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     Rensselaer Polytechnic Institute（RPI，紐約州Troy）的研究人員公布了他們在發(fā)光二極管（LED）上的研究進展，可以極大的提高LED的照明性能和能量效率。他們與三星電機（Samsung Electro-Mechanics，韓國水原市）合作開發(fā)了極化匹配LED，其照明輸出提高了20%，同時表征LED轉(zhuǎn)化效率的參數(shù)，電光轉(zhuǎn)換效率提高了25%。

     新器件顯著地降低了“效率沉降”現(xiàn)象，而該現(xiàn)象正是LED器件效率的主要限制因素。眾所周知，當?shù)兔芏入娏髁鬟^LED時，其效率最高。但有些應(yīng)用，比如亮度更高的燈泡，需要采用高功率器件，這樣LED就會損失效率。盡管效率沉降的原理還沒有完全清晰，但已有研究表明，一大部分原因來自于電子泄漏。

    “在過去的兩年里，這一問題獲得了研究界廣泛的關(guān)注；也是固態(tài)照明技術(shù)在應(yīng)用時最主要的障礙，”該研究項目的主管Fred Schubert介紹，他同時也是Rensselaer的教授，以及該校國家科學(xué)基金（NSF）資助智能發(fā)光工程研究中心的主任。

     “我們追蹤到電子從發(fā)光的有源區(qū)逃逸的過程。在有源區(qū)，我們希望電子保持在 
     空穴里，這樣可以重組并發(fā)光；然而，如果載流子離開了活性區(qū)，很明顯將不再有重組發(fā)生。我們認為這是效率沉降的源頭：載流子之一離開了活性區(qū)；這就形成了活性區(qū)的漏電。”

     由于目前的高亮度LED都工作在超過效率峰值的高電流密度范圍，因此這種現(xiàn)象非常普遍。很自然的想法是降低工作電流密度到效率峰值區(qū)域，但其亮度無法接受，因此這一難題也成為LED應(yīng)用的巨大障礙。

     其他研究人員也嘗試過電子阻擋層，但結(jié)果卻不盡人意。PRI的研究小組——由學(xué)者、工業(yè)界伙伴和學(xué)生組成——則采用了極化匹配的概念。他們在有源區(qū)使用四極性材料，采用四極性和三極性材料的復(fù)合物，用不同方法降低極性，每種方法都得到了積極的結(jié)果。

     新的LED具有全新設(shè)計的極性-匹配有源區(qū)，可以讓器件在高電流密度區(qū)域獲得效率峰值。他們研究了LED中產(chǎn)生光的有源區(qū)，研究人員發(fā)現(xiàn)，里面帶有極性失配的材料，很可能就是電子泄露，也就是效率降低的原因。更多的研究顯示，通過采用不同的量子障礙設(shè)計，可以極大的降低極性失配。采用傳統(tǒng)GaInN/GaInN 來替換LED有源區(qū)的GaInN/GaN層。可以獲得更匹配的極性，降低了電子泄露和效率沉降。

  
LED中傳統(tǒng)GaInN/GaN有源區(qū)和新型極化匹配GaInN/GaInN有源區(qū)的能帶圖。（來源：Rensselaer Polytechnic Institute）

     “氮化物是一類特殊的半導(dǎo)體，與硅和砷化鎵不同，”Schubert表示。“氮化鎵具有較高的內(nèi)部電場，這是個麻煩。我們的極性匹配結(jié)構(gòu)恰好長在c面藍寶石襯底上，這樣可以在有源區(qū)極大的降低電場。結(jié)果，抑制了效率沉降現(xiàn)象，發(fā)光輸出功率提高約20%，電光轉(zhuǎn)換效率提高了約25%。對于LED產(chǎn)業(yè)來說，這是令人非常驚喜的數(shù)字。為了將效率提高5%，業(yè)界都愿意做任何努力；20%是非常巨大的改善。”

      Schubert指出，對于效率沉降的單一原因，學(xué)術(shù)界還沒有取得一致。“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，詳細了解所有的方面。”該研究小組將繼續(xù)探索可以進一步改善器件的其他可能的LED結(jié)構(gòu)。根據(jù)Schubert介紹，LED還可以實現(xiàn)其他附加功能，例如可改變的發(fā)光性能、與太陽光相似的顏色和溫度，這樣可以獲得更接近自然的全光譜照明。

     “我們可以調(diào)制光譜，”他說。“這樣可以得到自然的、可調(diào)節(jié)的光源，并可用來處理數(shù)據(jù)。這是我們的目標之一：產(chǎn)生光以及處理數(shù)據(jù)的雙重功能。想像一下，機場候機樓的照明燈、路上的交通信號燈，除了照明功能外，還可以用來通訊；建筑物里的光源可以帶有房間號和信息，可以追蹤建筑物內(nèi)的物體。智能光源可以實現(xiàn)這一切。這是我們的長遠目標。”Schubert期待，與醫(yī)療保健、交通系統(tǒng)、數(shù)字顯示和計算機網(wǎng)絡(luò)一樣，基于LED和固態(tài)照明的照明器件可以掀起一輪新的環(huán)保、節(jié)能和低成本浪潮。