Rensselaer Polytechnic Institute(RPI,紐約州Troy)的研究人員公布了他們在發(fā)光二極管(LED)上的研究進(jìn)展,可以極大的提高LED的照明性能和能量效率。他們與三星電機(Samsung Electro-Mechanics,韓國水原市)合作開發(fā)了極化匹配LED,其照明輸出提高了20%,同時表征LED轉(zhuǎn)化效率的參數(shù),電光轉(zhuǎn)換效率提高了25%。
新器件顯著地降低了“效率沉降”現(xiàn)象,而該現(xiàn)象正是LED器件效率的主要限制因素。眾所周知,當(dāng)?shù)兔芏入娏髁鬟^LED時,其效率最高。但有些應(yīng)用,比如亮度更高的燈泡,需要采用高功率器件,這樣LED就會損失效率。盡管效率沉降的原理還沒有完全清晰,但已有研究表明,一大部分原因來自于電子泄漏。
“在過去的兩年里,這一問題獲得了研究界廣泛的關(guān)注;也是固態(tài)照明技術(shù)在應(yīng)用時最主要的障礙,”該研究項目的主管Fred Schubert介紹,他同時也是Rensselaer的教授,以及該校國家科學(xué)基金(NSF)資助智能發(fā)光工程研究中心的主任。
“我們追蹤到電子從發(fā)光的有源區(qū)逃逸的過程。在有源區(qū),我們希望電子保持在
空穴里,這樣可以重組并發(fā)光;然而,如果載流子離開了活性區(qū),很明顯將不再有重組發(fā)生。我們認(rèn)為這是效率沉降的源頭:載流子之一離開了活性區(qū);這就形成了活性區(qū)的漏電。”
由于目前的高亮度LED都工作在超過效率峰值的高電流密度范圍,因此這種現(xiàn)象非常普遍。很自然的想法是降低工作電流密度到效率峰值區(qū)域,但其亮度無法接受,因此這一難題也成為LED應(yīng)用的巨大障礙。
其他研究人員也嘗試過電子阻擋層,但結(jié)果卻不盡人意。PRI的研究小組——由學(xué)者、工業(yè)界伙伴和學(xué)生組成——則采用了極化匹配的概念。他們在有源區(qū)使用四極性材料,采用四極性和三極性材料的復(fù)合物,用不同方法降低極性,每種方法都得到了積極的結(jié)果。
新的LED具有全新設(shè)計的極性-匹配有源區(qū),可以讓器件在高電流密度區(qū)域獲得效率峰值。他們研究了LED中產(chǎn)生光的有源區(qū),研究人員發(fā)現(xiàn),里面帶有極性失配的材料,很可能就是電子泄露,也就是效率降低的原因。更多的研究顯示,通過采用不同的量子障礙設(shè)計,可以極大的降低極性失配。采用傳統(tǒng)GaInN/GaInN 來替換LED有源區(qū)的GaInN/GaN層。可以獲得更匹配的極性,降低了電子泄露和效率沉降。
LED中傳統(tǒng)GaInN/GaN有源區(qū)和新型極化匹配GaInN/GaInN有源區(qū)的能帶圖。(來源:Rensselaer Polytechnic Institute)
“氮化物是一類特殊的半導(dǎo)體,與硅和砷化鎵不同,”Schubert表示。“氮化鎵具有較高的內(nèi)部電場,這是個麻煩。我們的極性匹配結(jié)構(gòu)恰好長在c面藍(lán)寶石襯底上,這樣可以在有源區(qū)極大的降低電場。結(jié)果,抑制了效率沉降現(xiàn)象,發(fā)光輸出功率提高約20%,電光轉(zhuǎn)換效率提高了約25%。對于LED產(chǎn)業(yè)來說,這是令人非常驚喜的數(shù)字。為了將效率提高5%,業(yè)界都愿意做任何努力;20%是非常巨大的改善。”
Schubert指出,對于效率沉降的單一原因,學(xué)術(shù)界還沒有取得一致。“下一步是找出背后的物理原因,并全面地解除造成效率沉降的原因,詳細(xì)了解所有的方面。”該研究小組將繼續(xù)探索可以進(jìn)一步改善器件的其他可能的LED結(jié)構(gòu)。根據(jù)Schubert介紹,LED還可以實現(xiàn)其他附加功能,例如可改變的發(fā)光性能、與太陽光相似的顏色和溫度,這樣可以獲得更接近自然的全光譜照明。
“我們可以調(diào)制光譜,”他說。“這樣可以得到自然的、可調(diào)節(jié)的光源,并可用來處理數(shù)據(jù)。這是我們的目標(biāo)之一:產(chǎn)生光以及處理數(shù)據(jù)的雙重功能。想像一下,機場候機樓的照明燈、路上的交通信號燈,除了照明功能外,還可以用來通訊;建筑物里的光源可以帶有房間號和信息,可以追蹤建筑物內(nèi)的物體。智能光源可以實現(xiàn)這一切。這是我們的長遠(yuǎn)目標(biāo)。”Schubert期待,與醫(yī)療保健、交通系統(tǒng)、數(shù)字顯示和計算機網(wǎng)絡(luò)一樣,基于LED和固態(tài)照明的照明器件可以掀起一輪新的環(huán)保、節(jié)能和低成本浪潮。
相關(guān)推薦
相關(guān)閱讀