掌握好與發光效率的平衡

　　除了提高發光效率外，LED廠商加速開發的項目大致還有五項。即：白色LED的“成本競爭力”、高溫下性能不會降低的“溫度穩定性”、可用于照明的高“顯色指數”、白色LED產品間的色調“均勻性”、單位封裝可輸出的“光通量的大小”（圖1）。所有這些項目與發光效率均屬于此消彼長關系，要想與發光效率取得平衡，需要仔細處理。

　　圖1：僅憑借高效率不會成為暢銷產品

　　LED廠商要想滿足市場要求，除了可實現200lm/W以上發光效率的技術實力外，還需要追求成本競爭力、溫度穩定性、顯色指數、光的均勻性以及單位白色LED的光通量大小。

　　“成本競爭力”的關鍵是降低占白色LED成本約6成的藍色LED芯片的制造成本（圖2）。其常規方法是擴充生產線。不過，單憑這一點并不能解決問題。在白色LED的開發方面領先一步的日美歐老牌LED廠商提出的方法是，縮小藍色LED芯片的尺寸。即增加一個晶圓上可制成的芯片數量。

圖2：白色LED的成本構造

　　在白色LED的各種成本中，LED芯片占整體的一多半，為62％。（圖：DisplaySearch）
 

　　在亮度單價比照明用途還要低20～30％、正進行激烈價格競爭的大尺寸液晶面板背照燈用途中，不同LED廠商間在芯片尺寸上已經出現明顯差異（圖3）。與韓國廠商的產品相比，日亞化學工業的芯片尺寸只有韓國廠商的1/3～1/2左右。芯片的小型化今后也許還會波及到競爭不斷激化的照明用途。

圖3：LED芯片的尺寸差別大

　　對各公司輸入功率相同的白色LED進行調查后發現，使用的藍色LED芯片的尺寸差別很大。例如，與韓國廠商的產品相比，日亞化學工業的0.1W產品只有其1/3左右，0.5W產品只有其1/2左右。（圖由本站根據DisplaySearch的資料制作）

　　提高電流密度縮小芯片尺寸

　　如果縮小了芯片尺寸，為獲得相同亮度就需要提高輸入給藍色LED芯片的電流密度。不過，此時存在電流密度越高，LED芯片的發光效率越低的“衰退（droop）現象”，因此能量損失會變大。要想縮小芯片尺寸，就需要設法減弱這種衰退現象。

　　減輕衰退現象不僅對想要降低制造成本的LED廠商有利，對于白色LED的用戶也有好處。原因是，可在抑制能源效率降低的同時，削減部件成本。提高輸入白色LED的電流可增加單位亮度，由此能減少產品配備的白色LED個數（圖4）。

圖4：提高在高電流密度下的特性

　　LED一般是電流密度越高發光效率越低。抑制這種衰退現象無論是對LED用戶還是對制造商來說都有好處。例如，對用戶來說，即使增加單位LED的輸入功率也能獲得高能源效率，因此可減少安裝在照明器具上的LED個數。對于制造商來說，能以更小的芯片面積獲得相同亮度的LED芯片，因此可降低LED芯片的制造成本。
 

　　在照明用白色LED中，目前已經有產品采用了減輕衰退現象的技術。例如，德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors）的“UX：3”技術通過抑制衰退現象，將輸入350mA電流時的光輸出較原來提高了約10％。輸入電流越大該差值越明顯。

　　飛利浦流明在最新白色LED使用的藍色LED芯片中，使輸入1A電流時（芯片尺寸為1mm見方）的外部量子效率（內部量子效率和光提取效率的乘積）達到了59％，與峰值相比抑制了約8個百分點的降低。如果不抑制衰退現象，通常會降低20個百分點左右。

　　利用均勻流過的電流抑制衰退現象

　　使電流密度在藍色LED芯片面內均勻流過、改進發光層使用的量子阱構造以及提高結晶品質等均為抑制衰退現象發揮了作用。

　　例如，歐司朗的UX：3技術將藍色LED芯片表面設置的n型接觸電極轉移到芯片內部，使芯片面內的電流密度均勻化（圖5）。電流密度局部較高的情況消失，由此減輕了電流密度越高表現越明顯的“俄歇復合”現象。俄歇復合是指，不會產生發光現象的電子與空穴的復合。抑制該現象有助于提高內部量子效率。

圖5：通過改變電極構造和配置減輕衰退現象

　　歐司朗光電開發的LED技術“UX：3”通過將n型接觸電極移動到LED芯片內部，使流經LED芯片的電流密度在面內均勻化（a）。如果輸入LED芯片的電流相同，可大幅減少局部電流密度升高的位置。由此，可抑制電流密度增加引起的俄歇復合現象，因此，可較原來進一步提高輸入電流量增加時的發光強度（b）。（圖：歐司朗光電）

　　改進量子阱構造是指，即使電流密度提高也能持續有效到達電子與空穴復合的位置。各大LED廠商沒有公開將其具體應用在產品中的方法，不過歐司朗日本表示，對量子阱構造“阻擋層的帶隙大小和阱層寬度等進行了改進”。

　　還有觀點指出，今后要想進一步提高電流密度，需要減少藍色LED芯片GaN系半導體結晶的結晶缺陷。“雖然此前一直認為結晶缺陷數基本不會影響GaN系LED的發光，但那是在電流密度較低時的情況。在高電流密度下就會產生嚴重影響”（飛利浦流明日本）。通過將用于結晶成長的基板由目前的藍寶石替換為GaN可以減少結晶缺陷。不過，GaN基板的價格目前高達藍寶石基板的10倍以上，要想普及還需要時間。