照明帝国新君王 白光LED的大企图

　　照明，从始至终与人类文明休戚相关。

    1879年，爱迪生发明了白炽灯，把人类从火焰照明的时代带到了电光源的时代。一个多世纪以来，电光源照明技术得到了跨越式的发展，先后经历了以白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯(HID)为代表的三个重要阶段。如今，随着新一代半导体材料的出现和发光二极管(LED)封装技术的突破，以及LED功率等级的不断提高，LED光源正在掀起电光源发展的第四场革命。

    LED光源从根本上改变了光源发光机理，在提升照明质量和效用的同时，还可以改善环境、节约能源，具有很高的经济效益。目前，白光LED光源正在各个领域慢慢吞噬传统光源的市场。它的应用领域主要有：局部范围低照度照明、液晶(LCD)显示的背光源、交通照明、室内照明及特殊照明等。据东芝公司(Toshiba)预测，在特殊照明市场，2010年将有16%被LED取代，2012年将达到30%。

　　但从目前的情况来看，固体照明的主要应用还是在彩色LED照明领域。而作为LED业界的最终目标，大功率高亮度白光LED在如今的市场上并没有达到通过机理分析所预期的卓越性能，且价格相对高昂。

　　技术原理

　　要了解白光LED的进步空间，让我们首先补充一点LED的原理。

　　LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化镓(GaAs)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成，其核心是电致发光的P-N结。P-N结的一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”(载流子)，当在P-N两端施加电压的作用下，电子和“空穴”相互结合并以光子的形式释放出能量，若光子的能量在可见光范围内，从而辐射出光芒。LED的发光波长是由半导体材料的禁带宽度决定的，不同材料的禁带宽度不同，产生的光的波长也不相同，从而，所呈现的颜色也不相同。因此可用不同材料做成不同颜色的LED，如红色、绿色、蓝色等。

　　白色光是一种复合光，一般由二波长光或者三波长光混合而成。目前，LED实现白光的方法主要有三种：一是通过红、绿、蓝三基色多芯片组合以合成白光；二是使用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色特性还可加入适量红、绿荧光粉；三是采用紫外光LED(UVLED)激发三基色荧光粉合成白光。

　　解决之道

　　好了，到这你可能会发现目前的白光LED技术或多或少都存在着一些发展瓶颈，即无论采用哪种白光实现方式，都存在着由于芯片结构、驱动电路、光学优化、封装工艺、半导体材料、荧光粉选择等诸多技术问题的限制，主要表现在亮度不足、均一性差、低演色性以及寿命不长等方面。

　　技术上的瓶颈同时也正是商业上的机会。目前，国内外大量的研究机构都在积极开展研究工作来解决这些问题，很多新技术得以研究和发展。谁能抢先一步呢？

　　倒装芯片技术。在P电极上做上厚层的银发射器，由于厚合金材料的P型电极具有良好的欧姆接触特性和电流扩展性能，且热导率更大，从而提高了芯片的发光效率和散热能力，解决了传统正装结构LED的电流扩展性能、光学性能及散热能力差的问题。

　　加拿大英属哥伦比亚大学和清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室在这一技术的研究上都取得了一定的成果。

　　表面粗化技术。将满足全反射的光改变方向，使其不会因全反射而透过界面，从而提高取光效率并降低成本，且并不影响光转换特性。

　　德国Osram公司将磷化铝铟镓(AlInGaP)基芯片的窗口层表面做成具有斜面三角形的纹理结构，光子的反射路线被封闭在这一结构中。采用这一技术可获得50%以上的外量子效率。

　　光子晶体结构。光子晶体具有周期性介质结构，它具有光子禁带和光子局域。可通过光子禁带特性来提高发光效率。这是由于光子禁带可以使一定频率的辐射光被抑制，同时当器件发光频率在光子禁带时，可使更多的光模辐射到空气中。

　　目前，光子晶体结构已成为提升白光LED性能主要的技术方向，现已研制成不同波长的量子阱、量子点和阵列结构的白光LED。Osram公司所开发的“ThinGaN”LED，通过在氮化铟镓(InGaN)层上形成的金属膜的镜面作用，激发出更多的光输出。

　　驱动电路优化。LED光源的特性也对驱动电源提出了很高的要求，目前低功率的供电系统制约了LED的节能特性，高效率、低成本、小体积、强稳定是LED光源驱动电路设计的主要方向。

　　中科院近代物理研究所针对高速大功率LED设计了一套驱动电路方案，具有驱动脉冲前后沿快及大电流输出的特点。此外，对可调亮度和高演色性白光LED的控制电路和调光电路的设计也取得了很大的进展。

　　半导体材料工艺。LED技术发展的主线是晶片半导体材料的更新和加工工艺的不断改进。与大规模集成电路的摩尔定律相似，LED的光通量遵循着Haitz定律，即每18~24个月增加一倍。

　　封装技术。封装也是不可小觑的技术，若由于封装设计或采用材料不良，就会直接影响其他技术的成效。

　　日本OMROM公司研发出一种新的封装技术，将透镜光学和反射光学结构进行组合，采用“DoubleReflection”光学结构，使LED因广角造成的光损失由此向外输出，提高发光效率。

　　此外，还有其他一些技术如光学设计、芯片结构优化、发光面积改善、荧光粉材料等方面都在得到积极的研究和发展。

编辑：冯耀元