固态照明中白光LED的发展和应用

Fig.2

半导体发光二极管通常均为单色(彩色)发光器件，这种发光器件光效高，颜色单纯，早以广泛用于各类场合的显示，如各类指示灯，交通信号灯，大屏幕彩色显示屏，甚至大屏幕彩色电视等。

Ⅲ 白光LED

彩色LED虽已成功用于各种显示和指示器件，然而对于照明则是无能为力的，因为照明光源必须有很好的显色性，所以照明用LED必须发白光。

一种方案是发明一种多能级载流子复合的复合型杂质半导体材料，使之直接产生多色光，从而发出白光，然而此种方案迄今未见有成功的报导。

另一种方案是将发射红、绿、蓝三种光色的发光二极管的芯片做在同一个管芯中，使之混光成白色，但是这样制成的白光发光二极管的光色较差，而且所发光束的某些部分仍然呈现原来色彩，因此这种方案已被放弃了。
目前采用的方案是在蓝光或近紫外LED芯片上涂敷全色或黄色荧光粉，从而得到白光LED，荧光粉的质量、涂层厚度稍有影响均将严重影响其显色指数、色温、光效和光衰。

Fig.3 a、b、c、d显示了发射峰为470nm的蓝光LED激发荧光粉后的发射光谱，涂敷荧光粉是吸收峰为450nm，发射峰为550nm的黄色 荧光粉，涂敷厚度不同时荧光粉层对蓝光的吸收强度以及发射荧光的强度均不同，所呈现的光谱和光色也不相同，其情况示如下表：

Fig.3a

Fig.3b

Fig.3c

Fig.3d

　该试验中涂层厚度测量不准确，所以未于标出。辐射光通量测试方法亦不精确，所以只给出相对数据。实验表明荧光粉涂层厚度、处理工艺对白光LED的发射光谱、光通量、色温和显色指数的影响巨大，所以制作工艺必须十分严格，否则其一致性必定降低。

白光LED问世近10年来在工艺、材料等方面确实取得了很大进展，其单粒功率、光效均已取得巨大突破，最突出代表之一是超薄型GaN LED。当前白光LED取得的主要进展为：

1、 改进半导体材料纯度和掺杂工艺，以提高载流子密度和内量子效率。

2、 采用超薄结构，其活性层仅为数纳米，从而减少内量子吸收，加大了量子输出。

3、 在p-n结底部涂以高反射率膜层使内向辐射的光量子反射以加大量子输出。

4、 输出窗内表面粗糙化，从而减少向外辐射的光量子在输出窗内表面处反射折回到LED中的几率。

5、 采用高热导绝缘陶瓷作基底材料，和大辐射面散热器以改善 p-n结散热条件，降低结温度。

6、 开发近紫外LED及高效、耐高温三基色全色荧光粉以提高其运转温度、光转换效率、显色性并延长寿命。

7、 寻找耐高温半导体材料、使LED大功率化。

在采取诸多有效措施后目前白光LED的实验室水平的光效已达130~150lm/w，单粒功率可达10W。

Ⅳ LED的发光效率、热耗和改进

白光LED的成就是杰出的，使之可能成为一种未来的高光效、长寿命、低成本照明器件，并在照明领域占据重要地位，甚至可能成为最普及的通用光源，但是在目前还有诸多关键问题需要解决，其最突出的一个基本问题就是散热。

LED是利用载流子复合发光的。在电子与空穴复合时其势能转化为光量子，这些光量子直接向外辐射时可能成为输 出光，而向内或向四侧辐射的部分则将被吸收转化为热能，即使向外辐射的光子也将有部分为输出窗吸收或为其内表面反射后再吸收，最后成为内部热耗。所以 LED的光效不仅决定于其内光子效率(即其输入能量转化为光子能量的效率)，而且与光子提取率即外光子效率直接相关。

白光LED 不仅存在如上所述的载流子复合的光量子效率和光量子提取率的问题，而且有输出光子与荧光粉作用转换为新光子的内、外量子效率问题，如何选择LED的发射波 长，寻找最佳匹配的高效荧光粉以取得最大光量子转换效率和光量子输出率，从而保证高的发光效率也是白光LED的关键问题，这一问题仍有大量工作需要完成而 这也正减缓LED发热问题的关键。

如所周知传统光源如白炽灯、放电灯均靠将发光体加热到一定温度后才能产生辐射，高温是发光的前 提条件，例如白炽灯需将钨丝加热到2800℃或更高(卤素灯)