固态照明光源：白光LED的现状和未来-电子工程世界

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第一个问题是已有照明光源和固态发光的演讲，从19世纪开始用电照明，特别是从1879年爱迪生发明白纸等以后开始广泛用电照明，这就是以电热效应为基础。大家看，尽管照明是一个非常大众化的问题，但是用电量比较大，从全国来说20％的电都用在照明上，现有的照明的技术，我们看这个图表，要想节省电就必须要提高它的发光效率。随着照明的需要，现在是20％，以后可能用电量要增大，所以现在就需要发展一种新的照明技术，这种技术就是今天我要给大家介绍的半导体的照明。这种技术的发光效率，大家看，从90年代开始发展得非常快，到2020年它的流明效率要达到每瓦20流明，这是现有的技术所达不到的。

下来介绍一下光源参数，包括色温、显色性，发光效率。我参加本次会议受到很多的启发，光源的寿命以及成本大家都比较熟悉。现有的这些光源，它的一些指标都列在这里，由于时间关系就不说了，大家可以看一下。

现在主要存在的问题：真空器件体积大，易碎，发光效率低，原因是白炽灯低温黑体辐射，日光灯短波紫外线激发波长更长的红绿蓝荧光粉发光，能量效率低，寿命短。我们要分析一下对光有一个基本的要求，就是要适应我们眼睛的需要，要和我们眼睛的特性要匹配，眼睛的特性实际上是太阳光照射了以后长期形成了我们眼睛的特性，也就是说，我们照的这个光，光谱的分布要尽量接近太阳光的光谱。现在有两个途径，一个是要通过黑体辐射，一个是通过不同色光的合成。现在我们用的这个灯就正好是这两个技术其中的一种。因为我们主要介绍了半导体的白光照明，所以主要介绍一下不同色光如何来合成白光。

根据黑体辐射原理制成的白炽灯，由于色温不可能太高，大部分能量转变成了红外辐射，这部分对照明没有贡献，使发光效率降低，不同色光合成白光有不同的合成，可以是两种、三种或更多种色光合成白光，色种用得多的话，它的象素就高，但是流明效率降低，这与对合成白光的质量要求有关。一般来说，用RGB三种色光合成白光可同时满足发光效率、显色指数、色温等要求。由理论处理可知，若色温为6500K，显色指数大于90，只有当三色波长分别为455、530和610纳米时，所合成的白光流明效率最高可达300lm/W。红绿蓝半导体LED的问世为实现固体白光照明提供了可能性。发光二级光（LED）是一种将电能直接转换为光能的半导体电致发光（EL）器件。现在由氮化物来产生红光还是有困难的，现在实验室正在做。氮化钾基材料与器件的优点，具有宽的直接带隙，A1N 6.2eV、氮化钾3.4eV。正因为这样，白光LED的优点直流驱动、相应快、体积小、寿命长、全固体、结构简单、无毒、耐候性好、理论光效率高。白光LED被认为是二十一世纪的新光源，有可能代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，全球的照明市场约为500亿美元，若白光LED真正能用于日常的照明，由于其节能灯多种突出的优点，所以被广泛的应用。

白光LED发展的现状我们在这里简单介绍一下。一个是白光合成途径研究进展，白光的合成途径大体上有三条路可以走，第一条路是红绿蓝，LED是红绿蓝合成了白光，但这种办法主要的问题是绿光的转换效率，现在红绿蓝LED墙插入效率分别达30％、10％和25％，白光流明效率可达60lm/W。通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率，则白光流明效率可达200lm/W。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED流明效率有不同的。第二条路是用LED＋不同色光荧光粉：第一个方法是用紫外或紫光（300－400纳米）LED＋RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，但是比日光灯性能要优越，令紫光（400纳米）LED的转换系数可达0.8，各色荧光粉的量子转换效率可达0.9；还有一个办法是用蓝光LED（460纳米）＋红绿荧光粉，蓝光LED效率60％，荧光粉效率70％；还有是蓝光LED＋黄（YAG）再加上红来构成白光，目前在市场上用的就是这种。第三条路是用单芯片形成白光，只要一个芯片，然后就可以形成白光，这种技术现在还在做，这条路到底能否走通，现在还不能下结论，但是已经有一些结果了，有两种方式，一种是光载的，一种是光子载束的。

我们来看看这三个途径。

第一个途径三色LED合成白光综合性能最好，在高显色指数下，流明效率有可能高达200lm/W，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13％左右，同时成本高。

第二个途径，LED激发荧光粉形成白光是一条综合性能适中、成本较低、近期内可能实现化的途径，尤其是蓝光LED（460纳米）和黄红粉结合具竞争力，但流明效率难以达到长远目标值，紫外LED（360纳米）和技术较未成熟的红率蓝粉结合也是一条较易实现的。

固态白光最新进展，最新研制的蓝光LED和荧光粉构成的固态白光器件：到今年为止国际上做的最好的就是碳化硅，它的流明效率可以做到75lm/W。还有是蓝宝石做衬底，这个价格较便宜，流明效率可以做到每瓦61.4lm。

LED研究进展，研究目的：实现高效率、高功率、长寿命器件。技术难题：降低缺陷密度、改善欧姆接触、电场均匀性、提高光引出率、降低温升等。主要措施：侧向生长、匹配衬底、封装技术改进等。主要进展：蓝光外量子效率：36－39％。

从芯片来说，衬底材料，一个是芯片外延技术，还有是LED器件的制作。现在这几方面都取得了比较大的进展。在蓝宝石上，因为它的衬底不匹配，所以采取了侧向外延的技术，最后性能取得了比较大的改进。

在蓝博士上LED的性能，尽管采取了很多措施，但还是不如在碳化硅上做的不光是蓝宝石也好或者是碳化硅也好，都是不匹配的，匹配的工艺做起来难度比较大。大家看这个图，这是在氮化铝这个衬底上做的结果，所用衬底材料分别为AlN晶体和SiC晶体以及GaN和蓝宝石，分别在其上制作多量子井紫外发光器件。

芯片研究的进展结果： 1、基于蓝宝石衬底的蓝、绿、紫及紫外LED目前所获得的最佳性能是在采取侧向生长等技术的基础上取得的，目的在于减小位错密度，蓝、紫器件的外量子效率约40％，而绿、紫外器件约15％，离目标值分别相差2－6倍，基于该芯片的白光性能改进主要依赖于荧光粉和封装技术的改进。

2、由于碳化硅上所做的器件具有更小的位错密度，基于该衬底的各色光LED性能仍优于上述蓝宝石衬底侧向生长的LED性能，但由于该衬底材料较蓝宝石贵7－10倍，有关性能优化的研究工作做的相对较少，也许还有较大的潜力可挖。但是碳化硅的价钱比较贵，买这个东西的投资太大了。

3、分别用碳化硅和氧化铝以及GaN和蓝宝石作为衬底材料所做的发光期间对比实验表明，它们的紫外发光特性具有数量级的差别，说明基于匹配衬底所做的低缺陷密度LED有可能获得最佳的发光性能。（包括流明效率和单管产生的数据）。

荧光粉研究的情况，和芯片情况来比较说的话，不可做调整的荧光粉，黄分量子效率已提高至7％，红色还继续我们继续来做。用溶胶凝胶法将厚度为2纳米的二氧化硅包裹在直径为数10纳米的Zes荧光粉粒外面。

封装技术研究进展，对功率型LED封装的技术要求，1、尽可能实现良好的混色效果；2、尽可能提高光输出效率；3、尽可能降低器件的温度。倒封优点--导电好，电场均匀，散热好，有利于提高单管光功率输出。

这一张是我们前几天在大连开会的时候做的演示，发光效率达到100lm/W，单只LED的光通量达到100lm，可靠性2万小时，成本是0.02元/lm在这个情况之下就可以走向市场。

各个国家都有照明发展计划。这是美国的固体照明发展计划，到2020年每W是200lm，和白炽灯、日光灯都有比较。我国现在在大连、上海、南昌、厦门都有基地。

现在存在的问题：1、效率低，尚未达到和超过荧光灯的水平；2、价格高，目前难于在照明领域推广。3、有一系列理论、技术和工艺问题亟待解决。

一个是一个Defect Density密度，还有就是刚才我们说的衬底材料，这个难度非常大，我今天没有时间详细说了，可以说这是国际上的一个难题，另外一个问题就是光抽取效率仍需提高，白光LED的显色性差，目前已实用化的白光LED只有蓝光LED＋YAG荧光粉，但其显色指数受到限制，不符合一般的照明要求。

研究内容区分：1、固态照明途径和方法的研究；2、物理性质、发光机制、结晶生长的基础研究；3、氮化物LED衬底和荧光粉材料的研究；4、LED芯片外延生长技术及结构的设计；5、LED的设计。

国内主要研究单位，中科院上海光机所，南京大学、中科院半导体研究所、北京大学、清华大学，中科院物理所、南昌大学、深圳大学，中国电科集团13所，中科院长春光机所与物理所等等。

国内固体照明相关的概况，我国目前共有从事半导体照明的企业500余家，从业人员3万余人。国内LED封装企业近千家，已成为国际LED封装大国，年产100KK规模以上企业约20家，主要分布在珠江三角洲和长江三角洲地区。目前国内90％的芯片是翠国外和台湾地区进口。2002年产量一百六十亿只，产值10亿元，2002年国内销售100亿只，销售额80亿元。

关键字：照明光源白光 LED 编辑：探路者引用地址：固态照明光源：白光LED的现状和未来

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