Исследование выявило проблемы с эффективностью зеленых и голубых светодиодов

В грандиозном повествовании о современных технологиях освещения "фотоэлектрическая революция" светодиодов ослепила мир.От экранов смартфонов, полных ярких цветов, до городских пейзажей, сияющих яркими ночными пейзажамиНо под этой светлой поверхностью скрывается неудобная правда: определенные спектральные полосы, особенно в зеленых и синих областях,создать "пустыню эффективности", которая продолжает бросать вызов инженерам.

Распределение длин волн светодиодов не только диктуется физическими ограничениями, но и рыночный спрос играет решающую роль.основополагающие для белых светодиодов (синие микросхемы в сочетании с желтыми фосфорами)Этот огромный масштаб оправдывает постоянные инвестиции в НИОКР в эпитаксиальные процессы роста.

Напротив, 480-520 нм циан и 680-800 нм темно-красный спектры занимают нишевые позиции в общем освещении.Эти решения никогда не достигают затратных преимуществ массового производстваВ результате возникает порочный круг: ограниченные возможности применения ограничивают объемы производства, высокие издержки препятствуют внедрению.и сокращение спроса еще больше снижает НИОКР - классический случай рыночных сил, навязывающих "размерное сокращение" технологического прогресса.

На квантовом уровне структуры полос полупроводников создают принципиально разные барьеры для различных цветов.Длины волн светодиодов определяются шириной полосы пробела материала ≈ узкие пробелы производят длинные длины волн (красный), в то время как широкие пробелы генерируют короткие длины волн (синий/зеленый).

Красные светодиоды обычно используют AlGaAs (арсенид галлиевого алюминия) с узкими пробелами, работающие при низких напряжениях вперед (1,5-2,5 В).синие/зеленые светодиоды требуют InGaN (нитрид галлия индия) с широкими полосами пропусканияЭто неотъемлемое свойство означает, что зеленые светодиоды с самого начала сталкиваются с большими тепловыми и двигательными проблемами.

Критическое заблуждение в дискуссиях об эффективности светодиодов заключается в смешивании физической энергии с человеческим восприятием.В то время как световой поток, взвешенный по кривой чувствительности человеческого глаза CIE, отражает субъективную яркость..

Глаз достигает пика чувствительности при 555 нм (желто-зеленый), где 1 ватт равен 683 люмнам.Это объясняет, почему холодные белые светодиоды кажутся ярче, чем теплые белые, их спектр включает более чувствительные для глаз зеленые компоненты.Такой перцептивный уклон скрывает истинные физические ограничения эффективности зеленых светодиодов.

В то время как внутренняя квантовая эффективность (IQE) представляет собой "сердце" чипа, эффективность извлечения света (LEE) составляет его "экзитную стратегию"." Современные фосфоры приближаются к 100% квантовой эффективности, но настоящее узкое место заключается в освобождении фотонов из полупроводников с высоким показателем преломления..

Фотоны излучаются изотропически внутри полупроводников, но резкая разница в индексе преломления на воздушных интерфейсах вызывает полное внутреннее отражение.Инженеры борются с этим с помощью поверхностных микроструктур (грубостьТекущая эффективность экстракции достигает ~ 80% для синих светодиодов InGaN-GaN, но только ~ 60% для красных светодиодов.Зелёные светодиоды сталкиваются с сложными проблемами в балансировке несоответствия решетки InGaN при высоком составе индия с помощью специфических для длины волны структур экстракции.

"Эффективная пустыня" зеленого/цианового цвета возникает из переплетенной физики материалов и фотометрических ограничений.Прорывы будут достигнуты не постепенными улучшениями фосфора, а фундаментальными материальными инновациями, особенно посредством наноразмерных структурных конструкций в системах с более широкими диапазонами..

Поскольку технологии отображения, такие как Micro-LED, стимулируют спрос на полноцветное воспроизведение, коммерческая жизнеспособность для зеленых/циановых длин волн может достичь критической массы.Когда рыночные силы совпадают с научным прогрессомСегодняшняя эффективная пустыня может превратиться в яркий оазис завтрашнего дня, что станет еще одной вехой в освоении человечеством света.