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如何让LED更亮?一文浅析如何减少Droop效应和提高光萃取效率

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2017-09-26 作者: 来源:先锋网 浏览量: 网友评论: 0

摘要: LED的效率以惊人的速度持续改善,不仅减少了给定应用的LED数量,还降低了硬件系统的成本,从而提高了采用率并降低了成本。这种效率的提升使得高亮度芯片变小,能够将密集堆栈的数组产生出可寻址矩阵,这非常适合于车头灯动态光束转向。InGaN LED的固有高速切换使其成为可见光通讯或LiFi的理想选择。 

  减少「Droop效应」和提高光萃取效率有助于实现更好、更亮的LED。

  在过去十年中,LED已经转变了固态照明,LED因其效率高和寿命长,推动了在一般照明中的应用。LED的效率以惊人的速度持续改善,不仅减少了给定应用的LED数量,还降低了硬件系统的成本,从而提高了采用率并降低了成本。这种效率的提升使得高亮度芯片变小,能够将密集堆栈的数组产生出可寻址矩阵,这非常适合于车头灯动态光束转向。InGaN LED的固有高速切换使其成为可见光通讯或LiFi的理想选择。  

  ▲图1:(a)典型的冷白色、暖白色磷光体转换高功率照明LED在 J= 350 mA/mm2及Tj= 85 °C时,以及典型高功率车头灯LED在 J= 1000 mA/mm2及Tj= 100 °C时的功效组成;(b)典型的大功率普通照明LED;(c)典型的大功率汽车照明LED

  LED广泛渗透到各个市场中,这得归功于蓝色LED插头效率、白色转换效率、精确定制和控制色点的能力大幅度上升。在本文中,来自加利福尼亚州圣何塞的Lumileds团队讨论了LED的技术细节,并比较了不同的结构,从而突出了未来改进的机会。在以下各节中,我们将介绍各种方面:白光LED效率典型损耗(范围);大功率LED多层堆栈的磊晶考虑—内部量子效率与衰减的衡量,极性与半极性与非极性GaN的关系;载体扩散和光萃取装置—图案化基板;芯片结构比较。

  Droop效应

  随着LED亮度要求的提高,工作电流密度增加,由传统的35 A/cm2延伸到100 A/cm2以上。这种变化对磊晶产生了深远的影响,因为在100 A/cm2的密度时增加内部量子效率与在10-20 A/cm2时增加,重点明显不同。

  在较低的电流密度下,内部量子效率的提高来自材料质量的提高,这是因为间接复合在低电流下占主导地位。

  与此形成鲜明对比的是,当LED驱动更加困难时,焦点必须针对Droop效应。今天,产业普遍支持欧杰复合是最先进工业设备效率下降的主要原因。由于量子井内的载流子密度增加,因此在高驱动电流下,欧杰损耗很显著,这加强了三粒子重组过程的可能性。

  减少欧杰重组的一个选择是用更多的井引入活跃区域,因为这有可能降低其中每一个的载流子密度,但是成功几率不高。电子的不对称性和电洞的有效质量导致有源区p侧的载流子密度高于n侧的载流子密度,并且导致载流子复合的变化。所以增加量子井产生的效益可能会很小,甚至没有。

  一个更好的方法是使用能带结构工程。这可以促进更好的载体分布,并确保每个量子井的载流子密度低。实现这一点,设备的工作点在效率曲线上更高(见图2)。  

  ▲图2:具有不同载流子分布和材料质量的LED活性区域的一维组件仿真(a)及相应的内部量子效率(IQE)曲线(b)

  虽然设计用于低Droop的活动区域通常能够实现量子井中载流子的均匀分布,但是它们以牺牲材料质量为代价,并且这增加了非辐射间接复合。通常,低Droop活性区设计中的铟含量增加会造成材料质量降低。显然,最佳的LED必须将对抗效率下垂与高材料质量结合起来,确保低的间接重组(见图2)。

  不想出现Droop效应的另一个选择是通过电子和电洞波函数更大的迭加来增加辐射复合速率。今天的LED在c面上产生并受到内部电场的困扰,这些电场拉开了电子和电洞并损害了辐射复合。通过切换到半极性和非极性基板来减少或消除有源区域内的偏振感应电场,可以进行改进。优点不仅限于较高的辐射复合,而且在较高驱动电流下降低欧杰复合速率。

  实现这一切的承诺并不容易。今天,半极性和非极性组件受到短时间的非辐射复合寿命限制,而且基底非常昂贵,没有商业用途。此外,尽管在这些替代晶体取向方面取得了进展,但是由于载体扩展和材料质量的改进,它们正在追逐移动目标。

  提高光萃取效率

  在现代大功率LED中优化光萃取的一条途径包括减少泵浦光子跳跃的次数,即泵浦光子通常在其离开之前在芯片腔内的往返次数,并切割芯片腔内的泵浦吸收。

  这两个关键特性(泵浦光子反射次数和泵浦吸收)在两种常见的架构中都有明显的不同:倒装芯片和薄膜(参见图3的组件架构图)。薄膜设计提供较小的源尺寸,并且它们在高度定向应用中是优选的,而倒装芯片设计直接连接到板上,而不使用插入器。两者的共同点是高电流密度和低热阻,都能够实现高密度数组。

  除了这两种设计之外,还有第三种,它是倒装芯片的一个变体:它通过阻挡蓝宝石基底的侧面来重新定向光子穿过管芯的顶侧(见图3(b))。这种设计的优点包括:较小的源尺寸和更严格的角度辐射模式;更有效的耦合效率;具有更大的设计灵活性。  

  ▲图3:薄膜(TF)和倒装芯片(FC)设计的比较:(a)薄膜(b)基于倒装芯片的单面低发射器(c)基于倒装芯片的五面发射器

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