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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(jìn)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(kāi)發(fā)了極化匹配LED，其照明輸出提高了20%，同時(shí)表征LED轉化效率的參數，電光轉換效率提高了25%。

     新器件顯著(zhù)地降低了“效率沉降”現象，而該現象正是LED器件效率的主要限制因素。眾所周知，當低密度電流流過(guò)LED時(shí)，其效率最高。但有些應用，比如亮度更高的燈泡，需要采用高功率器件，這樣LED就會(huì )損失效率。盡管效率沉降的原理還沒(méi)有完全清晰，但已有研究表明，一大部分原因來(lái)自于電子泄漏。

    “在過(guò)去的兩年里，這一問(wèn)題獲得了研究界廣泛的關(guān)注；也是固態(tài)照明技術(shù)在應用時(shí)最主要的障礙，”該研究項目的主管Fred Schubert介紹，他同時(shí)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)光的有源區逃逸的過(guò)程。在有源區，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(kāi)了活性區，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(kāi)了活性區；這就形成了活性區的漏電?！?

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

     其他研究人員也嘗試過(guò)電子阻擋層，但結果卻不盡人意。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。他們在有源區使用四極性材料，采用四極性和三極性材料的復合物，用不同方法降低極性，每種方法都得到了積極的結果。

     新的LED具有全新設計的極性-匹配有源區，可以讓器件在高電流密度區域獲得效率峰值。他們研究了LED中產(chǎn)生光的有源區，研究人員發(fā)現，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(guò)采用不同的量子障礙設計，可以極大的降低極性失配。采用傳統GaInN/GaInN 來(lái)替換LED有源區的GaInN/GaN層?？梢垣@得更匹配的極性，降低了電子泄露和效率沉降。

  
LED中傳統GaInN/GaN有源區和新型極化匹配GaInN/GaInN有源區的能帶圖。（來(lái)源：Rensselaer Polytechnic Institute）

     “氮化物是一類(lèi)特殊的半導體，與硅和砷化鎵不同，”Schubert表示?！暗壘哂休^高的內部電場(chǎng)，這是個(gè)麻煩。我們的極性匹配結構恰好長(cháng)在c面藍寶石襯底上，這樣可以在有源區極大的降低電場(chǎng)。結果，抑制了效率沉降現象，發(fā)光輸出功率提高約20%，電光轉換效率提高了約25%。對于LED產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這是令人非常驚喜的數字。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(méi)有取得一致?！跋乱徊绞钦页霰澈蟮奈锢碓?，并全面地解除造成效率沉降的原因，詳細了解所有的方面?！痹撗芯啃〗M將繼續探索可以進(jìn)一步改善器件的其他可能的LED結構。根據Schubert介紹，LED還可以實(shí)現其他附加功能，例如可改變的發(fā)光性能、與太陽(yáng)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。

     “我們可以調制光譜，”他說(shuō)?！斑@樣可以得到自然的、可調節的光源，并可用來(lái)處理數據。這是我們的目標之一：產(chǎn)生光以及處理數據的雙重功能。想像一下，機場(chǎng)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(lái)通訊；建筑物里的光源可以帶有房間號和信息，可以追蹤建筑物內的物體。智能光源可以實(shí)現這一切。這是我們的長(cháng)遠目標?！盨chubert期待，與醫療保健、交通系統、數字顯示和計算機網(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、節能和低成本浪潮。