LED白光技術(shù)原理及發(fā)展趨勢

　　照明，從始至終與人類(lèi)文明休戚相關(guān)。

　　1879年，愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈，把人類(lèi)從火焰照明的時(shí)代帶到了電光源的時(shí)代。一個(gè)多世紀以來(lái)，電光源照明技術(shù)得到了跨越式的發(fā)展，先后經(jīng)歷了以白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)為代表的三個(gè)重要階段。如今，隨著(zhù)新一代半導體材料的出現和發(fā)光二極管(LED)封裝技術(shù)的突破，以及LED功率等級的不斷提高，LED光源正在掀起電光源發(fā)展的第四場(chǎng)革命。

　　 LED光源從根本上改變了光源發(fā)光機理，在提升照明質(zhì)量和效用的同時(shí)，還可以改善環(huán)境、節約能源，具有很高的經(jīng)濟效益。目前，白光LED光源正在各個(gè)領(lǐng)域慢慢吞噬傳統光源的市場(chǎng)。它的應用領(lǐng)域主要有：局部范圍低照度照明、液晶(LCD)顯示的背光源、交通照明、室內照明及特殊照明等。據東芝公司(Toshiba)預測，在特殊照明市場(chǎng)，2010年將有16%被LED取代，2012年將達到30%。

　　但從目前的情況來(lái)看，固體照明的主要應用還是在彩色LED照明領(lǐng)域。而作為L(cháng)ED業(yè)界的最終目標，大功率高亮度白光LED在如今的市場(chǎng)上并沒(méi)有達到通過(guò)機理分析所預期的卓越性能，且價(jià)格相對高昂。

　　技術(shù)原理

　　要了解白光LED的進(jìn)步空間，讓我們首先補充一點(diǎn)LED的原理。

　　 LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導體制成，其核心是電致發(fā)光的P-N結。P-N結的一層帶過(guò)量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”(載流子)，當在P-N兩端施加電壓的作用下，電子和“空穴”相互結合并以光子的形式釋放出能量，若光子的能量在可見(jiàn)光范圍內，從而輻射出光芒。LED的發(fā)光波長(cháng)是由半導體材料的禁帶寬度決定的，不同材料的禁帶寬度不同，產(chǎn)生的光的波長(cháng)也不相同，從而，所呈現的顏色也不相同。因此可用不同材料做成不同顏色的LED，如紅色、綠色、藍色等。

　　白色光是一種復合光，一般由二波長(cháng)光或者三波長(cháng)光混合而成。目前，LED實(shí)現白光的方法主要有三種：一是通過(guò)紅、綠、藍三基色多芯片組合以合成白光；二是使用藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色特性還可加入適量紅、綠熒光粉；三是采用紫外光LED(UVLED)激發(fā)三基色熒光粉合成白光。

　　解決之道

　　目前的白光LED技術(shù)或多或少都存在著(zhù)一些發(fā)展瓶頸，即無(wú)論采用哪種白光實(shí)現方式，都存在著(zhù)由于芯片結構、驅動(dòng)電路、光學(xué)優(yōu)化、封裝工藝、半導體材料、熒光粉選擇等諸多技術(shù)問(wèn)題的限制，主要表現在亮度不足、均一性差、低演色性以及壽命不長(cháng)等方面。

　　技術(shù)上的瓶頸同時(shí)也正是商業(yè)上的機會(huì )。目前，國內外大量的研究機構都在積極開(kāi)展研究工作來(lái)解決這些問(wèn)題，很多新技術(shù)得以研究和發(fā)展。誰(shuí)能搶先一步呢？

　　倒裝芯片技術(shù)。在P電極上做上厚層的銀發(fā)射器，由于厚合金材料的P型電極具有良好的歐姆接觸特性和電流擴展性能，且熱導率更大，從而提高了芯片的發(fā)光效率和散熱能力，解決了傳統正裝結構LED的電流擴展性能、光學(xué)性能及散熱能力差的問(wèn)題。

　　加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)電子工程系集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室在這一技術(shù)的研究上都取得了一定的成果。

　　表面粗化技術(shù)。將滿(mǎn)足全反射的光改變方向，使其不會(huì )因全反射而透過(guò)界面，從而提高取光效率并降低成本，且并不影響光轉換特性。

　　德國Osram公司將磷化鋁銦鎵(AlInGaP)基芯片的窗口層表面做成具有斜面三角形的紋理結構，光子的反射路線(xiàn)被封閉在這一結構中。采用這一技術(shù)可獲得50%以上的外量子效率。

　　光子晶體結構。光子晶體具有周期性介質(zhì)結構，它具有光子禁帶和光子局域?？赏ㄟ^(guò)光子禁帶特性來(lái)提高發(fā)光效率。這是由于光子禁帶可以使一定頻率的輻射光被抑制，同時(shí)當器件發(fā)光頻率在光子禁帶時(shí)，可使更多的光模輻射到空氣中。

　　目前，光子晶體結構已成為提升白光LED性能主要的技術(shù)方向，現已研制成不同波長(cháng)的量子阱、量子點(diǎn)和陣列結構的白光LED。Osram公司所開(kāi)發(fā)的“ThinGaN”LED，通過(guò)在氮化銦鎵(InGaN)層上形成的金屬膜的鏡面作用，激發(fā)出更多的光輸出。

　　驅動(dòng)電路優(yōu)化。LED光源的特性也對驅動(dòng)電源提出了很高的要求，目前低功率的供電系統制約了LED的節能特性，高效率、低成本、小體積、強穩定是LED光源驅動(dòng)電路設計的主要方向。

　　中科院近代物理研究所針對高速大功率LED設計了一套驅動(dòng)電路方案，具有驅動(dòng)脈沖前后沿快及大電流輸出的特點(diǎn)。此外，對可調亮度和高演色性白光LED的控制電路和調光電路的設計也取得了很大的進(jìn)展。

　　半導體材料工藝。LED技術(shù)發(fā)展的主線(xiàn)是晶片半導體材料的更新和加工工藝的不斷改進(jìn)。與大規模集成電路的摩爾定律相似，LED的光通量遵循著(zhù)Haitz定律，即每18~24個(gè)月增加一倍。

　　封裝技術(shù)。封裝也是不可小覷的技術(shù)，若由于封裝設計或采用材料不良，就會(huì )直接影響其他技術(shù)的成效。

　　日本OMROM公司研發(fā)出一種新的封裝技術(shù)，將透鏡光學(xué)和反射光學(xué)結構進(jìn)行組合，采用“DoubleReflection”光學(xué)結構，使LED因廣角造成的光損失由此向外輸出，提高發(fā)光效率。

　　此外，還有其他一些技術(shù)如光學(xué)設計、芯片結構優(yōu)化、發(fā)光面積改善、熒光粉材料等方面都在得到積極的研究和發(fā)展。