白光LED及其在照明领域的发展

259 上个世纪六十年代末，**只红色GaAsP发光二极管问世以来，经过三十多年的努力，LED的研究和产业得到迅速发展，从GaAsP，GaAlAs到InGaAlP，红光LED的发光效率提高了近1000倍。|特别是在九十年代初，以氮化物为代表的蓝色和绿邑色LED取得历史性突破，经过短短的几年，其亮！i度已经接近并赶上了红色LED.蓝、绿色发光二极！ 管的突破使得发光二极管成为三基色完备的发光体p系，特别是白光LED的问世，LED市场正在由显图示、指示向照明领域扩展。专家预计：发光二极管将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。发光二极管技术进入照明领域是破坏性技术创新，如同晶体管取代电子管一样，它将引发照明领域的一场革命。各国政府对此给予了高度重视，美国启动了国家半导体照明计划，日本启动了21世纪光计划，欧盟启动了彩虹计划，等等。以美国为例，美国已经制定了半导体照明工程发展规划，在规划中对未来20年的技术发展目标做出了明确的计划，对预期结果也做出了科学的估计，预计2007年取代白炽灯，2012年取代荧光灯，预计到2020年美国将减少照明用电50%；减少能源消费1000亿美元；减少向大气中排放含碳化合物2800万吨；改变人们对照明的认识；增加新的高质量就业机会。 表1美国半导体照明工程发展规划白炽灯荧光灯输入功率（WAamp）流明成本（/klm）单灯成本（/lamp）显色指数（CRT）2照明光源的发展从远古至今，人类社会追求光明的脚步一刻也没有停止过，*初人类利用自然界赋予人们的天然光源“火”作为照明光源。人类通过千百年的进化，逐步控制了火，并开始使用火来烧烤食物和照明，人类利用火来照明的历史相当慢长，火作为照明光源也在不断的演变，由火把、松节油火把、蜡烛、煤油灯（见）。 人们只是简单的利用从自然界得到的可燃物，通过燃烧这些可燃物进行照明。1792年WilliamMurdock发明了气体火焰灯，这种灯是在燃料燃烧之前先将燃料汽化，汽化后再进行燃烧，这种灯对燃料的利用率有很大的提高，还提高了火焰的温度。不管当时WilliamMurdock是否有这方面的考虑，这可能是人类*早主动提高光源效率的行为。这种灯可以提高燃料利用率，使燃烧更加充分，另外这种灯的温度相对比较高，我们知道火的发光主要是黑体辐射，发光光谱与温度有着直接的关系，由于通常火的温度比较低，因此大部分的光并不在可见光谱区，因此，提高火的温度可以有效地将黑体辐射的峰值向着可见光谱区移动，进而增加火所发出光的流明效率。这种气体火焰灯被认为是人类利用火作为照明光源的*高水平。人类的“**任光明使者”是自然界。 -30-1878年和1879年英国发明家JosephSwan和美国发明家ThomasEdison分别发明了世界上*早的真空灯泡（见），为人类照明史翻开了新的一页，他们的发明使得人类进入了电光源照明时代，JosephSwan和ThomasEdison当之无愧的成为人类照明史的“第二任光明使者”。这种灯与火没有很大的区别，它也是属于热释光，所不同的是火的燃料是化学物质，而白炽灯的燃料是电，火是通过化学物质燃烧加热周围的空气发光，白炽灯是利用电加热细金属丝发光，他们发光同属于黑体辐射，他们的发光光谱都与加热区温度有关。经过100多年的演变，白炽灯的技术得到了很大的发展，进展可以分为两个方面，一个是提高流明效率，一个是提高使用寿命。要想提高流明效率，应将黑体辐射的峰值从红外光谱区移到可见光谱区，从中可以看出当黑体温度在6500K时，黑体辐射的光谱峰值正好在可见光谱区。 黑体射在可见光谱区对应不同温度的光谱曲线这就要求提高灯丝的工作温度，提高灯丝的工作温度不可避免地涉及到灯丝材料的特性，因此，人们在寻找耐高温的金属材料制作灯丝的同时，在灯泡中抽真空或填加适量的惰性气体防止灯丝氧化，延长灯的使用寿命。目前人们采用的灯丝材料为金属钨，制备的白炽灯的色温一般在2700K.经过一百多年的发展，白炽灯的发光效率达到15lm/W，使用寿命达到1000小时，由于白炽灯发光光谱是一个连续谱，充满整个可见光谱区，因此具有良好的显色性，显色指数达到95100. 1938年第二种光源一突光灯问世，荧光灯的问世使得照明技术获得了一次新的飞跃，人们可以让光源按照人们的需要发光。火和白炽灯都是通过加热提高物体的温度发光，要想提高流明效率只有想方设法将温度提高，使得黑体辐射的发光峰值移到或接近可见光谱区，即使将发光峰值移到可见光谱区，由于黑体辐射的谱带非常宽，因此，对流明效率没有贡献的红外和紫外也消耗了一部分能量，因此发光效率不可能很高。而荧光灯是光致发光，首先将汞汽化，汽化后的汞蒸汽原子与高速运动的电子碰撞，使汞原子被激发或电离，被激发或电离的汞原子发出紫外线，通过紫外线激发荧光粉，使得荧光粉发出可见光。因此，荧光灯的发光可以人为的将其全部控制在可见光谱区，这也是人类首次将光源的发光全部控制在可见光谱区，也可以说人类首次从光谱学的角度控制和提高流明效率。与白炽灯相比荧光灯的流明效率高出五倍多，达到801m/W，由于是冷光源寿命有大幅度提篼，达到10000小时。 荧光灯所发出的白光是由可见光谱区内红、绿、蓝三种颜色的线谱混合而成的，不像白炽灯那样是连续谱，可以将可见光谱区充满，因此，它的显色性不如白炽灯，显色指数只有75. 3发光二极管和传统照明光源对比发光二极管是注入式发光，它是靠从导带注入电子，从价带注入孔穴，注入的电子和孔穴在结区复合产生发光，发光波长依赖于能带的禁带宽度。发光二极管的内部结构经过了P-n结、双异质结、单量子阱和多量子阱等发展阶段，发光二极管的内量子效率得到了很大的提高，使得发光二极管的内量子效率接近100%.到了九十年代初，四元系I一V族半导体合金材料InGaAlP材料的研究获得成功，人们在注重内量子效率的同时将目光转向外量子效率，人们在半导体材料的衬底上引入了布拉格发射结构（DBR）、光学微腔（RC）和倒装结构（见），使得发光二极管的外量子效率得到大幅度提高。随之人们又对反射镜进行了改进，研制出宽角和全角分布布拉格反射镜发光二极管。九十年代初的另一个巨大突破是由日本日亚公司的Nakamura完成的，Nakamura在GaN基材料上成功地制备出高亮度兰色和绿色发光二极管，发光强度超过10cd的蓝、绿、黄InGaN基LED，将发光二极管的发光光谱区由原来的650560nm扩展到650470nm.九十年代是发光二极管发展*快的年代，九十年代人们注意力主要集中在提高外量子效率和扩大发光光谱范围上，九十年代实现了发光二极管三基色。新的世纪开始白光发光二极管问世，使得人们看到发光二极管进入倒装结构的发光二极管结构示意图和效率曲线照明领域的希望，专家预计发光二极管将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。发光二极管进入照明领域将对人类社会的发展起到巨大的推动作用。发光二极管的发展只有三十几年的历史，它的发展速度远远超过了传统照明光源（见）。 图S发光二极管和传统照明光源的效率发展对比发光二极管在过去的三十几年中效率得到了迅速的发展，人们不仅要问发光二极管还有多大的提高空间，美国制订的2020年发光二极管的流明效率达到2001m/W的目标是否可行，发光二极管的流明效率达到2001m/W时相当于电一光功率转换效率50%，也就是说需实现，但是，用类似技术在非可见光波段（红外），这个效率已经被实现了，因此这个目标经过努力是可以实现的。 4发光二极管进入照明领域的意义和面临的技术挑战人们把发光二极管进入照明领域比喻成破坏性技术创新，如同晶体管取代电子管一样，全固态光源进入照明领域将引发照明领域的一场革命。美国在他们的战略发展规划中从六个方面分析了全固态光源进入照明领域的意义：实际减少电能消耗；实际减少与碳相关的污染；实际全面改善的人们视觉经验，改变人们对照明光源的认识，新型半导体技术的诞生伴随着国家安全和经济竞争方面的利益；新型光电子照明工业的诞生带来新的、高质量的就业机会；物质消费的节省。 由于半导体照明领域具有劳动密集和技术密集的两重性，因此，在我国发展半导体照明产业具有十分重要的意义和明显的优势。 发光二极管进入照明领域将必须面临的主要技术有三个：发光二极管芯片技术；白光发光二极管用荧光粉技术；发光二极管的大功率集成化工艺技术和伴随的热沉技术。 S利用LED技术实现白光的方法发光二极管进入照明领域的主要技术之一是利用发光二极管技术实现白色发光，目前人们采用的方法主要有三种：利用红、绿、蓝三基色发光二极管的发光匹配成白光；优点：效率高、颜色可控、优良的显色性、友谊环境。 缺点：三基色LED光衰不同导致变色、成本相对较高。 利用紫光发光二极管的发光作为基础光源，激发三基色荧光粉；优点：白光点只由荧光粉决定、良好的显色性、制备简单。 缺点：效率相对较低、紫光遗漏、温度稳定性差。 利用蓝光发光二极管的发光作为基础光源，部分蓝光激发黄绿色荧光粉使荧光粉发出黄绿色光，部分蓝光透过荧光粉发射出来与荧光粉发出的黄绿色匹配成白光。 优点：效率高、制备简单、温度稳定性好、显色性较好。 缺点：一致性差、颜色随角度变化。 实现白色发光的三种方法的原理示意图