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云顶游戏官网照明帝国新君王 白光LED的大企图

文章作者:照明工业 上传时间:2019-09-22

照明,从始至终与人类文明休戚相关。

云顶游戏官网 1用蓝光LED拼成的诺贝尔签名。

LED总结

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。

2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位日本科学家,以表彰他们在蓝光LED上所作的研究。

第一章 光 光度学 色度学

  • 人眼光谱灵敏度
    CIE据对很多人的大量观察结果,用平均值的方法,确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度,称为“标准光度观察者”的光谱光视效率,也称视见函数。
  • 光度量
  • 表色系统
    CIE1931-RGB系统 [C]=R[R] G[G] B[B]
    CIE1931-XYZ系统 C=XX YY ZZ
  • 色度量
    1.主波长:
    在CIE1931色度图上分别标出颜色样品和光源(通常为等能白光)的色度点,连接两点做一直线,并从光源向样品色度点的方向延长与光谱轨迹相交,这一交点的波长就是该颜色样品的主波长,记为λD
    2.色温(CT)和相关色温(CCT):
    当某一光源的颜色与某一温度下黑体的颜色相同时,称黑体的温度Tc为这种光源的颜色温度,简称色温,单位为开尔文(K)
    当某一种光源的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色最接近时, 黑体的温度即为这种光源的相关色温
    3.显色性与显色指数(CRI)
    光源的显色性是指在该光源照射下物体表面显示的颜色与在相同色温标准光源照射下显示的颜色相符合的程度,即光源显现(“还原”)物体颜色的特性。
    4.光谱功率分布、峰值波长和光谱辐射带宽

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。据东芝公司预测,在特殊照明市场,2010年将有16%被LED取代,2012年将达到30%。

“Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura are rewarded for inventing a new energy efficient and environment-friendly light source – the blue light-emitting diode (LED). In the spirit of Alfred Nobel, the Prize awards an invention of greatest benefit to mankind; by using blue LEDs, white light can be created in a new way. With the advent of LED lamps we now have more long-lasting and more efficient alternatives to older light sources.”

第二章 LED原理

  • LED结构
    1.同质结
    2.异质结

由两种晶格常数相近,带隙宽度不同的半导体单晶材料形成的结 。

特点:在界面处会出现能带的弯曲,发生导带及价带的不连续,从而使得电子和空穴的注入将面对不同的势垒高度,注入效率大不相同。

作用:1. 异质结的高注入比 2. 异质结对载流子和光波的限制 3. 窗口效应

3.量子阱

当有源层的厚度薄到可以和晶体中电子的德布罗意波长相比拟甚至更小的时候,这样的结构就称为量子阱

量子阱中因为有源层的厚度仅在电子平均自由程内,阱壁具有很强的限制作用,使得载流子只在与阱壁平行的平面内具有二维自由度,在垂直方向上载流子的运动受到限制。并且导带和价带分裂成子带,光跃迁只出现在具有相同量子数的电子和空穴能级间。

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。

和以往的颁奖词一样,这里的每一段文字都富有深意,值得深入解读。

第三章 LED材料

技术原理

1. Blue light-emitting diode——宽禁带半导体PN结注入式电致发光

LED的原文“light-emitting diode”中,diode意为二极管,这将半导体PN结的注入式电致发光,与交流高压电场下的电致发光现象(EL发光线)区别开来。

前者也就是今天使用的发光二极管的原理:当PN结正向偏置时,注入的少数载流子在界面附近与多数载流子复合并放出能量。在普通的二极管里,能量多以晶格振动(热能)的形式释放,而在发光二极管中载流子复合放出的能量部分以光子形式放出——电能转换成了光能。

常用的LED材料,如氮化镓(GaN)等,都是直接带隙半导体。它们的导带电子可以直接跃迁到价带与空穴复合,过程中只涉及电子-空穴对并放出一个光子。所以,它们的辐射效率很高,内部量子效率可以接近100%,也就是一次电子空穴对复合产生一个光子。硅、锗等间接带隙半导体在复合过程中有大量的非辐射复合,量子效率不高。

对于直接带隙半导体来说,发射光子的能量和半导体的禁带宽度直接相关。理论上氮化镓的禁带宽度为3.44 eV,出射光子的能量也是3.44 eV,相当于360nm左右波长的近紫外光,这是中村等人研究的氮化镓系半导体用于短波段可见光发光二极管的理论基础。

常用的蓝光LED里半导体材料的禁带宽度略小,出射光波长在460nm左右,实际工作压降稍大于半导体材料的禁带宽度,大约3.0~3.3V。作为对比,发出780nm红光的磷化铝铟镓(AlGaInP) LED一般只需要1.8~2.0V的供电电压,这是因为所用半导体材料的禁带宽度较窄的缘故。

这一特性对于应用来说,有利有弊。好处是直接获得光谱很窄的单色光源;光源的中心谱线可以通过能带工程调节;直接带隙半导体产生光子的效率很高,有利于提高整体光效;而坏处是,单一的LED无法得到多种波长的光线。

云顶游戏官网 2氮化镓系LED的颜色分布。

中村等人在日亚公司开发的成套氮化镓LED加工工艺,不仅获得了之前用其他材料难以获得的基于宽禁带材料的蓝色LED,同时也开启了一系列直接带隙半导体高亮度LED之门。通过包括掺杂在内的各种手段调节氮化镓系半导体材料的能带结构和禁带宽度,可以获取例如氮化铟镓(InGaN)的蓝/绿色高亮度LED,磷化铝铟镓的红/黄色高亮度LED,相比以前的LED,它们的光效都有革命性的提高。

第四章 OLED

-有机物半导体的分子轨道
HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)
LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)

  • 发光机理
    发光机理:在外界电压驱动下,由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合放出能量,并将能量传递给有机发光物质的分子,后者受到激发,从基态跃迁到激发态,当受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁产生了发光现象。(双注入型发光器件)

  • OLED 器件的结构
    1.单层器件
    2.双层器件
    3.三层器件
    4.多层器件

  • 制备
    1.表面处理
    2.薄膜制备
    真空热蒸镀、旋涂、喷墨打印

  • 掺杂

OLED的发光层,可以是有机发光材料单独形成的单一薄膜,也可以是将发光材料以一定比例掺入某种基质材料中形成的复合薄膜,后者的制备工艺称为掺杂

由于多数有机发光材料在高浓度时存在相互作用,会发生浓度淬灭的问题,从而导致器件的发光效率急剧下降,因此在制备OLED时,为了降低浓度淬灭的影响,常常将发光材料以低浓度的方式掺杂在有较高激子能量的基质材料中,利用能量传递实现受激的基质分子到发光材料分子的能量转移,最终实现发光材料的发光

要了解白光LED的进步空间,让我们首先补充一点LED的原理。

2. White light can be created in a new way——白灯之路

LED七色俱全,为何是蓝色而非其它光色的LED研究获此殊荣?这需要从色光的本质说起。

所有的光源,要想成为通用照明光源,都需要过人眼这一关。人眼最习惯的光照是太阳光,在比较其他照明光源时通常都以太阳光为比较对象,这也是测量光源显色指数的原理。从光谱图上可以看出不同时段太阳光在可见范围内基本是黑体辐射的连续谱,和此光谱越接近,人眼对颜色的感觉就越自然。

气体放电灯出现以后,由于光谱段很窄,显色性开始成为一个严重的问题。显色性差的例子之一是发黄光的钠灯,虽然看上去和色温低的白炽灯光色差距不大,但是由于钠灯没有红蓝光波段,红蓝衣服在钠灯下全成黑色,很不适合日常照明。这使得钠灯虽然光效早已突破200lm/W,但是始终派不上生活用场。

后来人们想了一招,光学中可以将任意色光分解成人眼敏感的三基色,如今可以反其道而行之,既然单一气体放电灯的光谱窄,那就多个不同光谱的灯拼在一起,合起来的效果就接近日光连续光谱了——这一思路的成果是三基色荧光粉水银放电灯,我们头上的日光灯管多数是这种。它们通过放电产生的紫外线激发红绿蓝三色荧光粉,3种基本色光组合,显色性接近阳光。以前的CRT显示器,也是基于三色荧光粉受电子流激发发光的原理。

说回LED,它起初面临的问题和气体放电灯一样,单一LED的发光波长很窄,这种单色的光源在多数场合并不适用。研究者参照荧光灯提出了多色LED组合与短波长的LED激发荧光粉等方案,它们理论上都可以获得白光和全色显示,但是它们都需要短波段,也就是蓝紫色端的LED。

不巧,在中村等人开发GaN材料之前,蓝光LED的研究又进展甚微,所以虽然LED发明很早,但是由于缺少蓝色色光,整个LED照明显示产业的瓶颈就卡在这里。在这段时间里,手机屏幕的背光都是单色的绿光,点阵显示屏最多红绿两色,有些地方应该还能见到这些历史的残留。

云顶游戏官网 3

单色背光的老手机。

中村等人发明的蓝光LED,补足了光谱上最后一块缺口,让基于LED的白光照明和全彩色显示成为可能,为之后出现的所有LED照明灯,LED背光液晶显示器,LED全色显示点阵铺平了道路。是蓝光LED让LED从红绿色的小指示灯和数码管显示走向真正意义上的通用光源,成为“a new light source” 这也是蓝色LED的研究特别被重视的原因。

第五章 白光LED

  • 人造白光的最佳化
    发光效率η= ηe·K
    外量子效率ηe
    光谱光视效率K

优化:
一是把内量子效率和取光效率最大化,从而获得最大的外量子效率
二是优化发光体的光谱功率分布,以获得最佳的光谱光视效率。

  • 白光LED的实现方式
  • 白光OLED的实现方式

LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物,如砷化镓、磷砷化镓等半导体制成,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”,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。

3. Energy efficient and environment-friendly——世界第一的光效

任何人造光源都有一个共通的光效上限,这一上限由能量守恒定律和人眼的光感曲线决定。当光源所有的能量都100%转换为555nm单色光时,视觉感受最明亮。此时的理想单色光光源流明效率为683lm/W。钠灯由于光谱线在589nm左右非常接近理想值,所以近百年前发明以后就以高光效著称,轻松达到200lm/W以上。但是相应的,人眼需要光谱两端的色光来辨识事物,这种黄绿色的理想单色光源使用价值也很低。说光效的时候,严谨而言应当在给定显色性和色温指标相同的情况下对比,这时候的可用光效上限显然要比理论值683lm/W低很多。

基于宽禁带半导体的蓝色LED发明之后,白光LED先后出现了两种形式。一种是结合了红,绿,蓝等多色LED,通过调节色光比例混合产生白光;第二种是蓝光LED 黄色荧光粉,结合蓝光和荧光粉激发出的宽频段黄光产生白光。前者的好处在于不仅可以发白光,还可以随心调节各种色光,常用于户外大型LED全色显示屏;后者的优点是接线简单成本低,没有不同LED光衰速率不一产生偏色的问题,常用于只需要白光的场合例如照明。

云顶游戏官网 4白光LED的两种设计方案。

虽然LED内部的量子效率可以很高,但是考虑到白光和显色性的需求,即使100%发光效率下能获得的光效也不可能达到理论上限,这要视具体的设计方案而定。2004年大野良宏(Yoshi Ohno)对白光LED的理论光效做了研究,三色LED方案达到了显色指数80,光效409lm/W,四色LED方案达到了显色指数97,光效361lm/W,而荧光粉方案光效最高可达370lm/W(显色指数86)。由于LED的发光波长和荧光粉的发光频谱都还有调节余地,这一结果并非最后的上限,在683lm/W的大限之下,日后出现更好的组合方案也是有可能的。

在理论光效的指引下,一方面按照理论结果在生产工艺中调节半导体能带和荧光粉光谱,一方面改进芯片结构和设计封装以充分利用直接带隙半导体接近100%的内部量子效率,这些年的LED光效飞速提高。目前量产的蓝光荧光粉方案LED最高光效达到了160lm/W。研究领域进展更快,2012年白光大功率LED光效达到254lm/W,成为光效最高的光源。2014年的最新报道中,实验室光效已经达到303lm/W的高水平。现在LED是未来最高效节能,也最富有前途的照明光源。

第六章 LED芯片制造与封装技术

  • 影响光取出效率的原因
  1. 电流分布不当以及光被材料本身吸收
  2. 光不易从高折射率的半导体传至低折射率的外围空气
  • 提高LED光取出效率的方法
  1. ITO透明电极
    使电流分布均匀
    增加可见光的透过率
  2. 表面粗化和表面纹理结构
    机理:将LED的表面进行粗化处理,形成不规则的凹凸,其粗糙尺度大约在出射光的半波长,当光射到这个不均匀媒体介质表面时,即使在角度大于临界角的情况下,光线也不一定被全反射,射到表面的光以一定概率以随机的角度散射出来,从而达到破坏、减少全反射的目的,提高了LED的取光效率。
  3. 光子晶体
    光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数的介质材料,在空间上以光波长量级做周期性排列形成的新型光学微结构。
    光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中介电常数的周期性变化能产生光子能带结构,并能在一定频率范围内形成光子带隙
  4. 透明衬底
  5. 倒装芯片
    改善:散热 出光
  6. 垂直结构芯片技术
    垂直结构就是上下电极结构,区别于两电极在同一面的结构,具有电流分布均匀,散热性能好等特点,是功率LED的首选。
  • LED 封装技术
  1. 引出正、负电极;
  2. 保护芯片不受外界环境的影响,以提高可靠性 ;
  3. 将芯片产生的热导出来,以降低芯片结温,提高LED性能 ;
  4. 光学控制,提高出光效率,按需实现特定的光强分布 ;
  5. 特殊产品的防静电措施

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激发三基色荧光粉合成白光。

4. 一层窗户纸——半导体蓝色激光器

LED发明之后,半导体激光器就只是一墙之隔了。在LED的基础上,利用与PN结垂直的晶体解理面可以获得天然的平行谐振腔,再利用PN结内的电子空穴复合作为电泵浦,获得受激发射光源并没有理论上的障碍。历史上砷化镓(GaAs)红光LED发明不久,砷化镓的受激发射就在1962年实现了。而在中村等人发明氮化镓蓝光LED几年后,蓝紫色半导体激光器也顺理成章地在日亚诞生了。

云顶游戏官网 5蓝色激光笔。

蓝紫色半导体激光器一出现,就被移植到许多原有的激光应用上。和其他波段的激光器相比,蓝紫色激光具有波长短,聚焦精确的特点,在光存储和光刻等用途上尤其有优势。和其他激光器对比,半导体固体激光器体积小、寿命长,易调制的优点,尤其适用于电路集成。两者结合的结果是催生了新一代的光存储产业,两种蓝光标准紧随日亚的蓝色激光二极管推出。如今索尼的BD标准已经成为DVD后公认的次世代光存储标准,存储容量比DVD提升一个数量级,用的就是日亚的405nm蓝色激光二极管。此外,半导体蓝色激光器还被应用光通讯,水下通信等方面。

解决之道

5. 双生兄弟——有机发光二极管

在蓝光LED获奖的同时,不得不提一下香港的邓青云教授。他是有机发光二极管(OLED)的发现者,因此获得了沃尔夫化学奖,今年物理学奖开奖之前,邓教授得化学奖的呼声也很高,但是考虑到物理学奖已经发给了蓝光氮化镓LED,OLED拿下化学奖的概率就不是很高了。

云顶游戏官网 6OLED可弯曲的显示屏。

OLED基于有机半导体薄膜发光,具有柔性,可折叠,大面积制造成本低等特点,作为显示器除了LED点阵显示器具备的自发光,广视角,高对比,高速度优点之外,还可以达成柔性超薄的大面积显示,因此在显示器方面很受重视,在消费电子中也有不少基于OLED的产品。但是OLED诞生以来也一直面临着很多问题,例如蓝光和红光OLED器件研制滞后,光效远低于高亮度LED,光衰和降解严重影响使用寿命等等。虽然这一技术在薄膜大面积显示上具有极为明显的优势,但OLED也还有很长的路要走。(编辑:Steed)

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。

云顶游戏官网,德国Osram公司将磷化铝铟镓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。

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