白色LED的開(kāi)發(fā)和應用

　　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)光機理、制造方法、結構和特性，還介紹了近年來(lái)開(kāi)發(fā)的許多實(shí)用的LED照明系統及發(fā)展動(dòng)向。隨著(zhù)白色LED的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善，白色LED將發(fā)展成為21世紀的高效節能光源。

　　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(lái)人類(lèi)一直在尋找和開(kāi)發(fā)固體發(fā)光光源，隨著(zhù)發(fā)光材料的開(kāi)發(fā)和半導體制作工藝的改進(jìn)，半導體照明用發(fā)光二極管效率不斷提高。發(fā)光二極管(LED)是在半導體p－N結處施以正向電流時(shí)發(fā)出可見(jiàn)光、紅外光、紫外光的半導體發(fā)光器件。目前實(shí)用化的化合物半導體發(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體外延成長(cháng)技術(shù)和發(fā)光器件制造工藝技術(shù)的急速發(fā)展，開(kāi)發(fā)了光電轉換效率非常高的發(fā)光二極管，發(fā)光范圍遍及紅色到藍色的可見(jiàn)光，甚至可發(fā)出紅外光和紫外光。特別是采用氮化物半導體InGaN的藍色LED的實(shí)用化，將10cd以上的高亮度的藍色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(kāi)發(fā)出光效達20lm/W以上的白色LED。這種光源將成為新世紀的節能照明光源，十分引人注目。不僅如此，對于發(fā)光在短波長(cháng)區域的紫外光LED，通過(guò)與熒光粉的適當配合，改進(jìn)器件的結構，也可開(kāi)發(fā)出用于照明的白色LED。

　　白色LED自開(kāi)發(fā)成功4年來(lái)，發(fā)光效率不斷地提高。從開(kāi)發(fā)初期的5lm/W，到1999年達到相當于白熾燈的光效15lm/W，后又提高到相當于鹵鎢燈的光效25lm/W。最近又有極導美國Agilient實(shí)驗室已研制開(kāi)發(fā)成功光效為100lm/W的有色LED和光效達40～50lm/W的白色LED。日本自從1998年以來(lái)正在實(shí)施“高效率電光轉換化合物半導體”開(kāi)發(fā)計劃，已投資50億日元，計劃至2005年使白色LED光效達到80～100lm/W。由于白色LED光效的迅速提高，加之它體積小、耐振動(dòng)、響應速度快、方向性好、壽命長(cháng)達數萬(wàn)小時(shí)、可低壓驅動(dòng)、光色接近白熾燈色、無(wú)汞和鉛的污染，將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節能光源。本文主要介紹白色LED高效率化的技術(shù)進(jìn)展、發(fā)光機理和特性，以及LED照明系統的實(shí)用化和及其節能效果。

　　2、白色LED的開(kāi)發(fā)及發(fā)光特性

　　1960年開(kāi)發(fā)成功發(fā)光二極管，在90年代采用氣相生長(cháng)法替代傳統而煩雜的液相法，制成多層薄膜的LED簡(jiǎn)易結構，先后研制成功從紅色到橙色的AlInGaP和藍色系列的InGaN發(fā)光材料，在GaN系列的基礎上又研制成功藍色(470nm)、藍綠色(550nm)和綠色(525nm)的LED。

　　作為照明用的LED重要的特性參數是光亮度(能量)和光色(光譜能量分布)。對于LED來(lái)說(shuō)單純地增加輸入功率，亮度會(huì )成比例地上升，但LED芯片的發(fā)勢量會(huì )隨之增加，過(guò)多的熱將損壞它的結晶和封接而縮短壽命。因此使輸入功率的電能高效地轉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％成為內部熱被耗損掉，因此將這部分內部耗損的熱能轉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)光層內部結合的幾率，提高從芯片中取出光的效率。所以將現在的LED的光亮度提高3～4倍，達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)現了從紫外，可見(jiàn)直到紅外幾乎所有的光色(表1)，但是它們都是在色度圖周?chē)仙兌雀叩墓庠瓷?，屬于色度圖的內側位置中間的LED沒(méi)有一例，而且單芯片自發(fā)出復數光色的多彩色的LED也無(wú)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，當有正向電流流經(jīng)半導體P－N結晶，在活性層注入的電子和空穴產(chǎn)生穴產(chǎn)生輻射再結合的過(guò)程而發(fā)光。通常在無(wú)關(guān)閉時(shí)為使電流變窄采用雙異質(zhì)(DH)接合的結構或量子阱(QW)的結構。

　　一般LED的發(fā)光效率是由下式3個(gè)獨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為內部量子效率

　　yext為光輸出到外部的效率

　　采用波長(cháng)為λ0紫外(UV)LED與3基色熒光粉相結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。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為多重量子阱結構。室溫下為峰值465nm的光是藍色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。當溫度上升時(shí)，465nm的發(fā)光峰值向長(cháng)波長(cháng)方向轉變，這里與InGaN半導體禁帶的溫度變化相同，而555nm的黃色光帶幾乎無(wú)變化。但發(fā)光強度在急劇減少，其原因是隨著(zhù)溫度的上升藍色LED的發(fā)藍色光的峰值向長(cháng)波長(cháng)方向轉變所致。因此，白色LED的發(fā)光特性與溫度有關(guān)，當超過(guò)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(kāi)始觀(guān)測白色光，當正向電流為1mA時(shí)發(fā)光效率約為45lm/W，當該電流分別為10、20mA時(shí)光效分別為27、23lm/W，詳細機理目前還不太清楚。平均顯色指數在3mA到100mA時(shí)幾乎都為常數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、結構和種類(lèi)

　　照明用白色LED的種類(lèi)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)包裝內得到混色后發(fā)出白光。單芯片型制造方式又分：(1)將藍色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的結構，是在藍色GaN芯片的表面涂復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芯片放置在導線(xiàn)結構中用金線(xiàn)焊接，然后在芯片周?chē)扛瞃AG熒光粉，最后用環(huán)氧樹(shù)脂封接，樹(shù)脂既起保護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?chē)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/熒光粉層">熒光粉層內，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為非常尖銳的藍色光譜，由藍光激勵YAG熒光粉發(fā)出峰值為黃色光555nm的平緩光譜線(xiàn)，黃、藍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(guò)改變樹(shù)脂棱鏡的曲率，棱鏡與芯片間的距離來(lái)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散光都易于進(jìn)行配光控制。

　　4、白色LED照明系統的開(kāi)發(fā)和應用

　　白色LED具有低電壓驅動(dòng)、體積小、重量輕、顯色性好、調光性能好、壽命長(cháng)(達2萬(wàn)小時(shí)以上)、耐振動(dòng)、不易損壞、色溫變化時(shí)不會(huì )產(chǎn)生視覺(jué)誤差。LED的光效仍在不斷地提高，目前已達25lm/W，不久將來(lái)將達到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，不宜單獨使用，為此必須將多個(gè)LED組裝在一起設計成為實(shí)用的LED照明系統，則具有廣闊的應用前景。目前世界大的照明公司都在開(kāi)發(fā)不同應用范圍和品種規格的LED照明系統。光學(xué)系統設計內容如下：(1)根據照明對象、光通量的需求，決定光學(xué)系統的形狀、LED的數目和功率的大??；(2)將若干個(gè)LED發(fā)光管組合設計成點(diǎn)光源、環(huán)形光源或面光源的“二次光源”，根據組合成的“二次光源”，計算照明光學(xué)系統；(3)構成照明光學(xué)系統設計的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要，構成炮彈型LED的透明樹(shù)脂的凸圓形保護頭子起凸透鏡作用，是決定單個(gè)LED發(fā)出聚光還是散光光束的重要部件。

　　現將幾種實(shí)用的白色LED照明系統介紹如下：

　　白色LED可以小至1mm裝配在包裝表面儀器上，采用5U直流的電源驅動(dòng)，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，適用于便攜式電話(huà)，數字攝像機、數字錄像機、汽車(chē)音響等液晶用背光/正光照明。圖5為使用白色LED作背光照明的結構，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(chǎng)合，2～6個(gè)白色LED可得到(在導光板上)300cd/m2的亮度。圖6分別為超小型聚光燈的光路和配光曲線(xiàn)，將51個(gè)白色LED布置在一個(gè)凹球面內，光束先會(huì )聚再發(fā)散投射到一個(gè)菲涅爾透鏡上，制成光束擴散角可變化的小型聚光燈，功率僅9W、采用ABS樹(shù)脂作燈體，燈體長(cháng)×高為58mm×58mm,直徑為50.8mm、重130g，適用于小面積上增強光照用，當移動(dòng)凹面時(shí)，系統的出射光會(huì )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照明系統的光路，該系統將LED增多布在一個(gè)凸半球上，用來(lái)模擬一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)光的情況，從LED發(fā)出的光線(xiàn)投射到拋物鏡經(jīng)反射后而得到平行光。圖8為圓形導光板周?chē)渲肔ED的平板器具。圖9為在普燈玻殼內配置LED制成的電球形LED燈。最近又研制成利用太陽(yáng)能的白色LED照明系統。

　　白色LED照明系統除可用電能、太陽(yáng)能作能源外還可以用風(fēng)能、燃料電池等作為輔助能源，起到節電節能的作用。白色LED小巧輕量、驅動(dòng)電壓低、有不同的光色、壽命長(cháng)、耐振動(dòng)、易于控光等特性，對設計用于不同場(chǎng)所和目的的照明系統提供了優(yōu)越條件。同一照明系統可選用不同光色的LED組合在一起，將驅動(dòng)線(xiàn)路與調光線(xiàn)路相結合，可實(shí)現可調光，調色的色可變照明系統，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的驅動(dòng)電源作用，使照明系統薄形化可嵌入在頂棚內，粘貼在墻壁上等處，形成無(wú)照明器具感的照明系統，具有良好的室內照明效果。長(cháng)壽命的LED可多次重新使用位置在新的照明系統中，使照明系統的更新簡(jiǎn)單、快速、方便。白色LED照明系統還可將驅動(dòng)點(diǎn)燈線(xiàn)路通過(guò)電腦與因特網(wǎng)相連，實(shí)現信息控制，如外出辦事或旅游，可通過(guò)手機發(fā)出指令對室內LED照明系統進(jìn)行監控和信息化管理。

　　5、白色LED的開(kāi)發(fā)動(dòng)向

　　白色LED作為第四代光源將在21世紀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(kāi)發(fā)實(shí)施國家的“21世紀照明計劃(高效電光變換的化合物半導體開(kāi)發(fā)設計)”；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80～100lm/W的開(kāi)發(fā)計劃。美國在2000年4月召開(kāi)了“LED發(fā)展戰略研討會(huì )”，目前美國實(shí)驗室有色LED的光效達100lm/W，白色LED的光效達40～50lm/W的水平。世界各大照明公司與半導體公司合資開(kāi)發(fā)白色LED，如美國GE與EMCORE合作成立GELcore公司，德國西門(mén)子與歐司朗兩公司成立合資公司等，并指出如果西方不開(kāi)發(fā)自己的白色LED的技術(shù)，遠東競爭者就會(huì )在LED領(lǐng)域占優(yōu)勢，沖擊傳統照明光源。而日本從2001年開(kāi)始實(shí)施使日本國成為固體照明先進(jìn)的計劃，并預計到2010年白色LED在照明市場(chǎng)普及率將達13％。

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

　　6、結束語(yǔ)

　　本文介紹了白色LED的發(fā)光機理、結構、制造方法和新的照明系統。由于白色LED的發(fā)光效率，顯色性能，安全性，穩定性，長(cháng)壽命等優(yōu)良特性奠定了作為第4代光源的基礎，隨著(zhù)LED的進(jìn)一步改進(jìn)和照明系統的完善，白色LED將會(huì )在21世紀發(fā)展成為替代白熾燈、熒光燈的主要光源。