高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用[1]

　　1 　引言

　　LED问世于20世纪60年代初期,早期的LED的发光效率很低(0. 1 lm/ W) ,光通量很小(千分之几流明) ,且颜色单一(红色) ,所以只能作指示灯用,如收录机上的电源指示等。随着半导体技术的发展,现在的L ED 性能已经有了突破性的发展,光效已达几十流明每瓦,光通量达到几流明,颜色也更具多样性,有红、橙、黄、绿、蓝、白等各种颜色,其应用的领域也得到了很大的拓展。尤其是白光LED的开发成功,使得L ED 在照明领域中的应用成为可能。在过去的一百多年中,照明光源经历了三个重要的发展阶段,白炽灯是第一代光源,荧光灯是第二代光源,高强度气体放电灯是第三代光源。现在很多照明界的人士都对LED的前景十分看好,认为这是第四代光源。本文将就L ED 在照明领域中的应用进行一些探讨,并对其发展前景进行展望。

　　2 　LED的技术发展

　　2.1 材料

　　发光二极管(LED) 问世于20世纪60年代,1964 年Ⅲ- Ⅴ族发光材料GaAsP 开发成功,出现了红色LED ,峰值波长约为650 nm。虽然,驱动电流为20 mA 时,单个L ED 发出的光通量只有千分之几流明,相应的发光效率只有0. 1 lm/ W ,但是全固体光源开始被人们接受,主要用于指示灯领域。

　　70 年代,材料研究更加活跃,是L ED 发展史上的第一个高潮。GaAsP/ GaAs 的质量有所提高,并且利用汽相外延(VPE) 和液态外延法(LPE) 制作外延材料,不仅使光效提高到1 lm/ W ,而且发光颜色覆盖了从黄绿色到红外的光谱范围( 565 ～ 940nm) ,应用也开始进入显示领域。

　　80 年代之后,应用层面逐渐展开,封装技术逐步提高,周边支持条件也相对形成,促使L ED 技术得到突破。例如用LPE 技术制作GaAlAs 外延层,制作高亮度红色LED 和红外二极管( IL ED) ,波长分别为660 、880 和940 nm。随着金属有机化学汽相外延法(MOVPE) 的开发,产生了780 nm 半导体激光二极管;用新芯片材料Al InGaP 制成的红色、黄色L ED 光效可达10 lm/ W ,若采用透明衬底,光效可超过20 lm/ W。而1994 年通过MOVPE 研制的第三代半导体材料GaN 使蓝、绿色LED光效达到10 lm/ W ,实现了LED的全色化。

　　90 年代,技术的发展主要集中在白色LED。大致有三种制作白色LED 的方式:在蓝色芯片表面涂敷微量荧光物质,部分蓝光激发涂敷物质形成黄光,与透过的芯片自身发出的蓝光组成白光;将红、绿、蓝三种芯片封装在一起;用ZnSe 为基体,制成单芯片的白色LED ,通电后,ZnSe 有源层发出的蓝光和衬底发光中心发出的黄光混合成白光。

　　进入21 世纪后,L ED 被誉为“21 世纪新光源”,是继白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯(HID) 之后的“第四代光源”。随着材料技术、封装技术的不断发展创新,红、橙色L ED 光效已经可以达到100lm/ W ,绿色L ED 也可达到50 lm/ W。单只LED的光通量也达到几十流明。LED的高效化、超高亮度和全色化使其应用领域也日趋广泛,逐步走向户外照明领域。

　　通常,人们把光强为1 cd 作为一般L ED 和高亮度LED的分界点。目前,制作高亮度LED的材料主要为AlGaAs、AlGa InP 和Ga InN。AlGaAs 适用于高亮度红光和红外LED , 用LPE制造;AlGa InP 适用于高亮度红、橙、黄及黄绿LED , 用MOVPE 制造; Ga InN 适用于高亮度深绿、蓝、紫及紫外L ED ,用高温MOVPE 制造。

　　2.2 　芯片结构

　　以目前常用的Al InGaP 芯片为例, HewlettPackard 生产的Al InGaP L ED 的衬底为200 μm 厚的GaAs 层(参见图1) 。衬底的顶部三层分别由1μm 厚、掺有不同杂质的Al InGaP 层构成。这种结构称为异质结结构。中间层和底层形成pn 结。其中,中间层也被称为有源层,由于上面三层掺杂不同,电子主要在有源层中复合。这种结构允许的最大驱动电流有所增加。　　

　　标准的Al InGaP L ED 在结点处最大电流强度为50 mA ,而传统的L ED 技术只能达到30 mA。高的电流密度可能导致局部过热,从而损坏LED基片的晶体结构。在这些区域中,形成黑斑,不再发光,使得L ED 的性能下降。异质结构的有源层可以承受较高电流密度,减少L ED 性能受损的可能性。

　　在三层Al InGaP 层的上面有一45μm 厚的GaP层,作为与金属连接的界面。Al InGaP 基片的大部分表面不含金属物质,只有3μm Al InGaP 层的边上有铝元素。因此,在潮湿的环境中,几乎没有会被氧化的表面。在诸如高驱动电流、温度骤变及潮湿的各种恶劣条件下,Al InGaP 技术显示了其抗衰减的卓越性能。

　　Al InGaP 的衬底材料主要有两种:用GaAs 衬底对光有吸收作用,在有源层中产生的光子到达GaAs衬底时被吸收,因此该技术称为AS - Al InGaP 技术;另一种称为“芯片耦合”的过程, 可将吸收的GaAs 衬底用透明的GaP 衬底来替代(参见图2) ,这种技术称为TS - Al InGaP 技术。在GaP 衬底后面涂上一层反射膜,则光子都被反射回来,使效率增加, 是AS - Al InGaP L ED 的效率的两倍左右。

　　在增加芯片的光输出方面,人们的研究不仅在于改变材料内杂质数量、晶格缺陷和位错来提高内部效率,同时,如何改善芯片结构,增加芯片内部产生的光子出射的几率,也是一个重要的问题。鉴于半导体材料的折射率大于空气,因此,部分光子在到达芯片界面时会发生全反射。传统的芯片通常为立方体,则芯片如同一个全反射直角棱镜,部分光子在晶体内部发生多次反射,最终由于晶体的吸收而损耗,无法逸出晶体。因此,即使芯片内部能够产生很多光子,如不能有效地增加其逸出率,对增加LED的发光效率的作用也不能很好的体现。Lumileds 公司采用截面如梯形的芯片结构(如图3 所示) ,使得在斜面方向上有更多的光子能够出射,大大提高了光子的逸出率。