照明帝國新君王 白光LED的大企圖

照明，從始至終與人類文明休戚相關(guān)。

1879年，愛迪生發(fā)明了白熾燈，把人類從火焰照明的時(shí)代帶到了電光源的時(shí)代。一個(gè)多世紀(jì)以來，電光源照明技術(shù)得到了跨越式的發(fā)展，先后經(jīng)歷了以白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)為代表的三個(gè)重要階段。如今，隨著新一代半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)和發(fā)光二極管(LED)封裝技術(shù)的突破，以及LED功率等級(jí)的不斷提高，LED光源正在掀起電光源發(fā)展的第四場革命。

LED光源從根本上改變了光源發(fā)光機(jī)理，在提升照明質(zhì)量和效用的同時(shí)，還可以改善環(huán)境、節(jié)約能源，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，白光LED光源正在各個(gè)領(lǐng)域慢慢吞噬傳統(tǒng)光源的市場。它的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：局部范圍低照度照明、液晶(LCD)顯示的背光源、交通照明、室內(nèi)照明及特殊照明等。據(jù)東芝公司(Toshiba)預(yù)測，在特殊照明市場，2010年將有16%被LED取代，2012年將達(dá)到30%。

但從目前的情況來看，固體照明的主要應(yīng)用還是在彩色LED照明領(lǐng)域。而作為LED業(yè)界的最終目標(biāo)，大功率高亮度白光LED在如今的市場上并沒有達(dá)到通過機(jī)理分析所預(yù)期的卓越性能，且價(jià)格相對(duì)高昂。

技術(shù)原理

要了解白光LED的進(jìn)步空間，讓我們首先補(bǔ)充一點(diǎn)LED的原理。

LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導(dǎo)體制成，其核心是電致發(fā)光的P-N結(jié)。P-N結(jié)的一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”(載流子)，當(dāng)在P-N兩端施加電壓的作用下，電子和“空穴”相互結(jié)合并以光子的形式釋放出能量，若光子的能量在可見光范圍內(nèi)，從而輻射出光芒。LED的發(fā)光波長是由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定的，不同材料的禁帶寬度不同，產(chǎn)生的光的波長也不相同，從而，所呈現(xiàn)的顏色也不相同。因此可用不同材料做成不同顏色的LED，如紅色、綠色、藍(lán)色等。

白色光是一種復(fù)合光，一般由二波長光或者三波長光混合而成。目前，LED實(shí)現(xiàn)白光的方法主要有三種：一是通過紅、綠、藍(lán)三基色多芯片組合以合成白光；二是使用藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉，由LED藍(lán)光和熒光粉發(fā)出的黃綠光合成白光，為改善顯色特性還可加入適量紅、綠熒光粉；三是采用紫外光LED(UVLED)激發(fā)三基色熒光粉合成白光。

解決之道

好了，到這你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)目前的白光LED技術(shù)或多或少都存在著一些發(fā)展瓶頸，即無論采用哪種白光實(shí)現(xiàn)方式，都存在著由于芯片結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路、光學(xué)優(yōu)化、封裝工藝、半導(dǎo)體材料、熒光粉選擇等諸多技術(shù)問題的限制，主要表現(xiàn)在亮度不足、均一性差、低演色性以及壽命不長等方面。

技術(shù)上的瓶頸同時(shí)也正是商業(yè)上的機(jī)會(huì)。目前，國內(nèi)外大量的研究機(jī)構(gòu)都在積極開展研究工作來解決這些問題，很多新技術(shù)得以研究和發(fā)展。誰能搶先一步呢？

倒裝芯片技術(shù)。在P電極上做上厚層的銀發(fā)射器，由于厚合金材料的P型電極具有良好的歐姆接觸特性和電流擴(kuò)展性能，且熱導(dǎo)率更大，從而提高了芯片的發(fā)光效率和散熱能力，解決了傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)LED的電流擴(kuò)展性能、光學(xué)性能及散熱能力差的問題。

加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)電子工程系集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在這一技術(shù)的研究上都取得了一定的成果。

表面粗化技術(shù)。將滿足全反射的光改變方向，使其不會(huì)因全反射而透過界面，從而提高取光效率并降低成本，且并不影響光轉(zhuǎn)換特性。

德國Osram公司將磷化鋁銦鎵(AlInGaP)基芯片的窗口層表面做成具有斜面三角形的紋理結(jié)構(gòu)，光子的反射路線被封閉在這一結(jié)構(gòu)中。采用這一技術(shù)可獲得50%以上的外量子效率。

光子晶體結(jié)構(gòu)。光子晶體具有周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)，它具有光子禁帶和光子局域?？赏ㄟ^光子禁帶特性來提高發(fā)光效率。這是由于光子禁帶可以使一定頻率的輻射光被抑制，同時(shí)當(dāng)器件發(fā)光頻率在光子禁帶時(shí)，可使更多的光模輻射到空氣中。

目前，光子晶體結(jié)構(gòu)已成為提升白光LED性能主要的技術(shù)方向，現(xiàn)已研制成不同波長的量子阱、量子點(diǎn)和陣列結(jié)構(gòu)的白光LED。Osram公司所開發(fā)的“ThinGaN”LED，通過在氮化銦鎵(InGaN)層上形成的金屬膜的鏡面作用，激發(fā)出更多的光輸出。

驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化。LED光源的特性也對(duì)驅(qū)動(dòng)電源提出了很高的要求，目前低功率的供電系統(tǒng)制約了LED的節(jié)能特性，高效率、低成本、小體積、強(qiáng)穩(wěn)定是LED光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的主要方向。

中科院近代物理研究所針對(duì)高速大功率LED設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)電路方案，具有驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿快及大電流輸出的特點(diǎn)。此外，對(duì)可調(diào)亮度和高演色性白光LED的控制電路和調(diào)光電路的設(shè)計(jì)也取得了很大的進(jìn)展。

半導(dǎo)體材料工藝。LED技術(shù)發(fā)展的主線是晶片半導(dǎo)體材料的更新和加工工藝的不斷改進(jìn)。與大規(guī)模集成電路的摩爾定律相似，LED的光通量遵循著Haitz定律，即每18~24個(gè)月增加一倍。

封裝技術(shù)。封裝也是不可小覷的技術(shù)，若由于封裝設(shè)計(jì)或采用材料不良，就會(huì)直接影響其他技術(shù)的成效。

日本OMROM公司研發(fā)出一種新的封裝技術(shù)，將透鏡光學(xué)和反射光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，采用“DoubleReflection”光學(xué)結(jié)構(gòu)，使LED因廣角造成的光損失由此向外輸出，提高發(fā)光效率。

此外，還有其他一些技術(shù)如光學(xué)設(shè)計(jì)、芯片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、發(fā)光面積改善、熒光粉材料等方面都在得到積極的研究和發(fā)展。

馮耀元