白色LED的開發(fā)和應(yīng)用

1、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(lái)開發(fā)的許多實(shí)用的LED照明系統(tǒng)及發(fā)展動(dòng)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(lái)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(jiàn)光、紅外光、紫外光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。目

2、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(zhǎng)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(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(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(duì)于發(fā)光在 短波長(zhǎng)區(qū)域的紫外光LED，通過(guò)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

3、照明的白色LED。白色LED自開發(fā)成功4年來(lái)，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(guó)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) 4050lm/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(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(dòng)、響應(yīng)速度快、方向 性好、壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)、可低壓驅(qū)動(dòng)、光色接近白熾燈色、無(wú)汞和鉛的污染，將

4、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(zhǎng)法替代傳統(tǒng)而煩雜的液相法， 制成多層薄膜的LED簡(jiǎn)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(duì) 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

5、的發(fā)勢(shì)量會(huì)隨之增 加，過(guò)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(duì) 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34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1020 % 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(jiàn)直到紅

6、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(méi)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(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(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(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(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=yvyi”yext（1）這里：ywp

7、為輸出對(duì)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(zhǎng)為入0紫外（UV）LED與3基色熒光粉相結(jié)合得出激勵(lì)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（入）為 熒光粉的發(fā)光光譜；K（入）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(jí)）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

8、；YAG : Ce3 +的發(fā)出激勵(lì)帶 是在460nm位置。當(dāng)溫度上升時(shí)，465nm的發(fā)光峰值向長(zhǎng)波長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)波長(zhǎng)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(guò)50C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9x10 2mA開始觀測(cè)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

9、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(lì)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，G

10、al 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(lì)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(guò)改變樹脂棱鏡的曲率，棱鏡與芯片間的距離來(lái)得

11、到各式各樣的配光特性。對(duì)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(dòng)、體積小、重量輕、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長(zhǎng)（達(dá)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(dá)25lm/W，不久將來(lái)將達(dá)到80100lm/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(duì)象

12、、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?。唬?）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?，F(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(dòng)，線路簡(jiǎn)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

13、背光照明的結(jié)構(gòu)，使用于具有特殊效果的0口52.5英寸小型TFT彩 色液晶的場(chǎng)合，26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(huì) 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(zhǎng)x高為58mmx58mm,直徑為50.8mm、重130g，適 用于小面積上增強(qiáng)光照用，當(dāng)移動(dòng)凹面時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)的光路，該系統(tǒng)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LE

14、D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(yáng)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(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(jié)電節(jié)能的作用。白色LED小巧輕量、驅(qū)動(dòng)電壓低、有不同的光色、壽命長(zhǎng)、耐振動(dòng)、 易于控光等特性，對(duì)設(shè)計(jì)用于不同場(chǎng)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(dòng)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(tái)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，

15、燈具既起支撐LED的作用又起供給LED的驅(qū)動(dòng)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(wú)照明器具感的照明系統(tǒng)，具有良好的室內(nèi)照明效果。長(zhǎng)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(jiǎn)單、快速、方便。 白色LED照明系統(tǒng)還可將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)燈線路通過(guò)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(guò)手機(jī)發(fā)出指令對(duì)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(dòng)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(guó)的重 視。1998年日本開發(fā)實(shí)施國(guó)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

16、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)80100lm/W的開發(fā)計(jì)劃。美國(guó)在2000年4月召開了 “LED發(fā)展 戰(zhàn)略研討會(huì)”，目前美國(guó)實(shí)驗(yàn)室有色LED的光效達(dá)100lm/W，白色LED的光效達(dá) 4050lm/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(guó)GE 與EMCORE合作成立GELcore公司，德國(guó)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(jìng)爭(zhēng)者就會(huì)在LED領(lǐng)域占優(yōu)勢(shì)，沖擊傳 統(tǒng)照明光源。而日本從2001年開始實(shí)施使日本國(guó)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(chǎng)

17、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(zhǎng)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 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(dòng)，線路簡(jiǎn)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口52.5英寸小型TFT彩色液晶的場(chǎng)合，26個(gè)白色LED 可

18、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(huì)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(zhǎng)x高為 58mmx58mm,直徑為50.8mm、重130g，適用于小面積上增強(qiáng)光照用，當(dāng)移動(dòng)凹面時(shí)， 系統(tǒng)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(tǒng) 的光路，該系統(tǒng)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

19、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(yáng)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(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(jié)電節(jié)能的作用。白色LED小巧輕量、驅(qū)動(dòng)電壓低、有不同的光色、壽命長(zhǎng)、耐振動(dòng)、 易于控光等特性，對(duì)設(shè)計(jì)用于不同場(chǎng)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(dòng)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(tái)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(dòng)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(wú)照明器具感的照明系統(tǒng)，具有良好的室內(nèi)照明效果。長(zhǎng)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(jiǎn)單、快速、方便。 白色LED照明系統(tǒng)還可將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)燈線路通過(guò)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(guò)手機(jī)發(fā)出指令對(duì)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(dòng)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(guó)的重 視。1998年日本開發(fā)實(shí)施國(guó)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