固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應用

Fig.2

半導體發(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合的顯示，如各類指示燈，交通信號燈，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，然而對于照明則是無能為力的，因為照明光源必須有很好的顯色性，所以照明用LED必須發(fā)白光。

一種方案是發(fā)明一種多能級載流子復合的復合型雜質(zhì)半導體材料，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有成功的報導。

另一種方案是將發(fā)射紅、綠、藍三種光色的發(fā)光二極管的芯片做在同一個管芯中，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)原來色彩，因此這種方案已被放棄了。
目前采用的方案是在藍光或近紫外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，涂敷厚度不同時熒光粉層對藍光的吸收強度以及發(fā)射熒光的強度均不同，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

　該試驗中涂層厚度測量不準確，所以未于標出。輻射光通量測試方法亦不精確，所以只給出相對數(shù)據(jù)。實驗表明熒光粉涂層厚度、處理工藝對白光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格，否則其一致性必定降低。

白光LED問世近10年來在工藝、材料等方面確實取得了很大進展，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。當前白光LED取得的主要進展為：

1、 改進半導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轉(zhuǎn)溫度、光轉(zhuǎn)換效率、顯色性并延長壽命。

7、 尋找耐高溫半導體材料、使LED大功率化。

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

Ⅳ LED的發(fā)光效率、熱耗和改進

白光LED的成就是杰出的，使之可能成為一種未來的高光效、長壽命、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)鍵問題需要解決，其最突出的一個基本問題就是散熱。

LED是利用載流子復合發(fā)光的。在電子與空穴復合時其勢能轉(zhuǎn)化為光量子，這些光量子直接向外輻射時可能成為輸 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為其內(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合的光量子效率和光量子提取率的問題，而且有輸出光子與熒光粉作用轉(zhuǎn)換為新光子的內(nèi)、外量子效率問題，如何選擇LED的發(fā)射波 長，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)鍵問題，這一問題仍有大量工作需要完成而 這也正減緩LED發(fā)熱問題的關(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(鹵素燈)