半导体照明光源技术问题大讨论(一)

　半导体照明光源现已批量进入照明领域，但出现不少问题，主要是效能、可靠性、光色质量以及成本等问题，有关效能和光色质量所涉及的内容很丰富，如视觉舒适 度、智能化调光控制等，在此暂不描述。本文将讨论急需解决的主要技术问题，归结为“三高一低”，即高光效、高显色性、高可靠和低成本的技术问题，实现低成 本其实质也是技术问题。解决这四大技术问题，需要在半导体照明产业链各个环节上采取一系列措施，比如采用新技术、新结构、新工艺、新材料等，这里只提及应 该采取的技术路线和方向，希望对LED企业的产品创新有所帮助。 主要解决方案是：采用新技术、新工艺、新结构、新材料等措施实现半导体照明的高光效;进行智能化调光控制，减少电能损耗，提高节能效果。

　　一、实现高显色性

　　白光LED的光色质量内容很多，包括色温、显色性、光色保真度、光色自然度、色调识别度、视觉舒适度等[3]。美国SSL计划提出，LED照明产品的光谱 分布要达到类似太阳光的光谱分布。要达到上述这些要求是很难的，要做很多基础研究工作，将来一定会实现。这里只讨论目前急需解决的色温和显色性问题。美国 能源之星标准规定，室内照明的显色指数CRI≥80，但在一些高端的应用场合要求CRI≥90。制作高显色性LED光源，会损失较多的光效，所以在设计时 要照顾这两方面因素。

　　在此有必要说明一下有关显色指数CRI的评价问题[4]，CIE(TC1-62)技术报告177的结论：“CIE的CRI不适合用于表示白光LED光源的 显色范围”。现在有很多种针对CRI定标提出的修正办法，如CQS色品质度、GAI全色域指数、RF夫勒特利指数、CPI颜色偏爱指数、CDI色分辨指数 等，目前CIE要采用哪一种修正尚未定论。美国NIST(国家标准研究院)提出采用CQS来评价光源颜色的质量，将测试样品扩大到15种，包含部分高色饱 和度的样品，这样就好得多，很多人给予认同。要提高显色性，原则上要考虑RGB三基色组合来实现，目前有三种办法。

　　(1)多基色荧光粉

　　LED光源采用LED蓝光芯片加铝酸盐黄粉和氮化物红粉、绿粉组合成LED白光，其显色指数CRI可达80～90。据有关报道，如采用RGBY荧光粉有效组合，其CRI可达98。

　　(2)RGB多芯片组合

　　采用RGB多芯片有效组合的LED白光，显色指数CRI也可达80～90，可能由于驱动方式和成本等因素，目前较少应用。

(3)荧光粉加芯片

　　LED光源采用蓝光芯片加铝酸盐黄粉加红色芯片，有效组合LED白光，其显色指数可达80以上，光效较高，成本尚可，是目前普遍采用的组合方式。

　　二、如何实现高光效

　　半导体照明的光效，或者说能效，是节能效果的重要指标。目前LED器件光效产业化水平可达120～140lm/W，作成照明灯具总的能效可大于100lm /W。这还是不高，节能效果不明显，离半导体器件光效理论值250lm/W还有很大距离。真正要做到高光效，要从产业链各个环节上解决相关的技术问题，主 要是提高内量子效率、外量子效率、封装出光效率和灯具效率，本文将针对外延、芯片，封装，灯具等几个环节要解决的技术问题探讨。

　　1.提高内量子效率和外量子效率

　　主要采取以下几点措施来提高内量子效率和外量子效率。

　　(1)衬底表面粗化及非极性衬底

　　采用纳米级图型衬底、“取向型”图型衬底或非极性、半极性衬底生长GaN，减少位错和缺陷密度及极性场影响，提高内量子效率[1]。

　　(2)广义同质衬底

　　采用HVPE(氢化物液相外延)在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN，作为混合同质衬底GaN/Al2O3，在此基础上外延生长GaN，可极大地降低位错密度达106～107cm-2，并较大地提高内量子效率。日亚、Cree及我国北大均在研发之中[2]。

　　(3)改进量子阱结构

　　控制In组分的变化方式和变化量、优化量子阱结构提高电子和空穴交叠几率，增加幅射复合几率以及调节非平衡载流子的输运等，提高内量子效率。

　　(4)采用新结构的芯片

　　采用新结构要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技术进行多种表面粗化方式，减少光子在芯片界面上反射几率，并增加表面透光率，以提高芯片的外量子效率。

　　2.提高封装出光效率及降低结温

　　(1)荧光粉效率及涂覆工艺

　　荧光粉的光激发效率目前还不高，黄粉可达70%左右，红粉和绿粉的效率较低，有待进一步提高。另外，荧光粉的涂覆工艺非常重要，有报道称在芯片表面均匀涂复60微米厚度的荧光粉，激发效率较高。

　　(2)COB封装

　　当前半导体照明的光源采用各种形式COB封装，提高COB封装的出光效率是当务之急，有报道称，采用第二代(有的称第三代)COB矩阵式结构封装，其光效可达120lm/W以上。如果采用倒装芯片和六面发光体进行全反射的结构，光效可达160lm/W以上。

　　(3)降低结温

　　据有关报道，结温为25℃时的发光量设为100%，当结温上升至60℃时其发光量只有90%，当上升至140℃时只有70%，所以在封装时要加大散热措施，保持较低结温，维持较高的发光效率。

　　3.提高灯具的取光效率

　　不同LED灯具的效率相差很大，一般LED灯具效率大于80%，有一部分可大于90%。要根据LED光源的特点以及不同的应用场合，对灯具进行精细的二次光学设计，也要考虑灯具散热和眩光问题，提高LED灯具的取光效率。