白光LED的过去今天与未来

开展本课题的意义及工作内容：LED是一种符合绿色照明要求的光源，是一种效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品;但目前其功率不高学习发光二极管的发光原理分类及特点，联系LED光效的过去及现状，展望其未来白光LED的过去今天与未来摘要：本文主要对LED的发光原理、白光LED的制造方式以及高效率白光LED的开发和技术进展进行了介绍，并联系LED光效的过去及现状，展望其未来。目录一.引言………………………………………………………03二.发光二极管的简介及发展现状…………………………04三．半导体发光二极管的发光原理、分类及特点…………04四．白光LED的制作发法……………………………………06五．提高白光LED的技术探讨………………………………08六．白光LED的技术进展……………………………………10七．LED照明现状……………………………………………11八．LED需改善之处…………………………………………12九．白光LED照明前景………………………………………12十．结束语……………………………………………………15十一.致谢语…………………………………………………16十二.参考文献………………………………………………17引言近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术，半导体照明就是具备这种魅力的新技术。半导体照明以寿命长、节能、绿色环保等显著优点，目前已被广泛应用于工业设备、仪器仪表、交通信号灯、汽车、背光源以及各种照明等方面。上世纪90年代以来，随着氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，以及白色LED的研究成功，使实现半导体白光LED照明成为可能[1]。白光LED是LED用于照明的市场基础，白光LED的开发成功预示着人类照明光源一次新的变革。自1988年开发成功白光LED以来，发光效率已从当初的51m／W不断提高，1999年达151m／W，2000年达251m／W，2005年达70lm/W，预计2006年底将达到90lm/W，而有报道称在2007年将完成150lm/W产品的开发。比原来的预计无论从时间上还是光效上都大大的超前。由于白光LED光效的迅速提高，加之它体积小、耐振动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时，光色接近白炽灯的光色，可低压驱动，无汞和铅的污染，将发展成为可用来替代白炽灯、荧光灯的主要绿色光源。本文主要介绍了提高白光LED光效率取得的技术进展。1发光二极管的简介及发展现状半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型。发光二极管又叫光发射二极管(LightEmittingDiode，简称为LED)[2]，是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。世界上于1960年前后制成GaP发光二极管，于1970年后开始进入市场，当时的LED以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，LED光色种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。尤其是高光效、高亮度的白色LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。人们普遍认为，LED在不久的将来将部分代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的照明光源，那将是一场照明领域的革命。2半导体发光二极管的发光原理、分类及特点2.1发光原理用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由Ⅲ～Ⅳ簇化合物，如GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结，因此它具有一般PN结的I-U特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外存一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。其示意图1如图。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光[3]。图1半导体发光二极管发光原理图严格来说二极管发光有二种：第一种是注入的电子与价带空穴的复合是在P区中发生，则可直接复合产生发光；或者注入的电子先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光，这种情况下发出的光为可见光。第二种是注入的电子有一些被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，由于释放的能量不大，虽然能够发光，但所发出的光是不可见的，即不可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结数毫米以内产生。发光的波长取决于材料的价带宽度，所以选用不同价带宽度的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。发光二极管发光亮度可以通过工作电压(电流)的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系。2.2发光二极管的分类发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓(GaP)发光二极管、磷砷化镓(GaAsP)发光二极管、砷铝镓(GaAlAs)发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光、白光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率(HG400系列)、中功率(HG50系列)和大功率(HG52系列)发光二极管；另外还有多色、变色发光二极管等。2.3半导体发光二极管的特点LED是半导体器件通过PN结实现电光转换。它有如下的特点：1)安全、节能、不引起环境污染发光二极管的正向工作电压低(为1.5～3.0V)，工作电流小(为5～150mA)，由此工作安全性好。随着技术的进步，它将成为一种新型的照明光源。目前白光LED的光效已经达到70lm／W，优于白炽灯，即将超越荧光灯(60～100lm／w)，人们按现在LED技术发展的速度预测，2010年左右白光LED的光效将达到150～200lm/W，超过所有照明光源的光效。此外，现在使用的白炽灯工作的过程中，发出过多的热量，影响环境温度；而现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人身健康和环境造成危害[4]。而LED则没有这些问题。是一种无污染的光源。2)寿命长、响应快一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯寿命约1Wh，而LED的寿命可达到2～10Wh，可见其寿命长得多。LED发光的响应快，它的响应时间为纳秒级，荧光灯一般为毫秒级。3)体积小、结构牢固LED是用环氧树脂封装同态光源，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全同体结构，因此能经得起震动、冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，成本低。综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，改善提高人们工作、生活、学习的条件和质量，从而创造一个高效、安全、经济、健康有益的环境并充分体现现代要求的照明3白光LED的制作方法对于照明来说，人们更需要的是白色的光源，白光是多种颜色混合而成的光，目前实现白光LED的技术大抵可分为三种：一是用InGaN蓝色LED激发钇铝石(YAG)荧光粉或其它荧光粉；二是利用三基色(RGB，即红光、绿光、蓝光)原理将红、绿、蓝三种高亮度LED混合成白光；三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光[5]。三种技术均已实现产业化，其结构也从单芯片到多芯片不等(表1下页)。作为照明用的白光LED重要的特性参数是光亮度(能量)和光色(光谱能量分布)。对于LED来说，单纯地增加输入功率其亮度会成比例上升，但LED芯片的发热量会随之增加，过多的热将会损坏它的结晶和封装而缩短寿命。因此使输入的电能高效地转换成光能是重要的关键技术。目前高输出型LED的量子效率仅为10%左右，而空穴和电子对能量中的90%成为内部热被耗损掉，如将这部分内部耗损的热能转换成光能就可提高光亮度。改进的方法有研究新的LED发光材料、提高发光层内部的结合的机率、提高从芯片中取出光的效率等。所以将现有的LED的光亮度提高3～4倍，超过荧光灯的光亮度的水平是完全可能的。表1产生白光LED的几种主要方案芯片数激发源芯片材料和荧光粉发光原理缺点单芯片蓝色LEDInGaN／YAG荧光粉InGaN蓝光激发YAG黄色荧光粉混合成白光显色指数差；荧光粉的吸收率低，能量转化效率低蓝色LEDInGaN，YAG三基色荧光粉InGaN蓝光激发红绿蓝三基色荧光粉混合成白光荧光粉寿命低于LED能量转化效率低蓝色LEDZnSe由薄膜层发出的蓝光和基板上激发出的黄光混合成白光离产业化尚远近紫外LED紫外LEDInGaN三基色荧光粉InGaN近紫外、紫外光激发红绿蓝三基色荧光粉混合成白光荧光粉寿命低于LED能量转化效率低直接发白光InGaNAlInGaP隧道结再生结构和键合技术使单芯片发出蓝绿研发阶段红光混合成白光双芯片蓝色LED黄色LEDInGaNGa具有补色关系的两种芯片封装在一起构成白光显色性差蓝色LED黄绿色LEDInGaNGa黄绿LED黄色LEDInGaGaP三芯片红、绿、蓝三基色LEDAlInGaP、InGaN、InGaN三基色芯片封装在一起构成白光成本高，商业化进展缓慢四芯片黄色LED三基色LEDGaP、AlInGaPInGaN、InGaN将遍布可见光取得多种芯片封装在一起构成白光成本高，商业化进程缓慢4提高白光LED效率的技术探讨使白光LED在照明中普遍应用的关键问题是进一步提高白光LED的发光效率。4.1利用内部量子提高LED发光效率内部量子效率表示每秒从发光层发射出光子数(每秒)从外部注入的电子数，简单的说，就是发光二极管组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性如组件材料的能带、缺陷、杂质、组件的磊晶(Epitoxy)组成及结构等相关。目前在成熟的四元发光二极管中，其内部量子效率已达90%以上，但作为白光发光二极管主要激发源的蓝光发光二极管，受限于蓝宝石基板(Sapphire)晶格系数与磊晶层材料存有约16.3%晶格不匹配度，形成发光二极管组件后具有相对高的结晶缺陷，使其内部量子效率仅有50%左右。为了提高蓝光发光二极管内部量子效率，开发氮化镓(GaN)基板成为主要的技术课题之一，目前氮化镓基板的成长法，主要有高温高压溶液法与HVPE(HydrideVaporPhaseEpitaxy)法为主的气相法，不过前者只能获得数mm结晶的氮化镓基板，后者虽有住友(Sumitomo)及日立电线(HitachiCable)等公司成功开发并试产2英吋的基板，不过产品的单价与量产性都有待改进。未来若能在此领域获得重大的技术突破，利用氮化镓基板上生长氮化镓，由于基板与磊晶层材料完全相同，自然不会有晶格匹配与热膨胀系数不同的问题产生，所制成的蓝光发光二极管无论在输出功率、发光亮度、产品寿命等产品特性，将会有很大的改进，相对地将大幅增进白光发光二极管发光效率。4.2光取出提高LED发光效率所谓的取光效率是指发光二极管内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后实际上在组件外部可量测到的光子数目。白光发