LED白光技術原理及發(fā)展趨勢

　　照明，從始至終與人類文明休戚相關。

　　1879年，愛迪生發(fā)明了白熾燈，把人類從火焰照明的時代帶到了電光源的時代。一個多世紀以來，電光源照明技術得到了跨越式的發(fā)展，先后經(jīng)歷了以白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)為代表的三個重要階段。如今，隨著新一代半導體材料的出現(xiàn)和發(fā)光二極管(LED)封裝技術的突破，以及LED功率等級的不斷提高，LED光源正在掀起電光源發(fā)展的第四場革命。

　　 LED光源從根本上改變了光源發(fā)光機理，在提升照明質量和效用的同時，還可以改善環(huán)境、節(jié)約能源，具有很高的經(jīng)濟效益。目前，白光LED光源正在各個領域慢慢吞噬傳統(tǒng)光源的市場。它的應用領域主要有：局部范圍低照度照明、液晶(LCD)顯示的背光源、交通照明、室內照明及特殊照明等。據(jù)東芝公司(Toshiba)預測，在特殊照明市場，2010年將有16%被LED取代，2012年將達到30%。

　　但從目前的情況來看，固體照明的主要應用還是在彩色LED照明領域。而作為LED業(yè)界的最終目標，大功率高亮度白光LED在如今的市場上并沒有達到通過機理分析所預期的卓越性能，且價格相對高昂。

　　技術原理

　　要了解白光LED的進步空間，讓我們首先補充一點LED的原理。

　　 LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導體制成，其核心是電致發(fā)光的P-N結。P-N結的一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”(載流子)，當在P-N兩端施加電壓的作用下，電子和“空穴”相互結合并以光子的形式釋放出能量，若光子的能量在可見光范圍內，從而輻射出光芒。LED的發(fā)光波長是由半導體材料的禁帶寬度決定的，不同材料的禁帶寬度不同，產生的光的波長也不相同，從而，所呈現(xiàn)的顏色也不相同。因此可用不同材料做成不同顏色的LED，如紅色、綠色、藍色等。

　　白色光是一種復合光，一般由二波長光或者三波長光混合而成。目前，LED實現(xiàn)白光的方法主要有三種：一是通過紅、綠、藍三基色多芯片組合以合成白光；二是使用藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色特性還可加入適量紅、綠熒光粉；三是采用紫外光LED(UVLED)激發(fā)三基色熒光粉合成白光。

　　解決之道

　　目前的白光LED技術或多或少都存在著一些發(fā)展瓶頸，即無論采用哪種白光實現(xiàn)方式，都存在著由于芯片結構、驅動電路、光學優(yōu)化、封裝工藝、半導體材料、熒光粉選擇等諸多技術問題的限制，主要表現(xiàn)在亮度不足、均一性差、低演色性以及壽命不長等方面。

　　技術上的瓶頸同時也正是商業(yè)上的機會。目前，國內外大量的研究機構都在積極開展研究工作來解決這些問題，很多新技術得以研究和發(fā)展。誰能搶先一步呢？

　　倒裝芯片技術。在P電極上做上厚層的銀發(fā)射器，由于厚合金材料的P型電極具有良好的歐姆接觸特性和電流擴展性能，且熱導率更大，從而提高了芯片的發(fā)光效率和散熱能力，解決了傳統(tǒng)正裝結構LED的電流擴展性能、光學性能及散熱能力差的問題。

　　加拿大英屬哥倫比亞大學和清華大學電子工程系集成光電子學國家重點實驗室在這一技術的研究上都取得了一定的成果。

　　表面粗化技術。將滿足全反射的光改變方向，使其不會因全反射而透過界面，從而提高取光效率并降低成本，且并不影響光轉換特性。

　　德國Osram公司將磷化鋁銦鎵(AlInGaP)基芯片的窗口層表面做成具有斜面三角形的紋理結構，光子的反射路線被封閉在這一結構中。采用這一技術可獲得50%以上的外量子效率。

　　光子晶體結構。光子晶體具有周期性介質結構，它具有光子禁帶和光子局域。可通過光子禁帶特性來提高發(fā)光效率。這是由于光子禁帶可以使一定頻率的輻射光被抑制，同時當器件發(fā)光頻率在光子禁帶時，可使更多的光模輻射到空氣中。

　　目前，光子晶體結構已成為提升白光LED性能主要的技術方向，現(xiàn)已研制成不同波長的量子阱、量子點和陣列結構的白光LED。Osram公司所開發(fā)的“ThinGaN”LED，通過在氮化銦鎵(InGaN)層上形成的金屬膜的鏡面作用，激發(fā)出更多的光輸出。

　　驅動電路優(yōu)化。LED光源的特性也對驅動電源提出了很高的要求，目前低功率的供電系統(tǒng)制約了LED的節(jié)能特性，高效率、低成本、小體積、強穩(wěn)定是LED光源驅動電路設計的主要方向。

　　中科院近代物理研究所針對高速大功率LED設計了一套驅動電路方案，具有驅動脈沖前后沿快及大電流輸出的特點。此外，對可調亮度和高演色性白光LED的控制電路和調光電路的設計也取得了很大的進展。

　　半導體材料工藝。LED技術發(fā)展的主線是晶片半導體材料的更新和加工工藝的不斷改進。與大規(guī)模集成電路的摩爾定律相似，LED的光通量遵循著Haitz定律，即每18~24個月增加一倍。

　　封裝技術。封裝也是不可小覷的技術，若由于封裝設計或采用材料不良，就會直接影響其他技術的成效。

　　日本OMROM公司研發(fā)出一種新的封裝技術，將透鏡光學和反射光學結構進行組合，采用“DoubleReflection”光學結構，使LED因廣角造成的光損失由此向外輸出，提高發(fā)光效率。

　　此外，還有其他一些技術如光學設計、芯片結構優(yōu)化、發(fā)光面積改善、熒光粉材料等方面都在得到積極的研究和發(fā)展。