固態(tài)照明光源：白光LED的現(xiàn)狀和未來(lái)

下來(lái)介紹一下光源參數(shù)，包括色溫、顯色性，發(fā)光效率。我參加本次會(huì)議受到很多的啟發(fā)，光源的壽命以及成本大家都比較熟悉。現(xiàn)有的這些光源，它的一些指標(biāo)都列在這里，由于時(shí)間關(guān)系就不說(shuō)了，大家可以看一下。

現(xiàn)在主要存在的問(wèn)題：真空器件體積大，易碎，發(fā)光效率低，原因是白熾燈低溫黑體輻射，日光燈短波紫外線激發(fā)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅綠藍(lán)熒光粉發(fā)光，能量效率低，壽命短。 我們要分析一下對(duì)光有一個(gè)基本的要求，就是要適應(yīng)我們眼睛的需要，要和我們眼睛的特性要匹配，眼睛的特性實(shí)際上是太陽(yáng)光照射了以后長(zhǎng)期形成了我們眼睛的特性，也就是說(shuō)，我們照的這個(gè)光，光譜的分布要盡量接近太陽(yáng)光的光譜。現(xiàn)在有兩個(gè)途徑，一個(gè)是要通過(guò)黑體輻射，一個(gè)是通過(guò)不同色光的合成?，F(xiàn)在我們用的這個(gè)燈就正好是這兩個(gè)技術(shù)其中的一種。因?yàn)槲覀冎饕榻B了半導(dǎo)體的白光照明，所以主要介紹一下不同色光如何來(lái)合成白光。

根據(jù)黑體輻射原理制成的白熾燈，由于色溫不可能太高，大部分能量轉(zhuǎn)變成了紅外輻射，這部分對(duì)照明沒有貢獻(xiàn)，使發(fā)光效率降低，不同色光合成白光有不同的合成，可以是兩種、三種或更多種色光合成白光，色種用得多的話，它的象素就高，但是流明效率降低，這與對(duì)合成白光的質(zhì)量要求有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，用RGB三種色光合成白光可同時(shí)滿足發(fā)光效率、顯色指數(shù)、色溫等要求。 由理論處理可知，若色溫為6500K，顯色指數(shù)大于90，只有當(dāng)三色波長(zhǎng)分別為455、530和610納米時(shí)，所合成的白光流明效率最高可達(dá)300lm/W。 紅綠藍(lán)半導(dǎo)體LED的問(wèn)世為實(shí)現(xiàn)固體白光照明提供了可能性。發(fā)光二級(jí)光（LED）是一種將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體電致發(fā)光（EL）器件?，F(xiàn)在由氮化物來(lái)產(chǎn)生紅光還是有困難的，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室正在做。氮化鉀基材料與器件的優(yōu)點(diǎn)，具有寬的直接帶隙，A1N 6.2eV、氮化鉀3.4eV。正因?yàn)檫@樣，白光LED的優(yōu)點(diǎn)直流驅(qū)動(dòng)、相應(yīng)快、體積小、壽命長(zhǎng)、全固體、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)毒、耐候性好、理論光效率高。白光LED被認(rèn)為是二十一世紀(jì)的新光源，有可能代白熾燈和日光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo)，全球的照明市場(chǎng)約為500億美元，若白光LED真正能用于日常的照明，由于其節(jié)能燈多種突出的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用。

白光LED發(fā)展的現(xiàn)狀我們?cè)谶@里簡(jiǎn)單介紹一下。一個(gè)是白光合成途徑研究進(jìn)展，白光的合成途徑大體上有三條路可以走，第一條路是紅綠藍(lán)，LED是紅綠藍(lán)合成了白光，但這種辦法主要的問(wèn)題是綠光的轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)在紅綠藍(lán)LED墻插入效率分別達(dá)30％、10％和25％，白光流明效率可達(dá)60lm/W。通過(guò)進(jìn)一步提高藍(lán)綠光LED的流明效率，則白光流明效率可達(dá)200lm/W。由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同，對(duì)合成白光的各色LED流明效率有不同的。第二條路是用LED＋不同色光熒光粉：第一個(gè)方法是用紫外或紫光（300－400納米）LED＋RGB熒光粉來(lái)合成LED，這種工作原理和日光燈是類似的，但是比日光燈性能要優(yōu)越，令紫光（400納米）LED的轉(zhuǎn)換系數(shù)可達(dá)0.8，各色熒光粉的量子轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.9；還有一個(gè)辦法是用藍(lán)光LED（460納米）＋紅綠熒光粉，藍(lán)光LED效率60％，熒光粉效率70％；還有是藍(lán)光LED＋黃（YAG）再加上紅來(lái)構(gòu)成白光，目前在市場(chǎng)上用的就是這種。第三條路是用單芯片形成白光，只要一個(gè)芯片，然后就可以形成白光，這種技術(shù)現(xiàn)在還在做，這條路到底能否走通，現(xiàn)在還不能下結(jié)論，但是已經(jīng)有一些結(jié)果了，有兩種方式，一種是光載的，一種是光子載束的。

我們來(lái)看看這三個(gè)途徑。

第一個(gè)途徑三色LED合成白光綜合性能最好，在高顯色指數(shù)下，流明效率有可能高達(dá)200lm/W，要解決的主要技術(shù)難題是提高綠光LED的電光轉(zhuǎn)換效率，目前只有13％左右，同時(shí)成本高。

第二個(gè)途徑，LED激發(fā)熒光粉形成白光是一條綜合性能適中、成本較低、近期內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)化的途徑，尤其是藍(lán)光LED（460納米）和黃紅粉結(jié)合具競(jìng)爭(zhēng)力，但流明效率難以達(dá)到長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)值，紫外LED（360納米）和技術(shù)較未成熟的紅率藍(lán)粉結(jié)合也是一條較易實(shí)現(xiàn)的。

固態(tài)白光最新進(jìn)展，最新研制的藍(lán)光LED和熒光粉構(gòu)成的固態(tài)白光器件：到今年為止國(guó)際上做的最好的就是碳化硅，它的流明效率可以做到75lm/W。還有是藍(lán)寶石做襯底，這個(gè)價(jià)格較便宜，流明效率可以做到每瓦61.4lm。

LED研究進(jìn)展，研究目的：實(shí)現(xiàn)高效率、高功率、長(zhǎng)壽命器件。技術(shù)難題：降低缺陷密度、改善歐姆接觸、電場(chǎng)均勻性、提高光引出率、降低溫升等。主要措施：側(cè)向生長(zhǎng)、匹配襯底、封裝技術(shù)改進(jìn)等。主要進(jìn)展：藍(lán)光外量子效率：36－39％。

從芯片來(lái)說(shuō)，襯底材料，一個(gè)是芯片外延技術(shù)，還有是LED器件的制作?，F(xiàn)在這幾方面都取得了比較大的進(jìn)展。在藍(lán)寶石上，因?yàn)樗囊r底不匹配，所以采取了側(cè)向外延的技術(shù)，最后性能取得了比較大的改進(jìn)。

在藍(lán)博士上LED的性能，盡管采取了很多措施，但還是不如在碳化硅上做的不光是藍(lán)寶石也好或者是碳化硅也好，都是不匹配的，匹配的工藝做起來(lái)難度比較大。大家看這個(gè)圖，這是在氮化鋁這個(gè)襯底上做的結(jié)果，所用襯底材料分別為AlN晶體和SiC晶體以及GaN和藍(lán)寶石，分別在其上制作多量子井紫外發(fā)光器件。

芯片研究的進(jìn)展結(jié)果： 1、基于藍(lán)寶石襯底的藍(lán)、綠、紫及紫外LED目前所獲得的最佳性能是在采取側(cè)向生長(zhǎng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上取得的，目的在于減小位錯(cuò)密度，藍(lán)、紫器件的外量子效率約40％，而綠、紫外器件約15％，離目標(biāo)值分別相差2－6倍，基于該芯片的白光性能改進(jìn)主要依賴于熒光粉和封裝技術(shù)的改進(jìn)。

2、由于碳化硅上所做的器件具有更小的位錯(cuò)密度，基于該襯底的各色光LED性能仍優(yōu)于上述藍(lán)寶石襯底側(cè)向生長(zhǎng)的LED性能，但由于該襯底材料較藍(lán)寶石貴7－10倍，有關(guān)性能優(yōu)化的研究工作做的相對(duì)較少，也許還有較大的潛力可挖。但是碳化硅的價(jià)錢比較貴，買這個(gè)東西的投資太大了。

3、分別用碳化硅和氧化鋁以及GaN和藍(lán)寶石作為襯底材料所做的發(fā)光期間對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，它們的紫外發(fā)光特性具有數(shù)量級(jí)的差別，說(shuō)明基于匹配襯底所做的低缺陷密度LED有可能獲得最佳的發(fā)光性能。（包括流明效率和單管產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）。

熒光粉研究的情況，和芯片情況來(lái)比較說(shuō)的話，不可做調(diào)整的熒光粉，黃分量子效率已提高至7％，紅色還繼續(xù)我們繼續(xù)來(lái)做。用溶膠凝膠法將厚度為2納米的二氧化硅包裹在直徑為數(shù)10納米的Zes熒光粉粒外面。

封裝技術(shù)研究進(jìn)展，對(duì)功率型LED封裝的技術(shù)要求，1、盡可能實(shí)現(xiàn)良好的混色效果；2、盡可能提高光輸出效率；3、盡可能降低器件的溫度。倒封優(yōu)點(diǎn)--導(dǎo)電好，電場(chǎng)均勻，散熱好，有利于提高單管光功率輸出。

這一張是我們前幾天在大連開會(huì)的時(shí)候做的演示，發(fā)光效率達(dá)到100lm/W，單只LED的光通量達(dá)到100lm，可靠性2萬(wàn)小時(shí)，成本是0.02元/lm在這個(gè)情況之下就可以走向市場(chǎng)。

各個(gè)國(guó)家都有照明發(fā)展計(jì)劃。這是美國(guó)的固體照明發(fā)展計(jì)劃，到2020年每W是200lm，和白熾燈、日光燈都有比較。 我國(guó)現(xiàn)在在大連、上海、南昌、廈門都有基地。

現(xiàn)在存在的問(wèn)題：1、效率低，尚未達(dá)到和超過(guò)熒光燈的水平；2、價(jià)格高，目前難于在照明領(lǐng)域推廣。3、有一系列理論、技術(shù)和工藝問(wèn)題亟待解決。

一個(gè)是一個(gè)Defect Density密度，還有就是剛才我們說(shuō)的襯底材料，這個(gè)難度非常大，我今天沒有時(shí)間詳細(xì)說(shuō)了，可以說(shuō)這是國(guó)際上的一個(gè)難題，另外一個(gè)問(wèn)題就是光抽取效率仍需提高，白光LED的顯色性差，目前已實(shí)用化的白光LED只有藍(lán)光LED＋YAG熒光粉