白色LED的開發(fā)和應(yīng)用

　　摘要：固體光源白色發(fā)光二極管(LED)是第四代光源，將替代現(xiàn)在的白熾燈，熒光燈和高壓氣體放電燈。本文介紹了白色LED的發(fā)光機(jī)理、制造方法、結(jié)構(gòu)和特性，還介紹了近年來開發(fā)的許多實(shí)用的LED照明系統(tǒng)及發(fā)展動向。隨著白色LED的進(jìn)一步開發(fā)和完善，白色LED將發(fā)展成為21世紀(jì)的高效節(jié)能光源。

　　關(guān)鍵詞：白色發(fā)光二極管 固體光源 綠色照明 高效釔鋁石 榴石 熒光粉

　　1、前言

　　多年來人類一直在尋找和開發(fā)固體發(fā)光光源，隨著發(fā)光材料的開發(fā)和半導(dǎo)體制作工藝的改進(jìn)，半導(dǎo)體照明用發(fā)光二極管效率不斷提高。發(fā)光二極管(LED)是在半導(dǎo)體p－N結(jié)處施以正向電流時(shí)發(fā)出可見光、紅外光、紫外光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。目前實(shí)用化的化合物半導(dǎo)體發(fā)光材料是以Ⅲ－ⅤA族元素的材料為主要的發(fā)光材料。最近由于化合物半導(dǎo)體外延成長技術(shù)和發(fā)光器件制造工藝技術(shù)的急速發(fā)展，開發(fā)了光電轉(zhuǎn)換效率非常高的發(fā)光二極管，發(fā)光范圍遍及紅色到藍(lán)色的可見光，甚至可發(fā)出紅外光和紫外光。特別是采用氮化物半導(dǎo)體InGaN的藍(lán)色LED的實(shí)用化，將10cd以上的高亮度的藍(lán)色LED與釔鋁石榴石熒光粉(YAG：添加Ce的釔、鋁石榴石)組合在一起，開發(fā)出光效達(dá)20lm/W以上的白色LED。這種光源將成為新世紀(jì)的節(jié)能照明光源，十分引人注目。不僅如此，對于發(fā)光在短波長區(qū)域的紫外光LED，通過與熒光粉的適當(dāng)配合，改進(jìn)器件的結(jié)構(gòu)，也可開發(fā)出用于照明的白色LED。

　　白色LED自開發(fā)成功4年來，發(fā)光效率不斷地提高。從開發(fā)初期的5lm/W，到1999年達(dá)到相當(dāng)于白熾燈的光效15lm/W，后又提高到相當(dāng)于鹵鎢燈的光效25lm/W。最近又有極導(dǎo)美國Agilient實(shí)驗(yàn)室已研制開發(fā)成功光效為100lm/W的有色LED和光效達(dá)40～50lm/W的白色LED。日本自從1998年以來正在實(shí)施“高效率電光轉(zhuǎn)換化合物半導(dǎo)體”開發(fā)計(jì)劃，已投資50億日元，計(jì)劃至2005年使白色LED光效達(dá)到80～100lm/W。由于白色LED光效的迅速提高，加之它體積小、耐振動、響應(yīng)速度快、方向性好、壽命長達(dá)數(shù)萬小時(shí)、可低壓驅(qū)動、光色接近白熾燈色、無汞和鉛的污染，將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節(jié)能光源。本文主要介紹白色LED高效率化的技術(shù)進(jìn)展、發(fā)光機(jī)理和特性，以及LED照明系統(tǒng)的實(shí)用化和及其節(jié)能效果。

　　2、白色LED的開發(fā)及發(fā)光特性

　　1960年開發(fā)成功發(fā)光二極管，在90年代采用氣相生長法替代傳統(tǒng)而煩雜的液相法，制成多層薄膜的LED簡易結(jié)構(gòu)，先后研制成功從紅色到橙色的AlInGaP和藍(lán)色系列的InGaN發(fā)光材料，在GaN系列的基礎(chǔ)上又研制成功藍(lán)色(470nm)、藍(lán)綠色(550nm)和綠色(525nm)的LED。

　　作為照明用的LED重要的特性參數(shù)是光亮度(能量)和光色(光譜能量分布)。對于LED來說單純地增加輸入功率，亮度會成比例地上升，但LED芯片的發(fā)勢量會隨之增加，過多的熱將損壞它的結(jié)晶和封接而縮短壽命。因此使輸入功率的電能高效地轉(zhuǎn)換成光能是重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前高輸出型LED的外部量子效率僅為10％左右，而空穴和電子對的能量中的90％成為內(nèi)部熱被耗損掉，因此將這部分內(nèi)部耗損的熱能轉(zhuǎn)換成光能就可提高光亮度。改進(jìn)的途徑有研究新的發(fā)光材料，提高發(fā)光層內(nèi)部結(jié)合的幾率，提高從芯片中取出光的效率。所以將現(xiàn)在的LED的光亮度提高3～4倍，達(dá)到熒光燈亮度的水平是完全可能的。日本日亞公司研制的以GaN為基礎(chǔ)的LED芯片的光效以每年提高10～20％的速度不斷地改進(jìn)。表1為日亞公司各種LED的特性。

　　LED的發(fā)光色已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從紫外，可見直到紅外幾乎所有的光色(表1)，但是它們都是在色度圖周圍上色純度高的光源色，屬于色度圖的內(nèi)側(cè)位置中間的LED沒有一例，而且單芯片自發(fā)出復(fù)數(shù)光色的多彩色的LED也無一例，而要制成中間色的LED，以白色LED為例，則有兩種方法，一是將LED與特殊的不同種熒光粉相結(jié)合，另一方法是將多芯片材料混合制成混合色芯片。

　　在發(fā)光二極管中，當(dāng)有正向電流流經(jīng)半導(dǎo)體P－N結(jié)晶，在活性層注入的電子和空穴產(chǎn)生穴產(chǎn)生輻射再結(jié)合的過程而發(fā)光。通常在無關(guān)閉時(shí)為使電流變窄采用雙異質(zhì)(DH)接合的結(jié)構(gòu)或量子阱(QW)的結(jié)構(gòu)。

　　一般LED的發(fā)光效率是由下式3個(gè)獨(dú)立效率因子的乘積表示的：

　　ywp=yv·yi·yext(1)

　　這里：

　　ywp為輸出對輸入的效率

　　yv為電壓效率

　　yi為內(nèi)部量子效率

　　yext為光輸出到外部的效率

　　采用波長為λ0紫外(UV)LED與3基色熒光粉相結(jié)合得出激勵白光的發(fā)光效率如下式：

　　這里：P為UVLED的輸出；yph為熒光燈效率；yuvph為變換效率；Fph(λ)為熒光粉的發(fā)光光譜；K(λ)為視感度系數(shù)。假定yuvph=95％，yph=90％則30W的LED可得到約為100lm/W的光效。

　　炮彈型白色LED(10cd級)的發(fā)光光譜與溫度的依存關(guān)系，LED為多重量子阱結(jié)構(gòu)。室溫下為峰值465nm的光是藍(lán)色LED發(fā)出的；峰值555nm黃色光是由只有發(fā)出150nm的帶狀光譜的YAG與Ce3＋離子的組合發(fā)出的；YAG：Ce3＋的發(fā)出激勵帶是在460nm位置。當(dāng)溫度上升時(shí)，465nm的發(fā)光峰值向長波長方向轉(zhuǎn)變，這里與InGaN半導(dǎo)體禁帶的溫度變化相同，而555nm的黃色光帶幾乎無變化。但發(fā)光強(qiáng)度在急劇減少，其原因是隨著溫度的上升藍(lán)色LED的發(fā)藍(lán)色光的峰值向長波長方向轉(zhuǎn)變所致。因此，白色LED的發(fā)光特性與溫度有關(guān)，當(dāng)超過50℃時(shí)黃色光急劇減弱，使白色的顯色性變差。為白色LED的發(fā)光效率與正向電流的依存關(guān)系，可看出在9×10－2mA開始觀測白色光，當(dāng)正向電流為1mA時(shí)發(fā)光效率約為45lm/W，當(dāng)該電流分別為10、20mA時(shí)光效分別為27、23lm/W，詳細(xì)機(jī)理目前還不太清楚。平均顯色指數(shù)在3mA到100mA時(shí)幾乎都為常數(shù)Ra=85,作為照明光源的顯色性能是很好的。

　　3、照明用白色LED的制造方法、結(jié)構(gòu)和種類

　　照明用白色LED的種類和原理如表2所示，主要方式有單芯片型和多芯片型(雙芯片型和三芯片型)，多芯片型是將不同光色的芯片裝配在同一個(gè)包裝內(nèi)得到混色后發(fā)出白光。單芯片型制造方式又分：(1)將藍(lán)色LEDInGaN芯片與釔鋁石榴石熒光粉或三基色熒光粉組合在一起發(fā)出白色光；(3)用發(fā)出紫外光的InGaNLED發(fā)出的紫外光激勵三基色熒光粉發(fā)出白色光。

　　炮彈型白色LED的結(jié)構(gòu)，是在藍(lán)色GaN芯片的表面涂復(fù)YAG熒光粉制成的，熒光粉層的組成為(Ya、Gd1－a)3、(Alb，Ga1－b)5O12:Ce，制作時(shí)先將LED芯片放置在導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中用金線焊接，然后在芯片周圍涂覆YAG熒光粉，最后用環(huán)氧樹脂封接，樹脂既起保護(hù)芯片的作用又起集光棱鏡的作用。白色LED和普通白熾燈的光譜分布，光最初從LED發(fā)射出，入射到周圍的熒光粉層內(nèi)，經(jīng)多重散亂地反射、吸收最后向外部發(fā)射出光，LED的光譜峰值為465nm，半峰值寬度30nm為非常尖銳的藍(lán)色光譜，由藍(lán)光激勵YAG熒光粉發(fā)出峰值為黃色光555nm的平緩光譜線，黃、藍(lán)光相混互襯后得到白色光。白色LED具有顏色的多樣性和配光特性自由度大的特征。與普通LED燈相同。白色LED同樣可通過改變樹脂棱鏡的曲率，棱鏡與芯片間的距離來得到各式各樣的配光特性。對于形狀小的束狀集光或廣角的擴(kuò)散光都易于進(jìn)行配光控制。

　　4、白色LED照明系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

　　白色LED具有低電壓驅(qū)動、體積小、重量輕、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長(達(dá)2萬小時(shí)以上)、耐振動、不易損壞、色溫變化時(shí)不會產(chǎn)生視覺誤差。LED的光效仍在不斷地提高，目前已達(dá)25lm/W，不久將來將達(dá)到80～100lm/W，是照明的理想光源。然而由于單只LED功率小，光亮度低，不宜單獨(dú)使用，為此必須將多個(gè)LED組裝在一起設(shè)計(jì)成為實(shí)用的LED照明系統(tǒng)，則具有廣闊的應(yīng)用前景。目前世界大的照明公司都在開發(fā)不同應(yīng)用范圍和品種規(guī)格的LED照明系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：(1)根據(jù)照明對象、光通量的需求，決定光學(xué)系統(tǒng)的形狀、LED的數(shù)目和功率的大?。?2)將若干個(gè)LED發(fā)光管組合設(shè)計(jì)成點(diǎn)光源、環(huán)形光源或面光源的“二次光源”，根據(jù)組合成的“二次光源”，計(jì)算照明光學(xué)系統(tǒng)；(3)構(gòu)成照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要，構(gòu)成炮彈型LED的透明樹脂的凸圓形保護(hù)頭子起凸透鏡作用，是決定單個(gè)LED發(fā)出聚光還是散光光束的重要部件。

　　現(xiàn)將幾種實(shí)用的白色LED照明系統(tǒng)介紹如下：

　　白色LED可以小至1mm裝配在包裝表面儀器上，采用5U直流的電源驅(qū)動，線路簡單，適用于便攜式電話，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字錄像機(jī)、汽車音響等液晶用背光/正光照明。圖5為使用白色LED作背光照明的結(jié)構(gòu)，使用于具有特殊效果的05～2.5英寸小型TFT彩色液晶的場合，2～6個(gè)白色LED可得到(在導(dǎo)光板上)300cd/m2的亮度。圖6分別為超小型聚光燈的光路和配光曲線，將51個(gè)白色LED布置在一個(gè)凹球面內(nèi)，光束先會聚再發(fā)散投射到一個(gè)菲涅爾透鏡上，制成光束擴(kuò)散角可變化的小型聚光燈，功率僅9W、采用ABS樹脂作燈體，燈體長×高為58mm×58mm,直徑為50.8mm、重130g，適用于小面積上增強(qiáng)光照用，當(dāng)移動凹面時(shí)，系統(tǒng)的出射光會發(fā)生聚光、散光的光束分布變化。圖7為射出平行光束的LED照明系統(tǒng)的光路，該系統(tǒng)將LED增多布在一個(gè)凸半球上，用來模擬一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)光的情況，從LED發(fā)出的光線投射到拋物鏡經(jīng)反射后而得到平行光。圖8為圓形導(dǎo)光板周圍配置LED的平板器具。圖9為在普燈玻殼內(nèi)配置LED制成的電球形LED燈。最近又研制成利用太陽能的白色LED照明系統(tǒng)。

　　白色LED照明系統(tǒng)除可用電能、太陽能作能源外還可以用風(fēng)能、燃料電池等作為輔助能源，起到節(jié)電節(jié)能的作用。白色LED小巧輕量、驅(qū)動電壓低、有不同的光色、壽命長、耐振動、易于控光等特性，對設(shè)計(jì)用于不同場所和目的的照明系統(tǒng)提供了優(yōu)越條件。同一照明系統(tǒng)可選用不同光色的LED組合在一起，將驅(qū)動線路與調(diào)光線路相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)可調(diào)光，調(diào)色的色可變照明系統(tǒng)，作為舞臺照明有很好的演出照明效果。小巧輕量的LED可與燈具一體化，燈具既起支撐LED的作用又起供給LED的驅(qū)動電源作用，使照明系統(tǒng)薄形化可嵌入在頂棚內(nèi)，粘貼在墻壁上等處，形成無照明器具感的照明系統(tǒng)，具有良好的室內(nèi)照明效果。長壽命的LED可多次重新使用位置在新的照明系統(tǒng)中，使照明系統(tǒng)的更新簡單、快速、方便。白色LED照明系統(tǒng)還可將驅(qū)動點(diǎn)燈線路通過電腦與因特網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)信息控制，如外出辦事或旅游，可通過手機(jī)發(fā)出指令對室內(nèi)LED照明系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和信息化管理。

　　5、白色LED的開發(fā)動向

　　白色LED作為第四代光源將在21世紀(jì)替代白熾燈和熒光燈，這已引起世界各國的重視。1998年日本開發(fā)實(shí)施國家的“21世紀(jì)照明計(jì)劃(高效電光變換的化合物半導(dǎo)體開發(fā)設(shè)計(jì))”；目前已投資50億日元，2000年已年產(chǎn)白色LED1億只，目前正在實(shí)施使白色LED光效達(dá)80～100lm/W的開發(fā)計(jì)劃。美國在2000年4月召開了“LED發(fā)展戰(zhàn)略研討會”，目前美國實(shí)驗(yàn)室有色LED的光效達(dá)100lm/W，白色LED的光效達(dá)40～50lm/W的水平。世界各大照明公司與半導(dǎo)體公司合資開發(fā)白色LED，如美國GE與EMCORE合作成立GELcore公司，德國西門子與歐司朗兩公司成立合資公司等，并指出如果西方不開發(fā)自己的白色LED的技術(shù)，遠(yuǎn)東競爭者就會在LED領(lǐng)域占優(yōu)勢，沖擊傳統(tǒng)照明光源。而日本從2001年開始實(shí)施使日本國成為固體照明先進(jìn)的計(jì)劃，并預(yù)計(jì)到2010年白色LED在照明市場普及率將達(dá)13％。

　　為實(shí)現(xiàn)高效白色LED照明系統(tǒng)實(shí)用化，實(shí)施的半導(dǎo)體照明研究的主要內(nèi)容包括：(1)研究以使用UVLED的AlN、GaN等為中心的化合物半導(dǎo)體的發(fā)光機(jī)理；(2)改進(jìn)藍(lán)色、紫外LED的外延成長技術(shù)；(3)均質(zhì)外延板的開發(fā)；(4)高效R.G.B熒光粉的開發(fā)和白色LED照明系統(tǒng)的實(shí)用化。2003年，白色LED光效將達(dá)80～100lm/W，2010年將達(dá)120lm/W，可制成效率高于熒光燈的照明系統(tǒng)，這一計(jì)劃對國際上LED的發(fā)展將產(chǎn)生大的影響。

　　6、結(jié)束語

　　本文介紹了白色LED的發(fā)光機(jī)理、結(jié)構(gòu)、制造方法和新的照明系統(tǒng)。由于白色LED的發(fā)光效率，顯色性能，安全性，穩(wěn)定性，長壽命等優(yōu)良特性奠定了作為第4代光源的基礎(chǔ)，隨著LED的進(jìn)一步改進(jìn)和照明系統(tǒng)的完善，白色LED將會在21世紀(jì)發(fā)展成為替代白熾燈、熒光燈的主要光源。