白光led的研究进展

白光led的研究进展

led照明技术1907年，人们首次观察到了发达国家发热材料的现象，但世界上第一个开发的白色自主材料（light）的出现是在1965年。随后不久Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用LED。这些早期的红色LED的发光效率约为0.1lm/W,比普通白炽灯的发光效率(约15lm/W)还要低100多倍。1968年,LED的研究取得了突破性进展,利用氮掺杂工艺使GaAsPLED的发光效率达到了1lm/W,并且能够发出红、橙和黄色光。到1971年,业界又推出了具有相同效率的GaP绿色LED。1972年开始有少量LED用作钟表和计算器的显示屏。几乎与此同时,惠普与德州仪器公司也推出了带7段红色LED显示屏的计算器。随着第二代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿发光二极管的问世,在与人类生产、生活息息相关的照明领域,正在孕育着第二次产业革命——照明技术革命,其标志是基于白光LED的半导体灯逐步取代白炽灯和荧光灯。半导体照明采用LED作为新型光源,同样亮度下,耗电仅为普通白炽灯的1/10,而寿命却可以延长100倍。由于半导体照明具有高效、节能、环保、使用寿命长、响应速度快、耐振动、易维护等显著优点,在国际上被公认是为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源。业内普遍认为,如同晶体管替代电子管一样,半导体灯取代传统的白炽灯和荧光灯,也是大势所趋。半导体LED照明光源具有广阔的应用前景,主要可用作城市改建、扩建工程等建设项目中所需的特种光源、宣传橱窗的装饰照明灯、体育场馆的过道引路灯、停车场道路指示灯、公共信息指示牌内部照明灯、草坪灯、庭院灯、壁灯、埋地灯、围墙灯、建筑物内部紧急出口指示牌、用作高速公路及其它高级公路的交通信号灯、指示牌及护栏灯、立交桥、广告牌等公共设施的照明灯、城市夜景装饰灯和用于其它城市景观照明灯具等等。1工作原则和白面包评价指标1.1led色封装材料LED是一种固体光源,它是利用半导体P-N结制成的发光器件。在正向导通时,半导体中的少数载流子和多数载流子复合,释放出的能量以光子或部分以光子的形式发射出来。这种发光效应也可称为注入电致发光。由于不同半导体材料的带隙能量不同,因此激发光的波长也不同。所以,采用不同的材料可制成不同颜色的发光二极管。目前实现照明用LED白光主要有如下三条途径,且各有其优缺点:(1)R.G.B三基色合成将红、绿、蓝三色LED功率型芯片集成封装在单个器件之内,调节三基色的配比,理论上可以获得各种颜色的光。通过调整三色LED芯片的工作电流可产生宽谱带白光。此法由于没有Stocks频移造成的能量损失,在三种方法中效率最高,色度也很好(Ra>95),同时生产成本也最高。其缺点是,由于三种颜色的LED量子效率不同,而且随着温度和驱动电流的变化不一致,随时间的衰减速度也各不相同,红、绿、蓝LED的衰减速率依次上升。因此,为了保持颜色的稳定,需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿,导致电路复杂,而且会造成10%~15%的效率损失。(2)UVLED+R.G.B荧光粉采用高亮度的近紫外LED(~400nm)泵浦R.G.B三色荧光粉,产生红、绿、蓝三基色。通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光。相对于蓝光LED+YAG荧光粉,采用这种方法更容易获得颜色一致的白光,因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定;此外,还可以获得很高的显色指数(>90)。其缺点主要有:①高效的功率型紫外LED不容易制作;②由于Stocks变换过程中存在能量损失,用高能量的UV光子激发低能量的红绿蓝光子导致效率较低;③封装材料在紫外光的照射下容易老化,寿命缩短;④存在紫外线泄漏的安全隐患。(3)蓝光LED+YAG荧光粉以功率型GaN基蓝光LED为泵浦源,激发黄色无机荧光粉或黄色有机荧光染料,由激发获得的黄光与原有蓝光混合产生视觉效果的白光。这种方法的优点是:白光LED发光管结构简单,制作工艺相对容易,而且YAG荧光粉已经在荧光灯领域应用了许多年,工艺比较成熟。其缺点主要有:①蓝光LED发光效率还不够高;②短波长的蓝光激发荧光粉产生长波长的黄光,存在能量损耗;③荧光粉与封装材料随着时间老化,导致色温漂移;④不容易实现低色温(一般照明用的白光都略微偏暖色,色温较低),显色指数一般也不高(70~80);⑤功率型白光LED还存在空间色度均匀性等问题。1.2led光提取效率评价照明用功率型白光LED的性能优劣的主要指标有光通量、色坐标、色温、显色指数和LED的相关效率。其中LED的相关效率包括:(1)功率效率ηwp。表示LED发光器件的输出光功率与输入电功率之比。(2)外量子效率ηout。表示LED发光器件的输出光子与输入电子数之比。(3)内量子效率ηin。表示LED芯片产生的光子数与输入电子数之比。(4)光提取效率ηextract。表示LED发光器件的输出光子数与LED芯片产生的光子数之比。(5)发光效率(或称流明效率)η。表示LED发光器件的输出流明数与输入电功率之比。白光LED的发光效率可表示为η=ηwp⋅ηo,ph⋅ηQD⋅ηph(T)⋅ηpkgη=ηwp⋅ηo,ph⋅ηQD⋅ηph(Τ)⋅ηpkg其中ηo,ph、ηQD、ηph(T)和ηpkg分别表示白光LED的光谱流明效率、荧光粉的量子缺陷、荧光粉的量子效率和封装效率。荧光粉的量子效率与温度有关,随着温度升高,荧光粉的量子效率将降低。2功率型光栅led的制造阶段目前,尽管LED已经广泛应用于指示、LCD背光源、交通指示灯、建筑照明等领域,但用LED实现大规模的半导体照明还有很多问题有待解决。功率型白光LED的制作阶段可分为芯片、封装和系统三个部分。而功率型白光LED的独特之处在于其效率、寿命和价格。表1分别从效率、寿命和价格方面提出了使功率型白光LED进入通用照明市场在芯片、封装和系统阶段所需解决的主要问题。就芯片与封装来说,与小功率LED相比,照明用功率型LED主要存在散热、发光效率、显色性、空间色度均匀性、稳定性等问题。此外,在将多个LED组装在一起构成实用的LED照明系统时,还存在LED的驱动问题。2.1芯片内部温度对于LED来讲,单纯地增加输入功率,亮度会成比例地上升。但由于LED的效率远没有达到100%,LED在工作过程中会产生热量。目前,功率型白光LED只能将约10%的电能转化为光能,而剩下80%的能量转化成热能。随着LED功率的增大,产热量增多,如果散热问题解决不好,热量集中在尺寸很小的芯片内,使得芯片内部温度越来越高。芯片温度过高会带来许多问题:(1)加速器件老化,缩短使用寿命,甚至还会导致芯片烧毁;(2)使蓝光LED的波长发生红移,并对白光LED的色度、色温产生重要影响。如果波长偏移过多,偏离了荧光粉的吸收峰,将导致荧光粉量子效率降低,影响出光效率;(3)温度对荧光粉的辐射特性也有很大影响。随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化。荧光粉辐射特性的改变,也会引起白光LED色温、色度的变化。较高的温度还会加速荧光粉的老化。2.2学生以荧光灯和荧光灯进入通用照明市场现在功率型白光LED的光效已提高到25~30lm/W,而真正能够取代白炽灯和荧光灯进入通用照明市场,其光效需要达到150lm/W。这一方面要求在芯片的制作上不断提高LED的量子效率,同时还要求在LED的封装及灯具的设计制作过程中尽可能提高出光效率。2.3光栅led显色指数通常照明光源在CIE1931中的色坐标处于普朗克轨迹附近,因而可以用色温或者相关色温(CCT)来量化照明体的颜色。表2列举了几种不同照明方式的色温和显色指数。现在采用BlueLED+YAG:Ce荧光粉制作的白光LED显色指数在75左右,色温一般难以做到5000K以下。由于人们日常生活中已经习惯了低色温(3000K左右)光源,色温大于5000K的半导体光源可能难以被人接受。为了达到日常照明要求,还需降低白光LED的色温。功率型白光LED普遍存在空间色度不均匀的问题,而人眼能分辨的空间色温差异阈值是50~100K。现在白光LED的相关色温匹配最好是±100K,还需向±50K努力。2.4led照明系统由于单只LED的功率较小,发光亮度较低,不宜单独用于照明,为此必须将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明系统。尽管20mA的小功率白光LED驱动芯片很多,驱动方案也基本成熟,但是由于功率型白光LED消耗的功率很大,其驱动方式有很大的不同。需要开发专用于LED照明系统的高效驱动模块。2.5动态反馈电路在利用红绿蓝三基色芯片混色,通过调节三基色的配比来获得白光的方法中,由于三种颜色LED的量子效率不一致,且随着温度、驱动电流变化各异,随时间的衰减速度也不相同,为了保持颜色的稳定,必须通过动态反馈电路来调整色度。2.6受激辐射特性白光LED的色度会随驱动电流、温度、时间的变化而发生改变。驱动电流会影响蓝光波长和荧光粉的量子效率;温度会影响蓝光波长和荧光粉的受激辐射特性,而且,LED的光通量会随着温度的升高而下降,温度每升高5℃,光通量降低3%;随着时间推移,荧光粉加速老化。这些都会对白光LED的色温、色度产生影响。3led封装工艺改进针对照明用功率型白光LED存在的问题,今后应在如下几个主要方面展开研究:3.1芯片方面(1)基于功率型高效蓝光和紫外LED芯片的半导体照明光源尽管采用蓝光LED泵浦YAG:Ce黄色荧光粉实现白光的方式存在色度不稳定性,即随着注入电流增大,泵浦源蓝光和黄色荧光两个宽谱带的峰值强度和半高宽发生相对变化,合成白光的色度学指标发生漂移。但用这种方式实现白光照明生产成本相对较低,容易被市场所接受。用近紫外或紫外LED泵浦Y2O3:Ru(红色)、SrGa2S4:Ru(绿色)和BaMgAl14O23:Ru(蓝色)荧光粉获得的功率型白光LED,随着注入电流的增大(直至100~1000mA量级),三个荧光谱峰的相对强度和谱宽关系可基本维持不变,这种色温稳定性使其在许多高品质需求的应用场合(如节能台灯)得到应用。(2)芯片结构的改进原有蓝光LED芯片结构如图1(a)所示,芯片底层是sapphire衬底,上面覆盖环氧树脂透镜。环氧树脂导热散热能力很差,芯片产生的热量绝大部分要向下通过sapphire进行热传导。但是sapphire衬底的热导率很低,不利于热量扩散。因此这种正装芯片不能满足日益增长的功率要求。为了解决这个问题,人们正在研制倒装焊(Flip-chip)结构,如图1(b)所示。Flip-chip结构将芯片通过焊料倒装在硅衬底上,出射光线经由透明的蓝宝石射出,不经过p电极,减少了被吸收量,而且没有焊盘阻挡,出光效率得到了提高。此外,采用高反射率金属制作进行金属半导体接触,将向下发射的光反射回去,进一步提高了出光效率。由于Flip-chip结构有利于提高出光效率,因此能减少芯片的产热量,提高芯片可承受的最大功率。3.2封装方面(1)照明用功率型LED的封装技术研究图2(a)给出了传统的5mm指示型LED的封装结构示意图,芯片粘在金属管脚上。由于指示型LED工作电流小,靠两只金属管脚散热。但是当工作电流超过50mA时,这种散热方式会导致器件结温度过高,影响器件的性能和寿命。为了提高散热能力,封装结构曾经出现过食人鱼等结构。1998年采用厚金属热沉取代管脚散热,厚金属表面积大,散热能力强,并且增大了与下面电极接触的面积,提高了热传导能力。对于当前发展的功率型白光LED,典型的传统结构难以适应照明光源的要求,设计更合理的封装结构,不仅可以解决散热问题,提高LED的光提取效率和色度空间均匀性,而且可以提高LED的电光转换效率,并延长其工作寿命。因此设计新的封装结构是改进封装工艺的最关键技术。图2(b)给出了倒装焊功率型LED的封装结构示意图,芯片产生的光透过透明的蓝宝石而出射,芯片产生的热量则通过硅衬底向下传导至金属热沉上,再对流到周围环境中。由于硅的热导率是蓝宝石的3倍,所以这种结构能大大改善器件的散热性能。(2)低色温高显色指数白光LED的研究采用红绿蓝三基色LED组合或紫外LED激发三基色荧光粉都可以获得较高的显色指数,但目前这方面的技术还不成熟。在研究较多的蓝光LED激发黄色荧光粉的白光技术中,由于光谱中缺少红色成分,致使器件色温偏高,显色指数偏低。为了解决这一问题,可以在YAG黄色荧光粉中掺入适量的红色荧光粉,制成色温接近日光灯的暖色白光LED。目前的工作在于开发适合蓝光LED激发的高效红色荧光粉。(3)照明用功率型LED的光提取技术和空间色度均匀性研究LED的光提取效率和色度均匀性是评价LED优劣的重要指标。为了提高LED的光提取效率,许多手段例如倒金字塔结构、表面粗糙技术、光子再生、改变自发辐射、光子晶体LED等都在考虑范围之内,但截至目前,还没有一种能够显著提高光提取效率的技术。同时,功率型白光LED的色度在空间的不均匀性是一个普遍存在的问题,而人眼能分辨的空间色温差异阈值是50~100K。因此提高空间色度均匀性也是白光LED的发展趋势之一。(4)照明用功率型LED的散热技术研究随着LED功率的增大,产生的热量增多,如果散热问题解决不好,热量会集中在尺寸很小的芯片内。过高的热量将影响LED发光器件的性能和工作寿命。改进LED的散热技术,也是实现LED照明的关键所在。3.3LED灯具方面(1)基于功率型白光LED的半导体照明系统的开发根据照明对象和光通量的需求,设计光学系统的形状、功率大小和LED的数目,进行二次光源配光,开发半导体照明灯具。由若干LED组合成的“二次光源”的配光分布及构成LED灯具的光学系统如何满足照明光源要求是一个复杂的系统工程,需要认真考虑和解决。(2)功率型LED专用驱动模块设计由于单只LED的功率较小,发光亮度较低,不能单独用于照明,必须将多个LED组装在一起才能构成实用的照明系统。由于LED是电流驱动型器件,因此必须开发专用于LED照明系统的高效驱动模块。要求驱动模块具有接近恒流的正向电流输出,而且要有高的转换效率,以保证LED能够安全可靠地工作。同时还要注意成本。(3)半导体照明灯具的散热技术及其可靠性和色度均匀性研究对于半导体灯具来说,也存在一个散热的问题。如果散热问题解决不好必将影响灯具的发光效率和使用寿命,甚至存在安全隐患。只有很好地解决了灯具的散热技术,最终才能达到半导体照明系统的实用化。影响灯具可靠性的因素主要是LED器件和电气元件。到目前为止还没有生产白光LED器件的厂商提供器件失效率方面的详细资料或技术规范,也没有照明光源用LED灯具的标准。与白炽灯和荧光灯不同,由于LED发光器件的特殊结构导致其存在白光光色的不均匀性。组合成照明灯具后,光色的均匀性也需要研究。(4)太阳能电池与LED照明系统的集成虽然我国经济在最近20多年有了较快的发展,但能源问题仍然是制约我国经济发展和导致环境恶化的重要因素之一。我国目前仍有大约6000万人生活在无电地区,急需生活用电。我国能源供应中煤占一次能源总消耗的73%~75%,居于主导地位。众所周知,煤的储量毕竟有限,而且煤的直接燃烧给环境带来严重影响。从能源和环境双重考虑,我国政府计划并采取有效措施发展可再生能源技术。我国有丰富的太阳能资源,2/3以上国土面积的年总日照量超过5GJ/m2,年平均日照超过2200h,有开发利用太阳能的有利条件。由于LED具有驱动电压低的优点,可以考虑用太阳能电池来驱动LED照明系统。尤其在当今提倡清洁能源,崇尚环保意识的情况下,应当尽可能使用太阳能。为此可将太阳能电池盒、充电放电装置、电流控制系统和白光LED集成到一起形成一个照明综合系统。这对于解决我国无电地区的照明问题尤其具有深远意义。(5)降低半导体照明灯具的成本价格现在白光LED及其灯具的成本价格过高,必须大幅度降价,才能大举进军照明光源市场,才能与廉价的白炽灯、荧光灯竞争。从近年蓝光和白光LED的发展速度来看,蓝光芯片的价格逐年下降,预计2010年左右能够达到预期的成本价格。4在国内、国外的led器件和灯具设计方面的应用针对当前国内外功率型白光LED存在的问题及研究热