智能LED实现更好的照明和数据传输性能
“在过去的两年里,这一问题获得了研究界广泛的关注;也是固态照明技术在应用时最主要的障碍,”该研究项目的主管Fred Schubert介绍,他同时也是Rensselaer的教授,以及该校国家科学基金(NSF)资助智能发光工程研究中心的主任。
“我们追踪到电子从发光的有源区逃逸的过程。在有源区,我们希望电子保持在空穴里,这样可以重组并发光;然而,如果载流子离开了活性区,很明显将不再有重组发生。我们认为这是效率沉降的源头:载流子之一离开了活性区;这就形成了活性区的漏电。”
由于目前的高亮度LED都工作在超过效率峰值的高电流密度范围,因此这种现象非常普遍。很自然的想法是降低工作电流密度到效率峰值区域,但其亮度无法接受,因此这一难题也成为LED应用的巨大障碍。
其他研究人员也尝试过电子阻挡层,但结果却不尽人意。PRI的研究小组——由学者、工业界伙伴和学生组成——则采用了极化匹配的概念。他们在有源区使用四极性材料,采用四极性和三极性材料的复合物,用不同方法降低极性,每种方法都得到了积极的结果。
新的LED具有全新设计的极性-匹配有源区,可以让器件在高电流密度区域获得效率峰值。他们研究了LED中产生光的有源区,研究人员发现,里面带有极性失配的材料,很可能就是电子泄露,也就是效率降低的原因。更多的研究显示,通过采用不同的量子障碍设计,可以极大的降低极性失配。采用传统GaInN/GaInN 来替换LED有源区的GaInN/GaN层。可以获得更匹配的极性,降低了电子泄露和效率沉降。
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LED中传统GaInN/GaN有源区和新型极化匹配GaInN/GaInN有源区的能带图。(来源:Rensselaer Polytechnic Institute)
“氮化物是一类特殊的半导体,与硅和砷化镓不同,”Schubert表示。“氮化镓具有较高的内部电场,这是个麻烦。我们的极性匹配结构恰好长在c面蓝宝石衬底上,这样可以在有源区极大的降低电场。结果,抑制了效率沉降现象,发光输出功率提高约20%,电光转换效率提高了约25%。对于LED产业来说,这是令人非常惊喜的数字。为了将效率提高5%,业界都愿意做任何努力;20%是非常巨大的改善。”
Schubert指出,对于效率沉降的单一原因,学术界还没有取得一致。“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,详细了解所有的方面。”该研究小组将继续探索可以进一步改善器件的其他可能的LED结构。根据Schubert介绍,LED还可以实现其他附加功能,例如可改变的发光性能、与太阳光相似的颜色和温度,这样可以获得更接近自然的全光谱照明。
“我们可以调制光谱,”他说。“这样可以得到自然的、可调节的光源,并可用来处理数据。这是我们的目标之一:产生光以及处理数据的双重功能。想像一下,机场候机楼的照明灯、路上的交通信号灯,除了照明功能外,还可以用来通讯;建筑物里的光源可以带有房间号和信息,可以追踪建筑物内的物体。智能光源可以实现这一切。这是我们的长远目标。”Schubert期待,与医疗保健、交通系统、数字显示和计算机网络一样,基于LED和固态照明的照明器件可以掀起一轮新的环保、节能和低成本浪潮。
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