1、白光LED的研究現(xiàn)狀與發(fā)展【摘要】：白光LED是一種新型的高效光源, 為照明產(chǎn)業(yè)開(kāi)辟了一項(xiàng)全新的技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)在白光LED已用于照明和顯示等多個(gè)領(lǐng)域。白光激光的研究目前處于萌芽階段，應(yīng)用較少。本文敘述了白光LED當(dāng)前的發(fā)展和應(yīng)用以及白光激光目前的研究狀況?！娟P(guān)鍵詞】：白光、LED、熒光粉1. 引言LED 產(chǎn)業(yè)自90 年代以來(lái)在全球范圍內(nèi)迅速崛起并高速發(fā)展。美國(guó)、日本、歐盟、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，紛紛把LED 作為“照亮未來(lái)的技術(shù)”，陸續(xù)啟動(dòng)固態(tài)照明計(jì)劃，欲占領(lǐng)這一戰(zhàn)略技術(shù)制高點(diǎn)。對(duì)全球LED 業(yè)者而言， 眼前最大的商機(jī)是各國(guó)節(jié)能政策下，禁用白熾燈的替換潮。從2009 年起，歐盟國(guó)家已開(kāi)始禁用白

2、熾燈。其它國(guó)家和地區(qū)也陸續(xù)在2010 年2012 年開(kāi)始禁用白熾燈。隨著人們應(yīng)對(duì)全球氣候變暖的意識(shí)不斷提升以及LED電燈價(jià)格的大幅下滑，LED 電燈已經(jīng)成為一個(gè)照明新寵，備受矚目。如果將白熾燈替換成LED 電燈，可以實(shí)現(xiàn)CO2 減排90 % ，這是最簡(jiǎn)單且有效的節(jié)能減排技術(shù)。2. 白光LED簡(jiǎn)介2.1 照明用LED技術(shù)參數(shù)描述照明用LED的主要技術(shù)參數(shù)包括:光通量、光強(qiáng)、亮度和發(fā)光效率等。這其中發(fā)光效是衡量LED性能優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的參數(shù)。所謂發(fā)光效率是指電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力，即以光源所發(fā)出的光通量除以光源所耗電量所得的比值，單位為流明每瓦(lm /W ) 。也就是每一瓦電力所發(fā)出的光

3、的量，其數(shù)值越高表示光源的效率越高。理論計(jì)算表明, 采用藍(lán)光L E D + Y A G 黃色熒光粉的方法, 獲得白光的最高光效為280lm / W 左右；紅綠藍(lán)三基色混色可以得到最高光效為355lm / W 左右的白光。圖2.1 2006年不同顏色高亮度LED的市場(chǎng)分布2.2白光LED的實(shí)現(xiàn)途徑實(shí)現(xiàn)白光LED的方法主要有3種。1.熒光粉涂敷光轉(zhuǎn)變法，即用LED芯片所發(fā)光激發(fā)熒光粉，芯片和熒光粉發(fā)出的光混合形成白光。2.多色LED組合法，即利用紅光、綠光、藍(lán)光LED制備LED白光組件。3.多量子阱法，即利用多個(gè)活性層使LED直接發(fā)白光。目前得到推廣應(yīng)用較多的方法有：（1）藍(lán)色LED 芯片和可被藍(lán)

4、光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉組合成白光LED。一部分藍(lán)光被熒光粉吸收，激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光，發(fā)射的黃光和剩余的藍(lán)光混合，調(diào)控它們的強(qiáng)度比，即可得到一定色溫的白光。目前，此方法是最成熟，也是最簡(jiǎn)單的。圖2.2 藍(lán)光LED和黃光熒光粉組合白光原理圖這種方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是顯色性不夠好，二是熒光粉對(duì)藍(lán)光的轉(zhuǎn)化效率比較低。因此，白光LED的效率指標(biāo)將同時(shí)受藍(lán)光LED和熒光粉兩者的影響。（2）用發(fā)紫外光的LED 芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉組合成白光LED。此外, 還可選用兩基色, 甚至四基色、五基色熒光粉。紫外光+熒光粉是實(shí)現(xiàn)高效白光LED的另一種有效途徑。由于紫外光范圍很寬，針對(duì)不

5、同的紫外光可能的高效熒光粉也會(huì)有所區(qū)別，在這個(gè)意義上，紫外光+熒光粉的發(fā)展空間會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于藍(lán)光+熒光粉這條路線，是突破技術(shù)壁壘的一個(gè)很好的方向。但是能否發(fā)展出高性能的白光LED需要解決的問(wèn)題也更多，首先就是選擇紫外波長(zhǎng)和發(fā)展相應(yīng)的熒光粉需要更大的投人，其次就是解決紫外LED的光效問(wèn)題，提高發(fā)光效率，提高發(fā)光功率，優(yōu)化熒光粉等等。（3）將紅、綠、藍(lán)三基LED 芯片組裝實(shí)現(xiàn)白光。無(wú)論是藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉，還是紫外LED激發(fā)三基色熒光粉，都是混合白光，不是物理意義上真正的連續(xù)光譜白光。根據(jù)顏色動(dòng)力學(xué)理論, 三基色產(chǎn)生的白光在顯色性上具有等價(jià)性，但不同波長(zhǎng)的顯色指數(shù)不同。理論上來(lái)講三基色的顯色指數(shù)

6、不可能達(dá)到100。三基色LED混合白光的優(yōu)點(diǎn)是：顏色可動(dòng)態(tài)調(diào)整，顯色性也可以做到較高水平，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單特別是目前紅光發(fā)展比較成熟，發(fā)光效率較高。其缺點(diǎn)是三支LED在空間上的光強(qiáng)分布不能完全匹配，產(chǎn)生空間顏色分布的不均，對(duì)光源的以勻光系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求較高。但是，由于LED器件光輸出會(huì)隨溫度的升高而下降，不同的LED下降程度差別很大，其結(jié)果是時(shí)常造成混合白光的色差，使得用三基色LED組裝實(shí)現(xiàn)白光的應(yīng)用受到了限制。除了以上三種常見(jiàn)的方法，還有其他方法也可以獲得白光LED，如表2.1所示。方法芯片數(shù)激發(fā)源發(fā)光材料發(fā)光原理熒光粉涂敷光轉(zhuǎn)變法1藍(lán)光LED紫外LED近紫外LEDGaInNP黃色熒光粉GaInNP

7、紅綠色熒光粉GaInNP三基色熒光粉GaInNP熒光粉GaInN芯片的藍(lán)光與熒光粉的黃光混合成白光GaInN芯片的藍(lán)光與其激發(fā)的紅綠色熒光粉的紅綠光混合成的白光GaInN芯片的紫外光激發(fā)紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)白光GaInN芯片的紫外光激發(fā)熒光粉直接發(fā)白光多色LED組合法23多個(gè)藍(lán)光LED黃綠光LED藍(lán)光LED綠光LED紅光LED多種顏色的單色光LEDGaInN、GaPGaInNGaAlInPGaInN、GaPGaAlInP將所發(fā)光具有補(bǔ)色關(guān)系的2種芯片封在一起，構(gòu)成白光LED將發(fā)三基色光的3種芯片封裝在一起，構(gòu)成白光LED將組合光遍布可見(jiàn)光區(qū)域的多種芯片封裝在一起，構(gòu)成白光LED多量子阱法1多量

8、子阱活化層GaInN2MQWGaAlInP2MQW利用多個(gè)活性層使LED直接發(fā)白光表2.1 白光LED的制備方法3. 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀3.1襯底及其外延生長(zhǎng)技術(shù)GaN基LED外延片和芯片技術(shù)，是白光LED的核心技術(shù)。用于GaN研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的目前只有兩種，即藍(lán)寶石(Al2O3) 和SiC襯底。其他襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。圖3.1 對(duì)5 種用于GaN 生長(zhǎng)的襯底材料性能的優(yōu)劣進(jìn)行了定性比較。圖3.1 用于GaN 生長(zhǎng)的襯底材料性能的優(yōu)劣比較3.2 芯片制備技術(shù)大功率LED 芯片制備技術(shù)主要目的是提高出光效率, 進(jìn)而提高外量子效率。近年來(lái)一些新的技術(shù)手段已被用來(lái)

9、提高外量子光效益, 下面簡(jiǎn)單介紹幾種。(1) 表面粗化技術(shù)：通過(guò)化學(xué)腐蝕等方法使外延表面形成某種光學(xué)微結(jié)構(gòu), 來(lái)減少全內(nèi)反射的光, 從而提高出光效率, 出光效率可提高65 % ,同時(shí)解決了漏電參數(shù)不穩(wěn)定, 重復(fù)性差的問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。(2) 倒裝芯片技術(shù)：將藍(lán)寶石一面作為出光面, 較好地解決了電極擋光和藍(lán)寶石不良散熱問(wèn)題, 提高了散熱效率, 根據(jù)Lumileds 公司的結(jié)果,出光效率約增加116 倍。早期倒裝在Si 襯底上,2007 年開(kāi)始已倒裝在陶瓷襯底上, 進(jìn)一步提高了出光效率。目前倒裝技術(shù)成為大功率LED 芯片技術(shù)的主流之一。(3) 氧化銦錫( ITO) 透明電極：傳統(tǒng)的NiAu合

10、金電極對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率僅為60 %70 % , 而ITO 的透過(guò)率可達(dá)90 %以上, 因此利用ITO 透明電極的高可見(jiàn)光透過(guò)率和低電阻是提高LED 出光效率的有效途徑之一。(4) 分布布拉格反射層(DBR)結(jié)構(gòu)：布拉格反射層是兩種折射率不同的材料周期交替生長(zhǎng)的層狀結(jié)構(gòu), 它在有源層和襯底之間, 能夠?qū)⑸湎蛞r底的光利用布拉格反射原理反射回上表面, 極大地減小了光從襯底出射, 從而增加光的外量子效率。此結(jié)構(gòu)可以直接利用MOCVD 設(shè)備進(jìn)行生長(zhǎng), 有很好的成本優(yōu)勢(shì), 目前已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)。(5) 光子晶體：通過(guò)晶格構(gòu)造的設(shè)計(jì)來(lái)人為控制光的傳播, 人工控制材料的折射率及其透射和反射特性, 提高LED

11、 的出光效率。在光子晶體的加工工藝上, 激光全息光刻和納米壓印技術(shù)適用于大面積制作, 且生產(chǎn)效率高、成本低、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。電子束光刻和干法刻蝕相對(duì)較成熟, 但有刻蝕速率、制作效率等方面的局限, 適于實(shí)驗(yàn)室研究。Lumileds 制作的光子晶體LED , 出光效率高達(dá)73 % , 最高亮度是一般LED的2倍。(6) 圖形化襯底PSS 技術(shù)：通過(guò)在藍(lán)寶石襯底表面制作細(xì)微結(jié)構(gòu)圖形, 能有效降低體內(nèi)的位錯(cuò)密度, 從而提高器件的內(nèi)量子效率; 而且圖形化襯底能使原本在臨界角范圍外的光線通過(guò)圖形的反射重新進(jìn)入到臨界角內(nèi)出射, 從而提高了出光效率。PSS 襯底技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、顯著改善器件性能, 成為現(xiàn)

12、階段大功率LED 器件的首選襯底技術(shù)。(7) 薄膜技術(shù)：薄膜技術(shù)可以將金屬層集成在LED 內(nèi)。這種“鏡子”能將芯片內(nèi)產(chǎn)生的光反射到LED 頂部, 并使光線從頂部射出, 避免了光線或能量的損失, 因而可大大提高LED 的出光效率。薄膜結(jié)構(gòu)芯片在發(fā)光效率、散熱性和可集成性等方面有著傳統(tǒng)芯片所不能比擬的優(yōu)越性。從功率LED芯片技術(shù)的發(fā)展來(lái)看, 薄膜結(jié)構(gòu)芯片將會(huì)是未來(lái)照明級(jí)LED 芯片技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。國(guó)際上主流的照明級(jí)LED 芯片及器件制造商有著各自獨(dú)特的外延和芯片技術(shù)路線。圖3.2 國(guó)際大廠照明級(jí)功率型LED 芯片技術(shù)特點(diǎn)3.3 封裝技術(shù)封裝技術(shù)對(duì)LED 性能起著至關(guān)重要的作用。LED 的封裝形

13、式主要有支架式LED、SMD 貼片式LED 及功率型LED 三大類(lèi)。支架式LED 的設(shè)計(jì)已相對(duì)成熟, 一般封裝小功率LED 器件。目前主要在衰減壽命、光學(xué)匹配、失效率等方面可進(jìn)一步提高。SMD 貼片式LED 具有體積小、發(fā)射角大、發(fā)光均勻性好、可靠性高等特點(diǎn)。常用于小功率和中功率LED 器件。尤其是頂部發(fā)光TOP 型SMD 最受關(guān)注。SMDTOP 型主要用于背光源和部分照明,市場(chǎng)需求量增長(zhǎng)很快。功率型LED 分為單顆1W和大功率LED 組件。大功率白光LED 封裝一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。目前功率LED 封裝結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：尺寸小型化、器件熱阻最小化、平面貼片化、耐受結(jié)溫最高化、單燈光通量

14、最大化。目標(biāo)是提高光通量、光效、減少光衰、失效率、提高一致性和可靠性。功率型LED 封裝技術(shù)主要應(yīng)滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)要求：一是封裝結(jié)構(gòu)要有高的取光效率；二是熱阻要盡可能低。4. 白光LED當(dāng)前水平與發(fā)展趨勢(shì)(1) 發(fā)光效率不斷提高從LED 技術(shù)發(fā)展來(lái)看, 歐美及日系廠商仍是重要競(jìng)爭(zhēng)者。就技術(shù)水平而論, 目前以美國(guó)Cree公司最為領(lǐng)先。2010 年Cree 公司的白光LED 的實(shí)驗(yàn)室光效已提高到208 lm/ W, 這是目前的最高水平。Cree 公司于2009 年第三季度開(kāi)始量產(chǎn)目前業(yè)界最高水平( 光通量達(dá)139 lm、發(fā)光效率為132 lm/ W) 的產(chǎn)品。預(yù)期一年內(nèi)將開(kāi)始量產(chǎn)161 lm/ W的高

15、效能LED。2010 年初Cree 推出突破性照明級(jí)LED , 亮度高達(dá)1500 lm , 光效75 lm/ W,采用了突破性的緊湊型12 mm 13 mm封裝設(shè)計(jì)，是業(yè)內(nèi)最小封裝。大小只有與其相當(dāng)?shù)腖ED 器件的28 %。這是已經(jīng)商業(yè)量產(chǎn)的產(chǎn)品。Cree 稱(chēng)2010年將繼續(xù)聚焦于照明和顯示屏兩大領(lǐng)域, 每周將供應(yīng)數(shù)百萬(wàn)顆100lm/ W以上的LED 器件。歐司朗、Lumileds、日亞公司的白光LED 光效都已經(jīng)突破140 lm/ W, 商業(yè)量產(chǎn)產(chǎn)品也都在100lm/ W以上。LED 的光效已是白熾燈的5 倍以上。(2) 成本不斷下降成本高是LED 推廣應(yīng)用的障礙。產(chǎn)生1000lm的光通量,

16、 白熾燈的成本小于1 美元, 熒光燈的成本小于2美元。而LED 光源產(chǎn)生1000 lm的光能量, 使用十顆大功率LED 的成本超過(guò)了20 美元。LED 的成本問(wèn)題是與LED 技術(shù)層面瓶頸的解決緊密相連的。2009 年7 月前, LED 電燈的市場(chǎng)價(jià)格每個(gè)不到1萬(wàn)日元(約748 元) 。但是隨著夏普推出了售價(jià)4000日元(約300 元) 的LED 電燈后, 東芝照明、歐司朗等大型照明廠商都隨之推出了4000日元價(jià)位的LED電燈。這一現(xiàn)象被稱(chēng)為夏普沖擊。2009年12 月日本Orion Electric 與Doshisha 共同開(kāi)發(fā)并上市的“Luminous”系列, 功耗為616 W、總光通量為4

17、20 lm、相當(dāng)于60 W白熾燈的產(chǎn)品售價(jià)2480日元；功耗為417 W、總光通量為310 lm、相當(dāng)于40 W白熾燈的產(chǎn)品售價(jià)僅1 980日元, 大幅實(shí)現(xiàn)了低價(jià)格化, 其技術(shù)關(guān)鍵是配備了大量的小型LED封裝。預(yù)計(jì)到2015 年白光LED 的成本將可與熒光燈相當(dāng)。白光LED發(fā)展迅速，高功效技術(shù)的研發(fā)水平加快，成本急劇下降。技術(shù)創(chuàng)新步伐明顯加快，推動(dòng)了LED照明實(shí)用化進(jìn)程。5.總結(jié)：本文對(duì)白光LED的原理及其技術(shù)發(fā)展情況作了詳細(xì)的介紹。同時(shí)也分析了白光LED的當(dāng)前水平和發(fā)展。近年來(lái)白光LED 技術(shù)和市場(chǎng)都呈加速發(fā)展之勢(shì), 隨著LED 光效的提高、成本的降低, 在不遠(yuǎn)的將來(lái), LED 必將取代傳統(tǒng)

18、的白熾燈、熒光燈和鹵素?zé)舫蔀檎彰鞯男滦凸庠? 并且隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大, LED 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也必將更加激烈。6.參考文獻(xiàn)：1.陳海明，國(guó)外白光LED 技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所, 2010年7月；2.王剛，白光LED在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用探討，浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2011年；3.王軍喜，新型高效光源白光LED，2011年；4.李盼來(lái), 王穎, 郭慶林，白光LED 用單基質(zhì)白色發(fā)光熒光粉的研究進(jìn)展，河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2011年5.萬(wàn)遠(yuǎn)濤，饒海波，高寒松，平面涂層的白光LED封裝技術(shù)，電子科技大學(xué)，2010年12月；6. 張其,張樂(lè),韓朋德,陳雁,楊浩,王麗熙,白光LED用光轉(zhuǎn)換無(wú)機(jī)熒光粉，化學(xué)進(jìn)展，2011年6月；7.范供齊，王海波等，白光LED用熒光粉最新研究進(jìn)展，化工新型材料，2010年9月；8.曾琦華，張信果，梁宏斌，龔孟濂，白光LED用熒光粉的研究進(jìn)展，中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2011