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新蓝光LED目标80％外部量子效率

由日本松下电工（MatsushitaElectricWorksLtd）与美国加州大学圣塔芭芭拉分校（USCB）共同研究的计划，已开发出具有43.6％外部量子效率的发光二极管（LED）。外部量子效率是LED亮度的指标，而其数值大约是现有设计的两倍（图1）。研究结果是在2008年1月于加州圣荷西举行国际光学技术展览研讨会PhotonicsWest2008中发表。除了亮度以外，其芯片有特别122˚宽广的光学发射角，使它适合用在照明应用。研究员相信效率可以更为改善，而根据一位松下电工的来源透露他们的目标是80％，超过现有商业化LED的1.5倍。无蓝宝石基板这新LED的结构很明显的与现有普遍的设计不同，研究团队称该结构为「mega-cone」，为一个六方锥的氧化锌（ZnO），大约0.5mm高，镶嵌在GaN半导体放射层的顶端（图2）。其放射层的后端是连接到SiO2的介电层，铝反射膜及Si芯片通过电极上。基本上大部分的GaNLED是平面的组件，以p-与n-型的GaN晶体堆栈在蓝宝石基板上。

根据松下电工先进技术联合实验室LED装置nBT小组发表者AkihikoMurai表示，「这独特结构的采用是以提高其光发射效率，而不是用来改善发射层内的内部量子效率」。外部量子效率是内部量子效率的产物（在发射层内产生的光）及光从芯片所输出的效率。研究者藉由增加后者制造更亮的LED。有两个关键的方法来利用，首先是在发射点使用ZnO，原因是因为它2.1的高折射率。折射率愈高，光从GaN发射层将整个反射在ZnO界面上就愈不可能。第二点是将ZnO形成一个六方锥。当光从芯片输出时，其锥体的形状能有效地扩大发射角。此种形状使用ZnO晶体的技术，是在2006年由相同的团队所提出，但他们同时也使用了蓝宝石基板，而外部量子效率最大值只达到23.7％，低于预期。Murai解释说，「我们相信其低的效率是由于蓝宝石基板的热传导系数很低、及其它的因素」。这一次他们将蓝宝石排除，而在发射层的后面放置所有的电极（图3）。Si晶圆电极接触的热传导系数是超过蓝宝石的8倍。因此，外部量子效率以一个20mA的直接电流提升到43.6％。导致这项改善包括电极阻碍光学发射的去除，藉由去除蓝宝石基板以改善热幅射效能，且较少的光漏到LED的后面。「43.6％的效率是足够用在商业的应用，但我们认为它仍可以被改善。我们目标至少可以达到80％，」Murai表示。为了达到这个目标，他提出利用微制造技术，在发射层底部的n型GaN层上来创造「micro-cones」。他们同时也计划致力于内部量子效率的改善。如果外部量子效率可以达到80％，它也意味着大约是荧光灯的两倍，而这对松下电工的目标将LED用在普通照明是一大进步。ZnOLED在本报告上除了透露高效能以外，UCSB的ShujiNakamura教授，他是GaN基蓝光LED的先驱，讨论使用ZnO组件的开发，及与日本Nichia公司技术开发的竞争。该研发团队包括Nakamura教授及他的成员。然而该报告不是在GaNLED的时段发表，而是在氧化锌材料和组件III的时间，以ZnOLED取代GaNLED。问题围绕在Nakamura教授所兴趣的ZnO。松下电工的Murai解释：「Nakamura教授是对提升混合GaN-ZnOLED的效能感兴趣。UCSB拥有涵盖藉由使用ZnOmega-cone以提高效能的专利」。在研究的阶段，Nichia在2007年秋已达到一个75.5％高外部量子效率的GaN蓝光LED。即使如此，松下电工相信它的方案对未来有很大的可能性。预期未来在LED更高效率的竞争似乎只会更激烈。