白光LED的研究现状与发展
【摘要】：白光LED是一种新型的高效光源, 为照明产业开辟了一项全新的技术领域。现在白光LED已用于照明和显示等多个领域。白光激光的研究目前处于萌芽阶段，应用较少。本文叙述了白光LED当前的发展和应用以及白光激光目前的研究状况。
【关键词】：白光、LED、荧光粉
1. 引言
LED 产业自90 年代以来在全球范围内迅速崛起并高速发展。美国、日本、欧盟、韩国、中国等国家和地区，纷纷把LED 作为“照亮未来的技术”，陆续启动固态照明计划，欲占领这一战略技术制高点。对全球LED 业者而言， 眼前最大的商机是各国节能政策下，禁用白炽灯的替换潮。从2009 年起，欧盟国家已开始禁用白炽灯。其它国家和地区也陆续在2010 年～2012 年开始禁用白炽灯。随着人们应对全球气候变暖的意识不断提升以及LED电灯价格的大幅下滑，LED 电灯已经成为一个照明新宠，备受瞩目。如果将白炽灯替换成LED 电灯，可以实现CO2 减排90 % ，这是最简单且有效的节能减排技术。
2. 白光LED简介
2.1 照明用LED技术参数
描述照明用LED的主要技术参数包括:光通量、光强、亮度和发光效率等。这其中发光效是衡量LED性能优劣的一个非常重要的参数。所谓发光效率是指电光源将电能转化为光的能力，即以光源所发出的光通量除以光源所耗电量所得的比值，单位为流明每瓦(lm /W ) 。也就是每一瓦电力所发出的光的量，其数值越高表示光源的效率越高。理论计算表明, 采用蓝光L E D + Y A G 黄色荧光粉的方法, 获得白光的最高光效为280lm / W 左右；红绿蓝三基色混色可以得到最高光效为355lm / W 左右的白光。
图2.1 2006年不同颜色高亮度LED的市场分布
2.2白光LED的实现途径
实现白光LED的方法主要有3种。1.荧光粉涂敷光转变法，即用LED芯片所发光激发荧光粉，芯片和荧光粉发出的光混合形成白光。2.多色LED组合法，即利用红光、绿光、蓝光LED制备LED白光组件。3.多量子阱法，即利用多个活性层使LED直接发白光。
目前得到推广应用较多的方法有：
（1）蓝色LED 芯片和可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉组合成白光LED。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光，发射的黄光和剩余的蓝光混合，调控它们的强度比，即可得到一定色温的白光。目前，此方法是最成熟，也是最简单的。
图2.2 蓝光LED和黄光荧光粉组合白光原理图
这种方法有两个缺点：一是显色性不够好，二是荧光粉对蓝光的转化效率比
较低。因此，白光LED的效率指标将同时受蓝光LED和荧光粉两者的影响。 （2）用发紫外光的LED 芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色荧光粉组合成白光LED。此外, 还可选用两基色, 甚至四基色、五基色荧光粉。紫外光+荧光粉是实现高效白光LED的另一种有效途径。由于紫外光范围很宽，针对不同的紫外光可能的高效荧光粉也会有所区别，在这个意义上，紫外光+荧光粉的发展空间会远远强于蓝光+荧光粉这条路线，是突破技术壁垒的一个很好的方向。但是能否发展出高性能的白光LED需要解决的问题也更多，首先就是选择紫外波长和发展相应的荧光粉需要更大的投人，其次就是解决紫外LED的光效问题，提高发光效率，提高发光功率，优化荧光粉等等。
（3）将红、绿、蓝三基LED 芯片组装实现白光。无论是蓝光LED激发黄色荧光粉，还是紫外LED激发三基色荧光粉，都是混合白光，不是物理意义上真正的连续光谱白光。根据颜色动力学理论, 三基色产生的白光在显色性上具有等价性，但不同波长的显色指数不同。理论上来讲三基色的显色指数不可能达到100。三基色LED混合白光的优点是：颜色可动态调整，显色性也可以做到较高水平，并且结构简单",特别是目前红光发展比较成熟，发光效率较高。其缺点是三支LED在空间上的光强分布不能完全匹配，产生空间颜色分布的不均，对光源的以匀光系统设计要求较高。但是，由于LED器件光输出会随温度的升高而下降，不同的LED下降程度差别很大，其结果是时常造成混合白光的色差，使得用三基色LED组装实现白光的应用受到了限制。
除了以上三种常见的方法，还有其他方法也可以获得白光LED，如表2.1所示。 方法 芯片激发源 数 荧光粉涂敷光1 转变法 蓝光LED GaInNP黄色荧光GaInN芯片的蓝光与粉 荧光粉的黄光混合成白光 GaInN芯片的蓝光与发光材料 发光原理 GaInNP红绿色荧其激发的红绿色荧光粉 光粉的红绿光混合 紫外LED 成的白光 GaInN芯片的紫外光GaInNP三基色荧激发红绿蓝三基色光粉 荧光粉发白光 GaInN芯片的紫外光激发荧光粉直接发白光 近紫外LED GaInNP荧光粉 多色LED组合2 法 3 多个 蓝光LED GaInN、GaP 将所发光具有补色关系的2种芯片封在一起，构成白光LED 将发三基色光的3种芯片封装在一起，构成白光LED 将组合光遍布可见光区域的多种芯片封装在一起，构成白光LED 黄绿光LED 蓝光LED 绿光LED 红光LED GaInN GaAlInP 多种颜色的GaInN、GaP 单色光LED GaAlInP 多量子阱法 1 多量子阱活GaInN2MQW 化层 GaAlInP2MQW 利用多个活性层使LED直接发白光 表2.1 白光LED的制备方法
3. 技术发展现状
3.1衬底及其外延生长技术
GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术。用于GaN研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的目前只有两种，即蓝宝石(Al2O3) 和SiC衬底。其他衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。图3.1 对5 种用于GaN 生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。
图3.1 用于GaN 生长的衬底材料性能的优劣比较
3.2 芯片制备技术
大功率LED 芯片制备技术主要目的是提高出光效率, 进而提高外量子效率。近年来一些新的技术手段已被用来提高外量子光效益, 下面简单介绍几种。 (1) 表面粗化技术：通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构, 来减少全内反射的光, 从而提高出光效率, 出光效率可提高65 % ,同时解决了漏电参数不稳定, 重复性差的问题, 实现了批量生产。
(2) 倒装芯片技术：将蓝宝石一面作为出光面, 较好地解决了电极挡光和蓝宝石不良散热问题, 提高了散热效率, 根据Lumileds 公司的结果,出光效率约增加116 倍。早期倒装在Si 衬底上,2007 年开始已倒装在陶瓷衬底上, 进一步提高了出光效率。目前倒装技术成为大功率LED 芯片技术的主流之一。
(3) 氧化铟锡( ITO) 透明电极：传统的NiAu合金电极对可见光的透过率仅为60 %～70 % , 而ITO 的透过率可达90 %以上, 因此利用ITO 透明电极的高可见光透过率和低电阻是提高LED 出光效率的有效途径之一。
(4) 分布布拉格反射层(DBR)结构：布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构, 它在有源层和衬底之间, 能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面, 极大地减小了光从衬底出射, 从而增加光的外量子效率。此结构可以直接利用MOCVD 设备进行生长, 有很好的成本优势, 目前已经应用于商业生产。
(5) 光子晶体：通过晶格构造的设计来人为控制光的传播, 人工控制材料的折射