白光led的研究進展

白光led的研究進展

led照明技術(shù)1907年，人們首次觀察到了發(fā)達(dá)國家發(fā)熱材料的現(xiàn)象，但世界上第一個開發(fā)的白色自主材料（light）的出現(xiàn)是在1965年。隨后不久Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用LED。這些早期的紅色LED的發(fā)光效率約為0.1lm/W,比普通白熾燈的發(fā)光效率(約15lm/W)還要低100多倍。1968年,LED的研究取得了突破性進展,利用氮摻雜工藝使GaAsPLED的發(fā)光效率達(dá)到了1lm/W,并且能夠發(fā)出紅、橙和黃色光。到1971年,業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色LED。1972年開始有少量LED用作鐘表和計算器的顯示屏。幾乎與此同時,惠普與德州儀器公司也推出了帶7段紅色LED顯示屏的計算器。隨著第二代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破和藍(lán)、綠發(fā)光二極管的問世,在與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)的照明領(lǐng)域,正在孕育著第二次產(chǎn)業(yè)革命——照明技術(shù)革命,其標(biāo)志是基于白光LED的半導(dǎo)體燈逐步取代白熾燈和熒光燈。半導(dǎo)體照明采用LED作為新型光源,同樣亮度下,耗電僅為普通白熾燈的1/10,而壽命卻可以延長100倍。由于半導(dǎo)體照明具有高效、節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長、響應(yīng)速度快、耐振動、易維護等顯著優(yōu)點,在國際上被公認(rèn)是為最有可能進入通用照明領(lǐng)域的新型固態(tài)冷光源。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為,如同晶體管替代電子管一樣,半導(dǎo)體燈取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈,也是大勢所趨。半導(dǎo)體LED照明光源具有廣闊的應(yīng)用前景,主要可用作城市改建、擴建工程等建設(shè)項目中所需的特種光源、宣傳櫥窗的裝飾照明燈、體育場館的過道引路燈、停車場道路指示燈、公共信息指示牌內(nèi)部照明燈、草坪燈、庭院燈、壁燈、埋地?zé)?、圍墻燈、建筑物?nèi)部緊急出口指示牌、用作高速公路及其它高級公路的交通信號燈、指示牌及護欄燈、立交橋、廣告牌等公共設(shè)施的照明燈、城市夜景裝飾燈和用于其它城市景觀照明燈具等等。1工作原則和白面包評價指標(biāo)1.1led色封裝材料LED是一種固體光源,它是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)制成的發(fā)光器件。在正向?qū)〞r,半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子和多數(shù)載流子復(fù)合,釋放出的能量以光子或部分以光子的形式發(fā)射出來。這種發(fā)光效應(yīng)也可稱為注入電致發(fā)光。由于不同半導(dǎo)體材料的帶隙能量不同,因此激發(fā)光的波長也不同。所以,采用不同的材料可制成不同顏色的發(fā)光二極管。目前實現(xiàn)照明用LED白光主要有如下三條途徑,且各有其優(yōu)缺點:(1)R.G.B三基色合成將紅、綠、藍(lán)三色LED功率型芯片集成封裝在單個器件之內(nèi),調(diào)節(jié)三基色的配比,理論上可以獲得各種顏色的光。通過調(diào)整三色LED芯片的工作電流可產(chǎn)生寬譜帶白光。此法由于沒有Stocks頻移造成的能量損失,在三種方法中效率最高,色度也很好(Ra>95),同時生產(chǎn)成本也最高。其缺點是,由于三種顏色的LED量子效率不同,而且隨著溫度和驅(qū)動電流的變化不一致,隨時間的衰減速度也各不相同,紅、綠、藍(lán)LED的衰減速率依次上升。因此,為了保持顏色的穩(wěn)定,需要對三種顏色分別加反饋電路進行補償,導(dǎo)致電路復(fù)雜,而且會造成10%~15%的效率損失。(2)UVLED+R.G.B熒光粉采用高亮度的近紫外LED(~400nm)泵浦R.G.B三色熒光粉,產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三基色。通過調(diào)整三色熒光粉的配比可以形成白光。相對于藍(lán)光LED+YAG熒光粉,采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光,因為顏色僅僅由熒光粉的配比決定;此外,還可以獲得很高的顯色指數(shù)(>90)。其缺點主要有:①高效的功率型紫外LED不容易制作;②由于Stocks變換過程中存在能量損失,用高能量的UV光子激發(fā)低能量的紅綠藍(lán)光子導(dǎo)致效率較低;③封裝材料在紫外光的照射下容易老化,壽命縮短;④存在紫外線泄漏的安全隱患。(3)藍(lán)光LED+YAG熒光粉以功率型GaN基藍(lán)光LED為泵浦源,激發(fā)黃色無機熒光粉或黃色有機熒光染料,由激發(fā)獲得的黃光與原有藍(lán)光混合產(chǎn)生視覺效果的白光。這種方法的優(yōu)點是:白光LED發(fā)光管結(jié)構(gòu)簡單,制作工藝相對容易,而且YAG熒光粉已經(jīng)在熒光燈領(lǐng)域應(yīng)用了許多年,工藝比較成熟。其缺點主要有:①藍(lán)光LED發(fā)光效率還不夠高;②短波長的藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生長波長的黃光,存在能量損耗;③熒光粉與封裝材料隨著時間老化,導(dǎo)致色溫漂移;④不容易實現(xiàn)低色溫(一般照明用的白光都略微偏暖色,色溫較低),顯色指數(shù)一般也不高(70~80);⑤功率型白光LED還存在空間色度均勻性等問題。1.2led光提取效率評價照明用功率型白光LED的性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)有光通量、色坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)和LED的相關(guān)效率。其中LED的相關(guān)效率包括:(1)功率效率ηwp。表示LED發(fā)光器件的輸出光功率與輸入電功率之比。(2)外量子效率ηout。表示LED發(fā)光器件的輸出光子與輸入電子數(shù)之比。(3)內(nèi)量子效率ηin。表示LED芯片產(chǎn)生的光子數(shù)與輸入電子數(shù)之比。(4)光提取效率ηextract。表示LED發(fā)光器件的輸出光子數(shù)與LED芯片產(chǎn)生的光子數(shù)之比。(5)發(fā)光效率(或稱流明效率)η。表示LED發(fā)光器件的輸出流明數(shù)與輸入電功率之比。白光LED的發(fā)光效率可表示為η=ηwp?ηo,ph?ηQD?ηph(T)?ηpkgη=ηwp?ηo,ph?ηQD?ηph(Τ)?ηpkg其中ηo,ph、ηQD、ηph(T)和ηpkg分別表示白光LED的光譜流明效率、熒光粉的量子缺陷、熒光粉的量子效率和封裝效率。熒光粉的量子效率與溫度有關(guān),隨著溫度升高,熒光粉的量子效率將降低。2功率型光柵led的制造階段目前,盡管LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于指示、LCD背光源、交通指示燈、建筑照明等領(lǐng)域,但用LED實現(xiàn)大規(guī)模的半導(dǎo)體照明還有很多問題有待解決。功率型白光LED的制作階段可分為芯片、封裝和系統(tǒng)三個部分。而功率型白光LED的獨特之處在于其效率、壽命和價格。表1分別從效率、壽命和價格方面提出了使功率型白光LED進入通用照明市場在芯片、封裝和系統(tǒng)階段所需解決的主要問題。就芯片與封裝來說,與小功率LED相比,照明用功率型LED主要存在散熱、發(fā)光效率、顯色性、空間色度均勻性、穩(wěn)定性等問題。此外,在將多個LED組裝在一起構(gòu)成實用的LED照明系統(tǒng)時,還存在LED的驅(qū)動問題。2.1芯片內(nèi)部溫度對于LED來講,單純地增加輸入功率,亮度會成比例地上升。但由于LED的效率遠(yuǎn)沒有達(dá)到100%,LED在工作過程中會產(chǎn)生熱量。目前,功率型白光LED只能將約10%的電能轉(zhuǎn)化為光能,而剩下80%的能量轉(zhuǎn)化成熱能。隨著LED功率的增大,產(chǎn)熱量增多,如果散熱問題解決不好,熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi),使得芯片內(nèi)部溫度越來越高。芯片溫度過高會帶來許多問題:(1)加速器件老化,縮短使用壽命,甚至還會導(dǎo)致芯片燒毀;(2)使藍(lán)光LED的波長發(fā)生紅移,并對白光LED的色度、色溫產(chǎn)生重要影響。如果波長偏移過多,偏離了熒光粉的吸收峰,將導(dǎo)致熒光粉量子效率降低,影響出光效率;(3)溫度對熒光粉的輻射特性也有很大影響。隨著溫度上升,熒光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發(fā)生變化。熒光粉輻射特性的改變,也會引起白光LED色溫、色度的變化。較高的溫度還會加速熒光粉的老化。2.2學(xué)生以熒光燈和熒光燈進入通用照明市場現(xiàn)在功率型白光LED的光效已提高到25~30lm/W,而真正能夠取代白熾燈和熒光燈進入通用照明市場,其光效需要達(dá)到150lm/W。這一方面要求在芯片的制作上不斷提高LED的量子效率,同時還要求在LED的封裝及燈具的設(shè)計制作過程中盡可能提高出光效率。2.3光柵led顯色指數(shù)通常照明光源在CIE1931中的色坐標(biāo)處于普朗克軌跡附近,因而可以用色溫或者相關(guān)色溫(CCT)來量化照明體的顏色。表2列舉了幾種不同照明方式的色溫和顯色指數(shù)。現(xiàn)在采用BlueLED+YAG:Ce熒光粉制作的白光LED顯色指數(shù)在75左右,色溫一般難以做到5000K以下。由于人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)習(xí)慣了低色溫(3000K左右)光源,色溫大于5000K的半導(dǎo)體光源可能難以被人接受。為了達(dá)到日常照明要求,還需降低白光LED的色溫。功率型白光LED普遍存在空間色度不均勻的問題,而人眼能分辨的空間色溫差異閾值是50~100K。現(xiàn)在白光LED的相關(guān)色溫匹配最好是±100K,還需向±50K努力。2.4led照明系統(tǒng)由于單只LED的功率較小,發(fā)光亮度較低,不宜單獨用于照明,為此必須將多個LED組裝在一起設(shè)計成為實用的LED照明系統(tǒng)。盡管20mA的小功率白光LED驅(qū)動芯片很多,驅(qū)動方案也基本成熟,但是由于功率型白光LED消耗的功率很大,其驅(qū)動方式有很大的不同。需要開發(fā)專用于LED照明系統(tǒng)的高效驅(qū)動模塊。2.5動態(tài)反饋電路在利用紅綠藍(lán)三基色芯片混色,通過調(diào)節(jié)三基色的配比來獲得白光的方法中,由于三種顏色LED的量子效率不一致,且隨著溫度、驅(qū)動電流變化各異,隨時間的衰減速度也不相同,為了保持顏色的穩(wěn)定,必須通過動態(tài)反饋電路來調(diào)整色度。2.6受激輻射特性白光LED的色度會隨驅(qū)動電流、溫度、時間的變化而發(fā)生改變。驅(qū)動電流會影響藍(lán)光波長和熒光粉的量子效率;溫度會影響藍(lán)光波長和熒光粉的受激輻射特性,而且,LED的光通量會隨著溫度的升高而下降,溫度每升高5℃,光通量降低3%;隨著時間推移,熒光粉加速老化。這些都會對白光LED的色溫、色度產(chǎn)生影響。3led封裝工藝改進針對照明用功率型白光LED存在的問題,今后應(yīng)在如下幾個主要方面展開研究:3.1芯片方面(1)基于功率型高效藍(lán)光和紫外LED芯片的半導(dǎo)體照明光源盡管采用藍(lán)光LED泵浦YAG:Ce黃色熒光粉實現(xiàn)白光的方式存在色度不穩(wěn)定性,即隨著注入電流增大,泵浦源藍(lán)光和黃色熒光兩個寬譜帶的峰值強度和半高寬發(fā)生相對變化,合成白光的色度學(xué)指標(biāo)發(fā)生漂移。但用這種方式實現(xiàn)白光照明生產(chǎn)成本相對較低,容易被市場所接受。用近紫外或紫外LED泵浦Y2O3:Ru(紅色)、SrGa2S4:Ru(綠色)和BaMgAl14O23:Ru(藍(lán)色)熒光粉獲得的功率型白光LED,隨著注入電流的增大(直至100~1000mA量級),三個熒光譜峰的相對強度和譜寬關(guān)系可基本維持不變,這種色溫穩(wěn)定性使其在許多高品質(zhì)需求的應(yīng)用場合(如節(jié)能臺燈)得到應(yīng)用。(2)芯片結(jié)構(gòu)的改進原有藍(lán)光LED芯片結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,芯片底層是sapphire襯底,上面覆蓋環(huán)氧樹脂透鏡。環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱散熱能力很差,芯片產(chǎn)生的熱量絕大部分要向下通過sapphire進行熱傳導(dǎo)。但是sapphire襯底的熱導(dǎo)率很低,不利于熱量擴散。因此這種正裝芯片不能滿足日益增長的功率要求。為了解決這個問題,人們正在研制倒裝焊(Flip-chip)結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。Flip-chip結(jié)構(gòu)將芯片通過焊料倒裝在硅襯底上,出射光線經(jīng)由透明的藍(lán)寶石射出,不經(jīng)過p電極,減少了被吸收量,而且沒有焊盤阻擋,出光效率得到了提高。此外,采用高反射率金屬制作進行金屬半導(dǎo)體接觸,將向下發(fā)射的光反射回去,進一步提高了出光效率。由于Flip-chip結(jié)構(gòu)有利于提高出光效率,因此能減少芯片的產(chǎn)熱量,提高芯片可承受的最大功率。3.2封裝方面(1)照明用功率型LED的封裝技術(shù)研究圖2(a)給出了傳統(tǒng)的5mm指示型LED的封裝結(jié)構(gòu)示意圖,芯片粘在金屬管腳上。由于指示型LED工作電流小,靠兩只金屬管腳散熱。但是當(dāng)工作電流超過50mA時,這種散熱方式會導(dǎo)致器件結(jié)溫度過高,影響器件的性能和壽命。為了提高散熱能力,封裝結(jié)構(gòu)曾經(jīng)出現(xiàn)過食人魚等結(jié)構(gòu)。1998年采用厚金屬熱沉取代管腳散熱,厚金屬表面積大,散熱能力強,并且增大了與下面電極接觸的面積,提高了熱傳導(dǎo)能力。對于當(dāng)前發(fā)展的功率型白光LED,典型的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)照明光源的要求,設(shè)計更合理的封裝結(jié)構(gòu),不僅可以解決散熱問題,提高LED的光提取效率和色度空間均勻性,而且可以提高LED的電光轉(zhuǎn)換效率,并延長其工作壽命。因此設(shè)計新的封裝結(jié)構(gòu)是改進封裝工藝的最關(guān)鍵技術(shù)。圖2(b)給出了倒裝焊功率型LED的封裝結(jié)構(gòu)示意圖,芯片產(chǎn)生的光透過透明的藍(lán)寶石而出射,芯片產(chǎn)生的熱量則通過硅襯底向下傳導(dǎo)至金屬熱沉上,再對流到周圍環(huán)境中。由于硅的熱導(dǎo)率是藍(lán)寶石的3倍,所以這種結(jié)構(gòu)能大大改善器件的散熱性能。(2)低色溫高顯色指數(shù)白光LED的研究采用紅綠藍(lán)三基色LED組合或紫外LED激發(fā)三基色熒光粉都可以獲得較高的顯色指數(shù),但目前這方面的技術(shù)還不成熟。在研究較多的藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光技術(shù)中,由于光譜中缺少紅色成分,致使器件色溫偏高,顯色指數(shù)偏低。為了解決這一問題,可以在YAG黃色熒光粉中摻入適量的紅色熒光粉,制成色溫接近日光燈的暖色白光LED。目前的工作在于開發(fā)適合藍(lán)光LED激發(fā)的高效紅色熒光粉。(3)照明用功率型LED的光提取技術(shù)和空間色度均勻性研究LED的光提取效率和色度均勻性是評價LED優(yōu)劣的重要指標(biāo)。為了提高LED的光提取效率,許多手段例如倒金字塔結(jié)構(gòu)、表面粗糙技術(shù)、光子再生、改變自發(fā)輻射、光子晶體LED等都在考慮范圍之內(nèi),但截至目前,還沒有一種能夠顯著提高光提取效率的技術(shù)。同時,功率型白光LED的色度在空間的不均勻性是一個普遍存在的問題,而人眼能分辨的空間色溫差異閾值是50~100K。因此提高空間色度均勻性也是白光LED的發(fā)展趨勢之一。(4)照明用功率型LED的散熱技術(shù)研究隨著LED功率的增大,產(chǎn)生的熱量增多,如果散熱問題解決不好,熱量會集中在尺寸很小的芯片內(nèi)。過高的熱量將影響LED發(fā)光器件的性能和工作壽命。改進LED的散熱技術(shù),也是實現(xiàn)LED照明的關(guān)鍵所在。3.3LED燈具方面(1)基于功率型白光LED的半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的開發(fā)根據(jù)照明對象和光通量的需求,設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的形狀、功率大小和LED的數(shù)目,進行二次光源配光,開發(fā)半導(dǎo)體照明燈具。由若干LED組合成的“二次光源”的配光分布及構(gòu)成LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)如何滿足照明光源要求是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,需要認(rèn)真考慮和解決。(2)功率型LED專用驅(qū)動模塊設(shè)計由于單只LED的功率較小,發(fā)光亮度較低,不能單獨用于照明,必須將多個LED組裝在一起才能構(gòu)成實用的照明系統(tǒng)。由于LED是電流驅(qū)動型器件,因此必須開發(fā)專用于LED照明系統(tǒng)的高效驅(qū)動模塊。要求驅(qū)動模塊具有接近恒流的正向電流輸出,而且要有高的轉(zhuǎn)換效率,以保證LED能夠安全可靠地工作。同時還要注意成本。(3)半導(dǎo)體照明燈具的散熱技術(shù)及其可靠性和色度均勻性研究對于半導(dǎo)體燈具來說,也存在一個散熱的問題。如果散熱問題解決不好必將影響燈具的發(fā)光效率和使用壽命,甚至存在安全隱患。只有很好地解決了燈具的散熱技術(shù),最終才能達(dá)到半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的實用化。影響燈具可靠性的因素主要是LED器件和電氣元件。到目前為止還沒有生產(chǎn)白光LED器件的廠商提供器件失效率方面的詳細(xì)資料或技術(shù)規(guī)范,也沒有照明光源用LED燈具的標(biāo)準(zhǔn)。與白熾燈和熒光燈不同,由于LED發(fā)光器件的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其存在白光光色的不均勻性。組合成照明燈具后,光色的均勻性也需要研究。(4)太陽能電池與LED照明系統(tǒng)的集成雖然我國經(jīng)濟在最近20多年有了較快的發(fā)展,但能源問題仍然是制約我國經(jīng)濟發(fā)展和導(dǎo)致環(huán)境惡化的重要因素之一。我國目前仍有大約6000萬人生活在無電地區(qū),急需生活用電。我國能源供應(yīng)中煤占一次能源總消耗的73%~75%,居于主導(dǎo)地位。眾所周知,煤的儲量畢竟有限,而且煤的直接燃燒給環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。從能源和環(huán)境雙重考慮,我國政府計劃并采取有效措施發(fā)展可再生能源技術(shù)。我國有豐富的太陽能資源,2/3以上國土面積的年總?cè)照樟砍^5GJ/m2,年平均日照超過2200h,有開發(fā)利用太陽能的有利條件。由于LED具有驅(qū)動電壓低的優(yōu)點,可以考慮用太陽能電池來驅(qū)動LED照明系統(tǒng)。尤其在當(dāng)今提倡清潔能源,崇尚環(huán)保意識的情況下,應(yīng)當(dāng)盡可能使用太陽能。為此可將太陽能電池盒、充電放電裝置、電流控制系統(tǒng)和白光LED集成到一起形成一個照明綜合系統(tǒng)。這對于解決我國無電地區(qū)的照明問題尤其具有深遠(yuǎn)意義。(5)降低半導(dǎo)體照明燈具的成本價格現(xiàn)在白光LED及其燈具的成本價格過高,必須大幅度降價,才能大舉進軍照明光源市場,才能與廉價的白熾燈、熒光燈競爭。從近年藍(lán)光和白光LED的發(fā)展速度來看,藍(lán)光芯片的價格逐年下降,預(yù)計2010年左右能夠達(dá)到預(yù)期的成本價格。4在國內(nèi)、國外的led器件和燈具設(shè)計方面的應(yīng)用針對當(dāng)前國內(nèi)外功率型白光LED存在的問題及研究熱