經(jīng)過57年的發(fā)展，可見光LED實(shí)現(xiàn)了全彩化，為人類提供了色彩繽紛的視覺盛宴和高效節(jié)能的照明光源?？墒情L期以來，七彩LED光效(光功率效率)發(fā)展很不平衡，其中黃光LED光效遠(yuǎn)低于其他顏色，致使高光效的黃光不得不通過熒光粉進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換來獲得。這種“電光光”轉(zhuǎn)換技術(shù)方案是目前LED照明主流技術(shù)。但熒光粉在光光轉(zhuǎn)換過程中存在熱損耗大、熱光衰較大、響應(yīng)很慢等先天性不足，制約了LED向高質(zhì)量照明和高速可見光通信等方向的快速發(fā)展。
因此，解決“黃光鴻溝”問題，成為該領(lǐng)域誘人的奮斗目標(biāo)。用何種襯底、何種材料、何種器件結(jié)構(gòu)、何種芯片結(jié)構(gòu)、何種設(shè)備才能制造高光效黃光LED?國內(nèi)外長期未有答案。
圖1 半導(dǎo)體黃光LED電致發(fā)光
在兩種黃光材料體系中，AlGaInP隨著波長從紅光變短到黃光，帶隙由直接變?yōu)殚g接，效率急劇下降，這屬于物理瓶頸;而銦鎵氮是直接帶隙，其最大的困難是生長高質(zhì)量、高銦組分銦鎵氮量子阱材料，這屬于技術(shù)瓶頸。黃光LED量子阱中的銦組分約為30%，明顯超過藍(lán)光量子阱約15%的銦組分。高銦組分銦鎵氮生長存在很多難點(diǎn)：低生長溫度造成氨裂解少氮空位多、原子遷移慢而表面粗糙、阱壘界面模糊而厚度各異且銦組分不均勻、嚴(yán)重時(shí)銦偏析相分離、InGaN/GaN強(qiáng)極化帶來載流子波函數(shù)交疊少等等。
最近南昌大學(xué)江風(fēng)益課題組在Photonics Research 上發(fā)表了文章：Efficient InGaN based Yellow Light-emitting Diodes，展示了在黃光波段LED材料設(shè)計(jì)和制造技術(shù)方面的突破性進(jìn)展。他們?cè)谠蠫aN/Si基藍(lán)光LED材料、器件結(jié)構(gòu)、芯片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了材料新結(jié)構(gòu)、生長新設(shè)備和新工藝。他們把三大失配(熱膨脹系數(shù)失配大、帶隙寬度失配大、晶格常數(shù)失配大)轉(zhuǎn)變成了三大優(yōu)點(diǎn)。
該課題組發(fā)明了一種網(wǎng)格化的材料生長方法和技術(shù)，在襯底上制造有規(guī)則的網(wǎng)格以替代不規(guī)則龜裂，消除了GaN/Si應(yīng)力累積效應(yīng)，解決了該材料因龜裂而無法制造發(fā)光芯片的問題，還因保持GaN受張應(yīng)力而具有生長高性能高銦組分銦鎵氮材料的優(yōu)點(diǎn)。
研究人員通過調(diào)控電流走向、發(fā)光位置、出光路徑，發(fā)明了高取光效率的硅基LED芯片結(jié)構(gòu)，既解決了襯底吸光和電極擋光問題，還具有單面出光、光束質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展出的新型綜合過渡層，既解決了位錯(cuò)密度過高的難題，又合理利用位錯(cuò)形成帶大V坑的器件結(jié)構(gòu)，改善了空穴輸運(yùn)途徑、提高了LED效率。
在將三大失配轉(zhuǎn)變成三大優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，他們調(diào)控反應(yīng)氣體輸運(yùn)途徑和沉積機(jī)制，發(fā)明了密集同軸套管結(jié)構(gòu)反應(yīng)腔，研制出更有利于銦并入的高銦組分銦鎵氮材料生長設(shè)備，提升了該材料的生長溫度，減少了記憶效應(yīng)，使量子阱和壘界面陡峭;在20A/cm2和3 A/cm2電流密度的驅(qū)動(dòng)下，565nm硅基黃光LED光效提高到24.3%和33.7%，分別對(duì)應(yīng)149 lm/W和192 lm/W，從而有效地緩解了黃光鴻溝，解決了國際上LED缺高光效黃光的問題。
該材料結(jié)構(gòu)是帶大V坑的具有三維P-N結(jié)的硅襯底銦鎵氮多量子阱結(jié)構(gòu)，芯片是單面出光、薄膜型結(jié)構(gòu)。圖2為高光效硅基InGaN黃光LED和硅基板AlGaInP紅光LED組合而成的新型LED路燈，具有模組色溫2190K、顯指66、143 lm/W的暖色調(diào)、無熒光粉的特點(diǎn)。
圖2紅黃混光暖色調(diào)無熒光粉新型LED路燈應(yīng)用實(shí)例
這種路燈既有傳統(tǒng)高壓納燈暖色調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，又有熒光型LED路燈的節(jié)能優(yōu)勢(shì);既節(jié)省了稀土資源、加快了光響應(yīng)速度，還避免了熒光型富藍(lán)光LED路燈存在的光健康風(fēng)險(xiǎn)，減少了光污染，營造了溫馨健康的道路照明氛圍。
高光效黃光LED制造技術(shù)的突破，對(duì)精細(xì)可調(diào)的高質(zhì)量LED照明和高速可見光通信等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。
