固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

???? 正常情況下n型半導(dǎo)體中的自由電子(從施主能級(jí)躍遷到原本是空帶的導(dǎo)帶中形成的自由電子)無(wú)法越過(guò)阻擋層勢(shì)壘進(jìn)入p型半導(dǎo)體，但當(dāng)在p-n結(jié)二側(cè)施加電壓并 使n型半導(dǎo)體為正，p型半導(dǎo)體為負(fù)時(shí)，n型半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的自由電子將越過(guò)阻擋層進(jìn)入p型半導(dǎo)體并與其中的空穴復(fù)合(載流子復(fù)合)電子勢(shì)能立即降低，釋出的 全部勢(shì)能以光子的形式向外輻射(復(fù)合發(fā)光)，如果光子能量正好在可見(jiàn)光范圍則此種半導(dǎo)體器件就成了可見(jiàn)光LED。

構(gòu)成LED的半導(dǎo)體的阻擋層二側(cè)的勢(shì)能差V決定了發(fā)射光的頻率

或發(fā)射光的波長(zhǎng)為

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式中C為光速C=3×108cm/秒，h為布朗克常數(shù) h=6.624.10-27爾格/秒
e為電子電荷 e=4.88.10-10靜電單位，V為p-n結(jié)電勢(shì)差，單位為靜電伏特。

以上參數(shù)均采用c.g.s制單位，若將以上數(shù)據(jù)代入該方程式并轉(zhuǎn)換為實(shí)用單位則得λ=1.233/V μm

???? 式中V的單位為實(shí)用單位伏特

上述p-n型半導(dǎo)體中載流器復(fù)合產(chǎn)生的光通常均為單色光，例如當(dāng)阻擋層電勢(shì)差為2.63V時(shí)則產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為470nm的藍(lán)光(見(jiàn)Fig.2)，而在阻擋層電勢(shì)差為2V時(shí)則產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為617nm的紅光。

Fig.2

?????? 半導(dǎo)體發(fā)光二極管通常均為單色(彩色)發(fā)光器件，這種發(fā)光器件光效高，顏色單純，早以廣泛用于各類場(chǎng)合的顯示，如各類指示燈，交通信號(hào)燈，大屏幕彩色顯示屏，甚至大屏幕彩色電視等。

Ⅲ 白光LED

彩色LED雖已成功用于各種顯示和指示器件，然而對(duì)于照明則是無(wú)能為力的，因?yàn)檎彰鞴庠幢仨氂泻芎玫娘@色性，所以照明用LED必須發(fā)白光。

一種方案是發(fā)明一種多能級(jí)載流子復(fù)合的復(fù)合型雜質(zhì)半導(dǎo)體材料，使之直接產(chǎn)生多色光，從而發(fā)出白光，然而此種方案迄今未見(jiàn)有成功的報(bào)導(dǎo)。

另一種方案是將發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種光色的發(fā)光二極管的芯片做在同一個(gè)管芯中，使之混光成白色，但是這樣制成的白光發(fā)光二極管的光色較差，而且所發(fā)光束的某些部分仍然呈現(xiàn)原來(lái)色彩，因此這種方案已被放棄了。
目前采用的方案是在藍(lán)光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黃色熒光粉，從而得到白光LED，熒光粉的質(zhì)量、涂層厚度稍有影響均將嚴(yán)重影響其顯色指數(shù)、色溫、光效和光衰。

Fig.3 a、b、c、d顯示了發(fā)射峰為470nm的藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉后的發(fā)射光譜，涂敷熒光粉是吸收峰為450nm，發(fā)射峰為550nm的黃色 熒光粉，涂敷厚度不同時(shí)熒光粉層對(duì)藍(lán)光的吸收強(qiáng)度以及發(fā)射熒光的強(qiáng)度均不同，所呈現(xiàn)的光譜和光色也不相同，其情況示如下表：

Fig.3a

Fig.3b

Fig.3c

Fig.3d

　該試驗(yàn)中涂層厚度測(cè)量不準(zhǔn)確，所以未于標(biāo)出。輻射光通量測(cè)試方法亦不精確，所以只給出相對(duì)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明熒光粉涂層厚度、處理工藝對(duì)白光LED的發(fā)射光譜、光通量、色溫和顯色指數(shù)的影響巨大，所以制作工藝必須十分嚴(yán)格，否則其一致性必定降低。

白光LED問(wèn)世近10年來(lái)在工藝、材料等方面確實(shí)取得了很大進(jìn)展，其單粒功率、光效均已取得巨大突破，最突出代表之一是超薄型GaN LED。當(dāng)前白光LED取得的主要進(jìn)展為：

1、 改進(jìn)半導(dǎo)體材料純度和摻雜工藝，以提高載流子密度和內(nèi)量子效率。

2、 采用超薄結(jié)構(gòu)，其活性層僅為數(shù)納米，從而減少內(nèi)量子吸收，加大了量子輸出。

3、 在p-n結(jié)底部涂以高反射率膜層使內(nèi)向輻射的光量子反射以加大量子輸出。

4、 輸出窗內(nèi)表面粗糙化，從而減少向外輻射的光量子在輸出窗內(nèi)表面處反射折回到LED中的幾率。

5、 采用高熱導(dǎo)絕緣陶瓷作基底材料，和大輻射面散熱器以改善 p-n結(jié)散熱條件，降低結(jié)溫度。

6、 開(kāi)發(fā)近紫外LED及高效、耐高溫三基色全色熒光粉以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、光轉(zhuǎn)換效率、顯色性并延長(zhǎng)壽命。

7、 尋找耐高溫半導(dǎo)體材料、使LED大功率化。

在采取諸多有效措施后目前白光LED的實(shí)驗(yàn)室水平的光效已達(dá)130~150lm/w，單粒功率可達(dá)10W。

Ⅳ LED的發(fā)光效率、熱耗和改進(jìn)

白光LED的成就是杰出的，使之可能成為一種未來(lái)的高光效、長(zhǎng)壽命、低成本照明器件，并在照明領(lǐng)域占據(jù)重要地位，甚至可能成為最普及的通用光源，但是在目前還有諸多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，其最突出的一個(gè)基本問(wèn)題就是散熱。

LED是利用載流子復(fù)合發(fā)光的。在電子與空穴復(fù)合時(shí)其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為光量子，這些光量子直接向外輻射時(shí)可能成為輸 出光，而向內(nèi)或向四側(cè)輻射的部分則將被吸收轉(zhuǎn)化為熱能，即使向外輻射的光子也將有部分為輸出窗吸收或?yàn)槠鋬?nèi)表面反射后再吸收，最后成為內(nèi)部熱耗。所以 LED的光效不僅決定于其內(nèi)光子效率(即其輸入能量轉(zhuǎn)化為光子能量的效率)，而且與光子提取率即外光子效率直接相關(guān)。

白光LED 不僅存在如上所述的載流子復(fù)合的光量子效率和光量子提取率的問(wèn)題，而且有輸出光子與熒光粉作用轉(zhuǎn)換為新光子的內(nèi)、外量子效率問(wèn)題，如何選擇LED的發(fā)射波 長(zhǎng)，尋找最佳匹配的高效熒光粉以取得最大光量子轉(zhuǎn)換效率和光量子輸出率，從而保證高的發(fā)光效率也是白光LED的關(guān)鍵問(wèn)題，這一問(wèn)題仍有大量工作需要完成而 這也正減緩LED發(fā)熱問(wèn)題的關(guān)鍵。

如所周知傳統(tǒng)光源如白熾燈、放電燈均靠將發(fā)光體加熱到一定溫度后才能產(chǎn)生輻射，高溫是發(fā)光的前 提條件，例如白熾燈需將鎢絲加熱到2800℃或更高(鹵素?zé)?，這時(shí)鎢絲將輻射大量的紅外線、可見(jiàn)光和少許紫外光，加熱功率中輻射以外的能量余留在燈本身 使之保持高溫，這部分能量不足輸入功率的50%，而它正是保持發(fā)光體以適當(dāng)溫度，維持發(fā)光所必須。而熒光燈則以70%以上的輸入功率轉(zhuǎn)化為紫外光及可見(jiàn) 光，紫外光則經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，總輸功率的30%留在在燈中用于維持燈的最佳工作溫度和最高發(fā)光效率。

LED是在n型半導(dǎo)體 中的自由電子越過(guò)阻擋層進(jìn)入p型半導(dǎo)體，與并其中的空穴復(fù)合時(shí)全部勢(shì)能轉(zhuǎn)化為光能，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)光子，這是一種冷體發(fā)光，由于此種發(fā)光的總量子效 率<50%，輻射光能以外的全部能量包括電流通過(guò)n型和p型半導(dǎo)體以及阻擋層時(shí)的電阻熱以及電子自身的動(dòng)能等均耗散在半導(dǎo)體中并集中阻擋層附近使之 加熱，造成p-n結(jié)的溫升，而這種溫升使阻擋層電阻下降，勢(shì)壘下降，降低了載流子復(fù)合的內(nèi)、外量子效率和發(fā)光效率。p-n極的高溫同時(shí)還影響了熒光粉的發(fā) 光效率甚至造成永久性破壞產(chǎn)生光衰，并使原本應(yīng)當(dāng)很長(zhǎng)的LED壽命大幅下降。

全國(guó)十多處LED的光伏道路照明樣板工程中已經(jīng)百分 之百失敗了。道路表面照度在使用1000~2000小時(shí)或更短時(shí)間以后降低了一半，其原因就在于設(shè)計(jì)者按生產(chǎn)廠家給出的光效和工作點(diǎn)將LED用到了極限， 通常1W的LED，按廠方指標(biāo)光效均為70lm/w，然而在這樣的條件下1W的功率耗散在不足1mm2的芯片上，而又沒(méi)有有效方法將這部分能耗快速導(dǎo)走， 因而使其溫升高到150℃甚至更高，這就是使熒光粉被迅速破壞，光維持率迅速下降、壽命出乎意料的短的原因。為延長(zhǎng)白光LED的壽命必須：

1、 進(jìn)一步提高LED的總光子效率，這一效率的提高意味著更多能量轉(zhuǎn)換為光能輻射出去，耗散在p-n結(jié)的能量的減少工作溫度降低，這對(duì)p-n極自身的工作狀態(tài)和熒光粉工作條件和壽命的延長(zhǎng)都是至關(guān)重要的。

2、 進(jìn)一步改進(jìn)熒光粉，提高其量子效率和所能承受的工作溫度，亦即發(fā)明一種高效高工作溫度熒光粉，使能在更高的工作溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)而不被破壞。

3、 使用時(shí)降低白光LED的工作標(biāo)準(zhǔn)，不要把試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)室數(shù)據(jù)當(dāng)成產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，例如對(duì)廠家給的 號(hào)稱1W光效為70lm/W的白光LED最多只能工作在0.7W，光效約50lm/W，在這樣的條件下可以得到較為滿意的使用壽命，例如 8000~10000小時(shí)。至于號(hào)稱的50000、100000小時(shí)的壽命對(duì)白光LED而言仍然只是一種愿望。你們把單色LED的壽命強(qiáng)加給白光LED 了。在提到白光LED的壽命時(shí)請(qǐng)不要忘記熒光粉的壽命。對(duì)光源界同仁而言我們十分明確，光源的壽命并非以它是否仍在發(fā)光為標(biāo)準(zhǔn)的。我們的標(biāo)準(zhǔn)是以光維持率 為指標(biāo)的，當(dāng)發(fā)出的光通量為初始光通量或標(biāo)稱光通量的一半時(shí)其壽命已經(jīng)終了。另外光源工作者也從來(lái)不是把光源能達(dá)到的最高光效作為光效，而是以在合理壽命 條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光效為光效的。按本人經(jīng)驗(yàn)所謂1W，光效70lm/W的白光LED只能按0.6~0.7W，光效最多為50lm/W的光源使用，很多供 應(yīng)商們對(duì)此持不同意見(jiàn)，他們認(rèn)為本人所指的是國(guó)產(chǎn)品 “我們的(臺(tái)產(chǎn)、日本或美國(guó)產(chǎn)品)白光LED是非常好的”。對(duì)此本人不完全懷疑，但是在本人所看到的 已經(jīng)暗淡無(wú)光的白光LED照明工程中不貶非常昂貴的泊來(lái)品。

4、 改進(jìn)散熱條件，將LED芯片耗散的熱能更多更快地導(dǎo)走，以降低其工作溫度從而保持較高的光效和較長(zhǎng)的壽命，目前采用導(dǎo)熱陶瓷基片和鋁散熱片的方法降低p-n結(jié)溫度，對(duì)小功率白光LED是有效的，但對(duì)1W以上大功率器件尚難滿意。

5、 對(duì)大功率白光LED仍需做更多的試驗(yàn)和改進(jìn)，不要盲目推進(jìn)樣板工程，很多地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)在“參謀”們的哄騙下強(qiáng)行指令建造LED的道路照明樣板工程是不 科學(xué)的，這會(huì)適得其反的，這樣的教訓(xùn)已經(jīng)太多了，該思考一下了。很多國(guó)外的專家不無(wú)嘲諷地說(shuō)“在白光LED照明方面你們中國(guó)已走到世界的前列”，“我們認(rèn) 為白光LED在照明方面大規(guī)模的推廣至少還需8~10年，而你們中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始了”，老外們的這種估計(jì)可能保守一點(diǎn)，然而2010年全部取代緊湊型熒光燈的 估計(jì)似乎熱糊涂了。

Fig.5

?白光LED的應(yīng)用

白光LED是一種高光效、長(zhǎng)壽命光源，應(yīng)用前景極為看 好，大量用于常規(guī)照明，部分取代常規(guī)光源只是時(shí)間問(wèn)題。隨著時(shí)間推移和性能的改進(jìn)它所能取代的光源品種和數(shù)量將不斷擴(kuò)大，正如當(dāng)年半導(dǎo)體電子元器件之取代 真空電子器件半導(dǎo)體激光器之取代氣體激光器一樣。然而這是一個(gè)發(fā)展的自然過(guò)程，依條件成熟程度而漸變，絕非一個(gè)命令就能在一夜之間完成的。在目前狀態(tài)下 LED發(fā)展時(shí)日尚短，尚有諸多參數(shù)需要改進(jìn)，應(yīng)在其已經(jīng)成熟的領(lǐng)域逐步推廣。

1、 局部范圍低照度照明方面LED有其不可取代的優(yōu)勢(shì)，例如手電筒、臺(tái)燈照明，櫥窗、小商品照明。由于LED的光輻射集中在一定發(fā)射角中光分布集中，所以可取得高效、節(jié)能的效果。

2、 小尺寸液晶顯示屏的LED背光源，由于所采用的LED功率較小，數(shù)量不多，p-n結(jié)發(fā)熱不嚴(yán)重，所以可以取得非常好的效果。但是大面積顯示板則存 在較多問(wèn)題，例如大量密集的LED陣列的散熱問(wèn)題很難解決，而其成本問(wèn)題一時(shí)也難解決。p-n級(jí)高溫使用所帶來(lái)的壽命問(wèn)題也是必須考慮的。

3、 室內(nèi)照明如作為夜燈、床頭燈、臺(tái)燈或照度要求較低的走廊燈等，雖照度過(guò)低，但有其節(jié)能、長(zhǎng)壽命以及成本較低的優(yōu)勢(shì)。然而辦公室、會(huì)議室、教室、餐 廳等照度要求較高，照射距離又遠(yuǎn)的場(chǎng)所用LED作主要照明光源，目前不僅成本太高，效果也不理想，與傳統(tǒng)照明光源相比尚有明顯的差距。

4、 道路照明：目前常用光源為250W或400W高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，其光通量約為20000~40000lm，壽命6000~10000小時(shí)， 若以1W，70lm/w的白光LED取代，如達(dá)到相同照明效果則至少需要300粒LED，其售價(jià)約6000元，為常規(guī)光源的50倍以上，但如前所述此種 LED只能按0.7W，50lm/W計(jì)算，否則壽命將不符要求。因此即使按以上設(shè)計(jì)實(shí)際達(dá)到的光通量只有15000lm/W。除價(jià)格昂貴外，如此多的 LED的列陣組合，其難度及費(fèi)用亦十分昂貴，而其散熱問(wèn)題更成了一個(gè)令人撓頭的難點(diǎn)。

在采用LED作路燈照明時(shí)另一個(gè)需要考慮的 問(wèn)題是照度分布，所看到的所有以LED作光源的道路照明設(shè)計(jì)都是將LED安裝在一塊平板上再裝入燈具中。燈具的主要作用只是支托LED和擋風(fēng)遮雨，對(duì)光分 布不起任何作用，而路面的照度分布則完全由LED自身的光發(fā)射角確定，以至在路面形成了明顯的斑馬效應(yīng)，正對(duì)燈下方的地段較亮，而在二燈之間則形成明顯暗 區(qū)，因此采用LED作路燈照明時(shí)必須考慮二次光學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題，以求得較為均勻的路面照度。

我們實(shí)際考察了一條采用白光LED的光伏 路燈照明樣板工程，燈高9米，燈功率100W，正下方地面的平面照度為3.5 Lx，異常昏暗視野不清，且二燈之間3/5的路面更完全無(wú)光。據(jù)組織者介 紹，1個(gè)半月前工程剛完工時(shí)地面照度為7Lx。與之對(duì)應(yīng)的采用高壓鈉燈的另一光伏照明工程，燈功率105W，正下方照度為19Lx，燈距30米，二燈之間 的中點(diǎn)地面照度11Lx?？梢?jiàn)與常規(guī)光源相比在目前條件下采用白光LED作道路照明光源是很不適宜的，除時(shí)髦而外，無(wú)論從光效、壽命或是照明效果考慮看不 出任何優(yōu)勢(shì)。

5、 汽車前燈照明：LED是一種投射式光源，很容易聯(lián)想以大功率白光LED作為汽車前照光源。目前正在大力推廣并 將成為標(biāo)準(zhǔn)頭燈光源配置的是35W氙氣金鹵燈，其系統(tǒng)輸入功率為42W，輸出光通量為3200~3500lm。若改用LED作前照光源，即使以 70lm/W的光效計(jì)需要總功率為50W的白光LED，在目前情況下大功率白光LED產(chǎn)品的單粒輸入功率為1W，最大為3W。而10W/粒的LED必須由 實(shí)驗(yàn)室專門制作，即使采用10W/粒的LED也需4~5粒，即使不考慮其價(jià)格，如此大功率LED p-n結(jié)所耗散的熱能在30~35W以上，將如此大的熱 耗即時(shí)導(dǎo)走，以保持其p-n結(jié)溫度在合理范圍是一個(gè)難題，如果不能解決這個(gè)問(wèn)題，LED汽車頭燈只能是樣板車，很難實(shí)用推廣。將D1S型車用氙氣金鹵燈安 裝在燈具中，燈具環(huán)境溫度為25℃，平衡時(shí)實(shí)測(cè)的燈總輸入功率為35±0.3W，去除可見(jiàn)、紅外、紫外輻射，其余功率主要耗于電弧管加熱。即使如此，其燈 頭表面溫度為185℃。在這樣的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中燈頭溫度已如此之高，在汽車行駛時(shí)燈箱體中的溫度在85℃左右，燈頭溫度更將上升，在這樣的條件下若采用LED 作燈頭，燈頭溫度必定遠(yuǎn)超200℃。LED自身溫度必定更高，如此高的p-n結(jié)溫度不僅LED自身難以承受，而將LED發(fā)射的藍(lán)光或近紫外光轉(zhuǎn)換為白光的 熒光粉更難以長(zhǎng)期承受這樣的高溫，由此造成的LED的光衰和壽命是難以接受的。在如此高的環(huán)境溫度中采用氣流冷卻LED是毫無(wú)效果的。為使LED能真正成 為汽車頭燈并得到用戶認(rèn)可必須做到其使用壽命不低于3000小時(shí)，而各項(xiàng)性能參數(shù)必須滿足使用要求，為此在目前條件下可以采取以下措施：

a、 采用致冷裝置使LED的p-n結(jié)強(qiáng)迫冷卻。單純加大散熱器和強(qiáng)制氣流冷卻是不可能使LED有效降溫的，因?yàn)橹車h(huán)境溫度太高了。但這樣的措施將使燈的系統(tǒng)光效大幅度下降。

b、 改變動(dòng)力裝置，采用電力驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作溫度比燃?xì)鈾C(jī)低得多，在較低的環(huán)境溫度下可以通過(guò)加大散熱裝置，采用強(qiáng)氣流冷卻、降低LED溫度以保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作條件。

c、 改變汽車結(jié)構(gòu)將動(dòng)力裝置從車頭移到車尾，以降低LED頭燈附近的環(huán)境溫度，從而可以采用常規(guī)氣流冷卻方法，使LED的工作溫度降低。

d、 發(fā)明新的能在高溫下正常工作的LED芯片材料和結(jié)構(gòu)，以及相匹配的能在高溫下正常運(yùn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)換效率熒光粉。

Ⅵ　結(jié)論

白光LED將會(huì)成為新一代的高效節(jié)能光源，并大量取代常規(guī)照明光源中的某些品種或某些領(lǐng)域中的應(yīng)用。但它將在很長(zhǎng)一段時(shí)間中與現(xiàn)在的大部分照明光源共 存，那時(shí)白熾燈、鹵素?zé)粼谄胀ㄕ彰黝I(lǐng)域?qū)⒋蠓鶞p少。在可見(jiàn)將來(lái)白光LED將會(huì)在小功率照明領(lǐng)域與緊湊型熒光燈并存，視發(fā)展情況而彼此消長(zhǎng)。但是最近 5~10年以內(nèi)，白光LED必須大幅度提高其產(chǎn)品的性能，提高單粒功率和光效。特別是如何設(shè)計(jì)出有效散熱措施以降低p-n結(jié)溫度，延緩熒光粉的老化和光 衰，當(dāng)然更高效能承受更高溫度的熒光粉的研發(fā)也應(yīng)當(dāng)是努力的一個(gè)重要方面。

我們期待白光LED在結(jié)構(gòu)、技術(shù)，工藝和材料方面能有 新突破。目前的對(duì)LED進(jìn)行改良的常規(guī)傳統(tǒng)途徑可能需要很長(zhǎng)時(shí)間才能使白光LED達(dá)到大面積推廣并用于普通照明的性能指標(biāo)。當(dāng)然即使在白光LED大面積使 用于常規(guī)照明之后仍將是多種光源共存的時(shí)代。白光LED是不可能取代所有光源的，特別是一些大功率高性能和特殊用途的光源。