is $sim {70}$% and that of the LED grown on the planar sapphire substrate is $sim{62}$%. For the LED grown on the PSS, the observed higher internal quantum efficiency is due to the larger activation energy Therefore, the reduction of dislocation defects and the prevention of injected carriers escaping from extended states would be a promising prospective for InGaN/GaN MQWs LEDs to achieve high internal quantum efficiency.      

大功率白光LED的应用及其可靠性研究

近年来,LED技术呈现出不寻常的进步,以其高功效、长寿命、多色彩和低能耗,已经开始在很多应用领域担当重要角色。大功率白光LED是半导体照明的关键器件,而能否真正实现其在照明领域的应用,取决于大功率白光LED光效的提高和可靠性问题的解决。对LED可靠性的研究是提高其可靠性的前提和基础,本文从两大方面概述了国内外研究LED可靠性的方法和进展,总结了限制LED可靠性的失效机制。对大功率白光LED灯具的可靠性,提出了自己的观点。     

Development of high efficiency GaN-based multiquantum-welllight-emitting diodes and their applications

Highly efficient GaInN-GaN multiple quantum-well (MQW) light-emitting diodes (LEDs) were successfully developed by the low-temperature AlN buffer layer method for metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The light-emitting layer of the GaInN-GaN MQW drastically enhances the performance of GaN-based LEDs in terms of the efficiency and spectrums. Flip-chip (FC) type MQW LEDs have been newly developed to increase efficiency in extracting light from the GaN-based crystal to the outside. The luminous intensities of FC type blue and green LEDs are typically 6 and 14 cd, respectively, at 20 mA. The output power of the FC-type LEDs was 14 mW at 20 mA, which was approximately two times higher than that of the conventional face-up type blue LEDs. The external quantum efficiency of blue FC-type LEDs was as high as 20% at 20 mA. New multicolor package was developed using these high performance nitride-based LEDs and commercial AlGaInP-based red LEDs, the color range of which is the largest among other flat panel display devices     

LED光源及灯具能效等级评定方法研究

要提高LED光源及灯具的能效,应根据实际照明环境,对灯具进行最优化的配光设计,在满足照度要求的情况下降低功率密度,达到较好的节能效果。通过对不同配光的LED路灯的照明效果比较、以及LED路灯与高压钠灯的照明效果比较,验证了灯具配光曲线的设计对实现整个照明系统高能效的作用,给出更准确的LED光源及灯具能效等级评定方法。     

LED封装光源光学设计的研究现状

为了提高LED封装光源照明系统的光照效率和照明空间颜色的均匀性,并根据不同的应用环境照明系统的光形进行控制,对LED封装光源照明系统进行光学设计及设计方案的优化必不可少。本文针对目前LED封装光源中的点光源、扩展光源以及自由曲面光学设计的研究现状进行分析,并对LED封装光源光学设计的发展趋势进行了探讨。     

LED道路照明若干技术瓶颈问题探讨

本文对LED路灯和高压钠灯路灯进行比较,客观地对LED路灯在能效、配光、散热、使用寿命、色温、性价比、维护性能等方面存在的技术瓶颈问题进行了探讨,对LED路灯的发展现状给出了客观科学的评价。     

LEDs for Solid-State Lighting: Performance Challenges and Recent Advances

Over the past decade, advances in LEDs have enabled the potential for wide-scale replacement of traditional lighting with solid-state light sources. If LED performance targets are realized, solid-state lighting will provide significant energy savings, important environmental benefits, and dramatically new ways to utilize and control light. In this paper, we review LED performance targets that are needed to achieve these benefits and highlight some of the remaining technical challenges. We describe recent advances in LED materials and novel device concepts that show promise for realizing the full potential of LED-based white lighting.      

关于“光成本”——一种电光源产品价值的综合评价指标

本研究把灯具在寿命周期获得单位光能输出所使用的费用定义为该灯具的“光成本”.“光成本”是一种综合评价电光源照明产品在寿命周期内的成本费用与光能输出效果之间关系的客观价值指标,实现从光源的输出光能、寿命和成本三个维度来综合考察灯具的品质和价值.运用“光成本”概念对多种灯具分析,100W LED结温Ts=55℃灯具综合能效指标高于高压钠灯19.2倍,金属卤化物灯21 ～45倍.在相同的光效情况下,1只LED （Ts =55℃）灯相当于2只LED （Ts =85℃）的灯的使用寿命周期,相当于3只LED （Ts=105℃）的灯的使用寿命周期.在相同的光能输出情况下,LED （Ts=55℃）的光成本最低,与高压钠灯和金卤灯相比可节省2.4 ～3.4倍的光成本.通过上述“光成本”分析,不以单纯降低制造成本为目的,通过延长LED照明产品的使用寿命同样可以获得更好的经济效果,长寿命方案是LED照明产业发展的根本和新途径.LED照明长寿命才是高品质,长寿命就是低成本.