中村修二:现行白色LED有问题

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  说出这句话的,是因开发出蓝色LED而获得2014年诺贝尔物理学奖的美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)教授中村修二。这是中村在2015年7月24日举行的研讨会“GaN掀起能源革命”(主办:《日经电子》)上发表演讲时说的。

  液晶屏背照灯及照明等使用的白色LED,主要是由蓝色LED芯片和黄色荧光体组合而成的。中村指出,这种类型的白色LED“存在蓝色光的峰值强度较高、容易引起睡眠障碍的问题”,也就是所谓的“蓝光问题”。中村介绍的解决对策是美国Soraa公司销售的白色LED。

  Soraa是中村作为共同创始人(co-founder)设立的LED风险企业,主要销售在紫色LED芯片上组合使用红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)荧光体的白色LED。中村介绍,这种白色LED“通过紫色LED激发荧光体来获得蓝色光,因此蓝色光的峰值强度不太高”。而且,还能输出可见光波长范围内所有的光,因此可实现像太阳光一样的理想白色。

  效率提高约50%

  紫色LED芯片本身就有很多优点。比如,紫色LED芯片是在GaN基板上层叠GaN类半导体来制作的,属于“GaN on GaN”型LED。因此,GaN类半导体层的晶体品质很高。基板与GaN类半导体层的晶格常数等基本上没有差异,因此很难出现被称为“位错”的晶体缺陷。

  而普通的蓝色LED芯片是在蓝宝石基板上制作的。GaN类半导体与蓝宝石的晶格常数等不同,因此容易出现位错。

  紫色LED芯片的形状也十分独特,为三角形。普通LED芯片的形状为四角形,与之相比,三角形LED芯片的发光层发出的光线射到芯片外的效率(光提取效率)更高。

  据中村介绍,由于紫色LED的晶体品质及光提取效率都很高,因此光输出除以投入电力所得到的“WPE(wall-plug efficiency,电光转换效率)”可达到84%。而普通蓝色LED的WPE仅为50~60%。

  紫色LED芯片的另一特点是不易出现“光效下降(droop)”问题。光效下降是为了提高发光强度而增加驱动电流密度时,引起的发光效率下降的现象,也是提高亮度时存在的一大课题。而GaN on GaN型产品的晶体品质较高,与蓝宝石基板型产品相比,不易发生光效下降问题。因此,与蓝宝石基板型产品相比,GaN基板型产品可使电流密度提高至5~10倍。

  不过,GaN基板型产品也不能完美解决光效下降问题,电流密度的提高存在界限。
 

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