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中村修二:使用藍(lán)色LED的白色LED早晚會消失

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2015-07-30 來源:日經(jīng)瀏覽次數(shù):421
   “使用藍(lán)色LED的白色LED早晚會消失。”
 
  說出這句話的,是因開發(fā)出藍(lán)色LED而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)教授中村修二。這是中村在2015年7月24日舉行的研討會“GaN掀起能源革命”上發(fā)表演講時(shí)說的。
 
  液晶屏背照燈及照明等使用的白色LED,主要是由藍(lán)色LED芯片和黃色熒光體組合而成的。中村指出,這種類型的白色LED“存在藍(lán)色光的峰值強(qiáng)度較高、容易引起睡眠障礙的問題”,也就是所謂的“藍(lán)光問題”。中村介紹的解決對策是美國Soraa公司銷售的白色LED。
 
  Soraa是中村作為共同創(chuàng)始人(co-founder)設(shè)立的LED風(fēng)險(xiǎn)企業(yè),主要銷售在紫色LED芯片上組合使用紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)熒光體的白色LED。中村介紹,這種白色LED“通過紫色LED激發(fā)熒光體來獲得藍(lán)色光,因此藍(lán)色光的峰值強(qiáng)度不太高”。而且,還能輸出可見光波長范圍內(nèi)所有的光,因此可實(shí)現(xiàn)像太陽光一樣的理想白色。
 
  效率提高約50%
 
  紫色LED芯片本身就有很多優(yōu)點(diǎn)。比如,紫色LED芯片是在GaN基板上層疊GaN類半導(dǎo)體來制作的,屬于“GaN on GaN”型LED。因此,GaN類半導(dǎo)體層的晶體品質(zhì)很高。基板與GaN類半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)等基本上沒有差異,因此很難出現(xiàn)被稱為“位錯(cuò)”的晶體缺陷。
 
  而普通的藍(lán)色LED芯片是在藍(lán)寶石基板上制作的。GaN類半導(dǎo)體與藍(lán)寶石的晶格常數(shù)等不同,因此容易出現(xiàn)位錯(cuò)。
 
  紫色LED芯片的形狀也十分獨(dú)特,為三角形。普通LED芯片的形狀為四角形,與之相比,三角形LED芯片的發(fā)光層發(fā)出的光線射到芯片外的效率(光提取效率)更高。
 
  據(jù)中村介紹,由于紫色LED的晶體品質(zhì)及光提取效率都很高,因此光輸出除以投入電力所得到的“WPE(wall-plug efficiency,電光轉(zhuǎn)換效率)”可達(dá)到84%。而普通藍(lán)色LED的WPE僅為50~60%。
 
  紫色LED芯片的另一特點(diǎn)是不易出現(xiàn)“光效下降(droop)”問題。光效下降是為了提高發(fā)光強(qiáng)度而增加驅(qū)動電流密度時(shí),引起的發(fā)光效率下降的現(xiàn)象,也是提高亮度時(shí)存在的一大課題。而GaN on GaN型產(chǎn)品的晶體品質(zhì)較高,與藍(lán)寶石基板型產(chǎn)品相比,不易發(fā)生光效下降問題。因此,與藍(lán)寶石基板型產(chǎn)品相比,GaN基板型產(chǎn)品可使電流密度提高至5~10倍。
 
  不過,GaN基板型產(chǎn)品也不能完美解決光效下降問題,電流密度的提高存在界限。
 
  激光照明為第三代產(chǎn)品
 
  因此,中村一直在大力研究使用半導(dǎo)體激光器的照明。如果將藍(lán)寶石基板型產(chǎn)品視為第一代SSL(solid state lighting:固體照明)的話,那么GaN基板型產(chǎn)品就是第二代,而激光器照明就是第三代產(chǎn)品。
 
  中村介紹,使用半導(dǎo)體激光器的話,即便將電流密度提高至LED的近1000倍,也基本上不會對發(fā)光效率產(chǎn)生影響。
 
  因此,獲得相同亮度所需要的芯片面積就能大幅縮小。比如,要獲得60W的白色光,藍(lán)寶石基板型LED需要28平方毫米的面積,而使用半導(dǎo)體激光器的話,只需要0.3平方毫米。
 
  目前,藍(lán)色半導(dǎo)體激光器存在成本和效率問題。中村表示,“成本是藍(lán)色LED的10倍,而效率(WPE)卻只有30%,僅為藍(lán)色LED的一半左右。因此,必須將成本降低到1/10,效率提高到兩倍”。他對解決這些問題充滿信心。
 
  在著名投資者的建議下創(chuàng)業(yè)
 
  演講時(shí),中村還提到了創(chuàng)辦Soraa的原因。該公司是由包括中村在內(nèi)的三名UCSB教授于2008年成立的。為此提供契機(jī)的是美國著名風(fēng)險(xiǎn)投資人維諾德·科斯拉(Vinod Khosla)。科斯拉看到中村的研究小組發(fā)表的2006年的研究成果后,便勸說中村創(chuàng)業(yè)。
 
  Soraa從2012年開始在美國銷售LED燈,2013年開始在日本等美國以外的國家銷售。2014年的銷售額達(dá)到約40億日元,實(shí)現(xiàn)了快速增長。
 
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