单片式白光LED的棱锥结构介绍

　　白光LED将驱动这项照明革命。传统白光LED由发射蓝光的晶片及由吸收蓝光而放出黄光的萤光粉结合而成。这样的装置中，由混色而成的白光之发光效率受到限制。即使蓝光晶片和萤光粉的效率都非常高，晶片放出光子的能量及实际被萤光粉吸收的能量间的差距，仍造成不可避免的能量损失。此外，使用萤光粉也有个实行上的缺点，将萤光粉涂布於LED晶片上将增加制造成本。

　　终极的解决方式就是单片式白光LED，发出多重光谱，如蓝、黄或三原色。然而，制造这样一个装置相当具有挑战。氮化铟镓（InGaN）蓝光LED在长波长下效率骤降，而磷化铟镓（InGaP）红光LED在短波长下则效率锐减，这些缺点合起来导致缺乏效率的绿光及黄光射极，称为绿光能隙（green gap），阻碍了单片式白光LED的发展。

　　在三星的研究机构SAIT（Samsung Advanced Institute of Technology），我们已经着手开发另一种全新的LED结构，利用奈米级的棱锥结构来制造单片式白光LED，能顺利解决绿光能隙的问题。

　　为何不用萤光粉？

　　高品质且价格实惠的LED灯泡是固态照明的终极目标。今日已可买到色彩品质佳且高发光效率的LED，但对消费者而言成本仍然太高。显而易见的，大量生产可降低晶片成本，采用大尺寸矽晶圆能够获得更高的利润。我们已经发展出这样的技术，且最近已应用於蓝光LED的生产，其在4寸及8寸矽晶片上以电流350mA驱动下可产生510mW的功率。但既然最终是要降低整个经营成本，比起降低制造成本，提升发光效率会更为有效。这是因为加强发光效率能带来三个层面的效益；分别为对晶片而言可降低每流明的成本，对整个灯具而言能降低封装成本，针对使用上而言可以降低耗电量。

　　晶片制造大厂的实验室中，最佳的白光LED之发光效率超过200lm/W。在350mA驱动电流下，美国Cree公司创下发光效率231lm/W的记录。纪录无疑的仍会继续往上增加，但能提升的空间不多了，因为萤光粉转换白光LED（phosphor-converting white LED）的理论最大发光效率为263lm/W。

　　理论值限制之最大发光效率的关键因素是史托克转换（Stokes shift）能量损失。当以蓝光激发黄光萤光粉时该损失达20%，且当蓝光被用以激发较长波长的萤光粉，如橘光萤光粉时，则该损失会更大。橘光萤光粉是被用来产生居住照明市场所需的暖白色调光源。利用混色方式所结合出的白光在发光效率上亦会产生限制，因人眼对绿色敏感，而传统白光LED缺乏会对光源效率有很大的影响的绿光光谱。综合此因素，对於广泛的发光光谱结合萤光粉所发出的光，人眼对其光波长反应迟钝；更糟的是，暖白光中的可见光则更严重。

　　去除波长的转换可避开这些问题，且可增加理论最大发光效率到超过400lm/W。但建构这样的装置非常棘手，因为不只是制造一个能产生多色光之波长的单一晶片，并且要能发出高效率的的绿光、黄光、或甚至是红光。

　单片式白光LED的障碍

　　氮化物LED的绿光能隙源自於富含铟氮化铟镓的晶体品质不佳，以及三族氮化物在c平面上的极化性质所导致的。巨观的极化现象於此材料中，引起垂直量子井平面的压电场。压电场在电子井中将电子与电洞拉开，导致自发辐射率的衰退，此现象称为量子局限史塔克效应。