Weiße LED-TypenDie wichtigsten technischen Wege zur Herstellung von weißen LEDs für Beleuchtungszwecke sind: ① Blaue LED + Phosphor-Typ; ②RGB-LED-Typ; ③ Ultraviolette LED + Phosphor-Typ.

1. Blaues Licht – LED-Chip + gelbgrüner Phosphortyp einschließlich mehrfarbiger Phosphorderivate und anderer Typen.

Die gelbgrüne Phosphorschicht absorbiert einen Teil des blauen Lichts des LED-Chips und erzeugt so Photolumineszenz. Der verbleibende Teil des blauen Lichts durchdringt die Phosphorschicht und vermischt sich mit dem vom Phosphor emittierten gelbgrünen Licht an verschiedenen Stellen im Raum. Das so entstandene weiße Licht entsteht durch die Mischung von rotem, grünem und blauem Licht. Bei diesem Verfahren erreicht die theoretische Höchstleistung der Photolumineszenz-Umwandlungseffizienz des Phosphors, eine der externen Quanteneffizienzen, maximal 75 %. Die maximale Lichtausbeute des Chips liegt bei etwa 70 %. Daher übersteigt die maximale Lichtausbeute von LEDs mit blau-weißem Licht theoretisch nicht 340 lm/W. CREE erreichte in den letzten Jahren 303 lm/W. Sollten die Testergebnisse zutreffen, wäre dies ein bemerkenswerter Erfolg.

2. Die Kombination aus den drei Primärfarben Rot, Grün und BlauRGB-LED-TypenenthaltenRGBW-LED-Typen, usw.

Drei Leuchtdioden (LEDs) – R-LED (rot), G-LED (grün) und B-LED (blau) – werden kombiniert, und die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau werden direkt im Raum gemischt, um weißes Licht zu erzeugen. Um auf diese Weise hocheffizientes weißes Licht zu erzeugen, müssen die LEDs verschiedener Farben, insbesondere die grünen LEDs, effiziente Lichtquellen sein. Dies zeigt sich daran, dass grünes Licht etwa 69 % des „isoenergetischen weißen Lichts“ ausmacht. Derzeit ist die Lichtausbeute blauer und roter LEDs mit internen Quanteneffizienzen von über 90 % bzw. 95 % sehr hoch, während die interne Quanteneffizienz grüner LEDs deutlich darunter liegt. Dieses Phänomen der geringen Effizienz grüner Lichts bei GaN-basierten LEDs wird als „Grünlichtlücke“ bezeichnet. Der Hauptgrund dafür ist, dass für grüne LEDs noch keine geeigneten Epitaxiematerialien gefunden wurden. Die existierenden Phosphorarsennitrid-Materialien weisen im gelbgrünen Spektralbereich eine sehr geringe Effizienz auf. Die Verwendung roter oder blauer Epitaxiematerialien zur Herstellung grüner LEDs ist unter Bedingungen niedriger Stromdichte vorteilhaft, da keine Phosphor-Umwandlungsverluste auftreten. Grüne LEDs weisen daher eine höhere Lichtausbeute auf als blaue LEDs mit Phosphor. Berichten zufolge erreicht ihre Lichtausbeute bei 1 mA Stromstärke 291 lm/W. Allerdings sinkt die Lichtausbeute aufgrund des Droop-Effekts bei höheren Strömen deutlich. Mit steigender Stromdichte nimmt die Lichtausbeute rapide ab. Bei 350 mA beträgt sie nur noch 108 lm/W und sinkt bei 1 A auf 66 lm/W.

Für Phosphide der Gruppe III stellt die Emission von Licht im grünen Spektralbereich eine grundlegende Herausforderung für Materialsysteme dar. Die Veränderung der Zusammensetzung von AlInGaP, sodass es grünes statt rotes, oranges oder gelbes Licht emittiert, führt aufgrund der relativ geringen Bandlücke des Materials zu einem unzureichenden Ladungsträgereinschluss, was eine effiziente strahlende Rekombination verhindert.

Im Gegensatz dazu ist es für III-Nitride schwieriger, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, doch die Schwierigkeiten sind nicht unüberwindbar. Bei der Nutzung dieses Systems und der Erweiterung des Lichtspektrums in den grünen Bereich führen zwei Faktoren zu einem Wirkungsgradverlust: die Verringerung der externen Quanteneffizienz und des elektrischen Wirkungsgrads. Die Verringerung der externen Quanteneffizienz resultiert daraus, dass grüne LEDs trotz der geringeren Bandlücke im grünen Bereich die hohe Vorwärtsspannung von GaN nutzen, was zu einer geringeren Leistungsumwandlungsrate führt. Der zweite Nachteil besteht darin, dass der Wirkungsgrad grüner LEDs mit steigender Injektionsstromdichte abnimmt und durch den Droop-Effekt begrenzt wird. Der Droop-Effekt tritt zwar auch bei blauen LEDs auf, hat aber bei grünen LEDs einen stärkeren Einfluss, was zu einem geringeren Wirkungsgrad im konventionellen Betrieb führt. Es gibt jedoch viele Spekulationen über die Ursachen des Droop-Effekts, nicht nur über die Auger-Rekombination – dazu gehören Versetzungen, Ladungsträgerüberlauf oder Elektronenleckage. Letztere wird durch ein hohes internes elektrisches Feld verstärkt.

Um die Lichtausbeute grüner LEDs zu verbessern, gibt es zwei Möglichkeiten: Zum einen sollte untersucht werden, wie der Droop-Effekt bei Verwendung bestehender Epitaxiematerialien reduziert werden kann, um die Lichtausbeute zu steigern. Zum anderen kann die Photolumineszenz-Konversion blauer LEDs und grüner Leuchtstoffe genutzt werden, um grünes Licht zu emittieren. Mit dieser Methode lässt sich hocheffizientes grünes Licht erzeugen, das theoretisch eine höhere Lichtausbeute als herkömmliches weißes Licht erreichen kann. Es handelt sich dabei um nicht spontan emittiertes grünes Licht, dessen spektrale Verbreiterung zwar die Farbreinheit beeinträchtigt, aber für die allgemeine Beleuchtung unproblematisch ist. Die mit dieser Methode erzielte Lichtausbeute von grünem Licht könnte über 340 lm/W liegen, wird diesen Wert jedoch nach der Kombination mit weißem Licht nicht überschreiten. Drittens sollte die Forschung fortgesetzt und eigene Epitaxiematerialien entwickelt werden. Nur so besteht Hoffnung. Durch die Erzeugung von grünem Licht mit einer Lichtausbeute von über 340 lm/W kann das aus den drei Primärfarben-LEDs (Rot, Grün und Blau) kombinierte weiße Licht die Lichtausbeutegrenze von 340 lm/W für blaue Chip-LEDs übertreffen.

3. Ultraviolette LEDEin Chip und drei Primärfarbphosphore emittieren Licht.

Der Hauptnachteil der beiden oben genannten Arten von weißen LEDs ist die ungleichmäßige räumliche Verteilung von Helligkeit und Farbwiedergabe. Ultraviolettes Licht ist für das menschliche Auge unsichtbar. Daher wird das ultraviolette Licht nach dem Austritt aus dem Chip von den drei Primärfarben-Phosphoren in der Gehäuseschicht absorbiert und durch deren Photolumineszenz in weißes Licht umgewandelt, das anschließend emittiert wird. Dies ist ihr größter Vorteil: Wie bei herkömmlichen Leuchtstofflampen tritt keine räumliche Farbungleichmäßigkeit auf. Die theoretische Lichtausbeute von UV-Chip-Weißlicht-LEDs kann jedoch nicht höher sein als die von blauen Chip-Weißlicht-LEDs, geschweige denn die von RGB-Weißlicht-LEDs. Nur durch die Entwicklung hocheffizienter, für die UV-Anregung geeigneter Primärfarben-Phosphore können wir derzeit UV-Weißlicht-LEDs erzielen, die die Effizienz der beiden oben genannten LED-Typen erreichen oder sogar übertreffen. Je näher die Lichtausbeute an die von blauen UV-LEDs heranreicht, desto wahrscheinlicher ist die Realisierung solcher LEDs. Je größer die Lichtausbeute, desto weniger realisierbar sind mittel- und kurzwellige UV-Weißlicht-LEDs.