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LED照明技术的专业解读

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发光二极管(LEDs)的最新进展使得照明行业快速增长。目前,固态照明技术逐步渗透到不同细分市场,如汽车照明、室内及室外照明、医疗应用、以及生活用品。

LED装置是一个复杂的多组分系统,可根据特定需求调整性能特征。以下章节将讨论白光LED及其他应用。

LED的发展之路(Leading the way to LEDs)

无机材料中电致发光现象是LED发光的基础,HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年分别报道LED发光现象——电流通过使得碳化硅(SiC)晶体发光。这些结果引发了半导体及p-n结光电过程的进一步理论研究。

20世纪50、60年代,科学家开始研究Ge、Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光性能。Richard Haynes和William Shockley证明了p-n结中电子和空穴复合导致发光。随后,一系列半导体被研究,最终于1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响,1971年George Craford发明了橙光LEDs,1972年又相继发明了黄光和绿光LEDs(均由GaAsP组成)。

强烈的研究迅速使得在宽光谱范围内(从红外到黄色)发光的LEDs实现商业化,主要用于电话或控制面板的指示灯。实际上,这些LEDs的效率很低,电流密度有限,使得亮度很低,并不适于普通照明。

蓝光LEDs(Blue light from LEDs)

高效的蓝光LEDs的研发花费了30年的时间,因为当时没有可应用的足够质量的宽带隙半导体。1989年,第一个基于SiC材料体系的蓝光LEDs商品化,但由于SiC是间接带隙半导体,使得其效率很低。20世纪50年代末就已经考虑使用直接带隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展示了第一款发射绿光的GaN基LED。然而,制备高质量GaN单晶以及在这些材料中引入n-型和p-型掺杂的技术仍然有待开发。

20世纪70年代发展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技术对于高效蓝光LEDs的发展具有里程碑意义。1974年,日本科学家Isamu Akasaki开始采用这种方法生长GaN晶体,并与Hiroshi Aman合作于1986年通过MOVPE方法首次合成了高质量的器件级GaN。

另一个主要挑战是p-型掺杂GaN的可控合成。实际上,MOVPE过程中,Mg和Zn原子可进入这种材料的晶体结构中,但往往与氢结合,从而形成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其合作者观察到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜观察过后会发射更多的光。同样的方式,他们证明了电子束辐射对Mg原子的掺杂性能起到有益的作用。随后,Shuji Nakamura提出在热退火之后增加一个简单的后沉积步骤,分解Mg和Zn的复杂体,该方法可轻易实现GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。

应该指出的是,这些三元体系的能带可通过Al和In的成分进行调节,使得蓝光LEDs的设计增加了一个自由度,对于提高其效率具有重要的意义。事实上,目前这些器件的活性层通常由一系列交替的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端约束)组成。1994年,Nakamura及其合作者基于n-型和p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对称双异质结构设计,首次展示了具有2.7%外量子效率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1列举出了LEDs主要的性能指标定义)。该LED结构示意图示于图1a。这些结果对于如今应用的LED基照明技术而言是很关键的,也因此引发了照明行业的革命。2014年底,诺贝尔物理学奖授予Akasaki、Amano和Nakamura,表彰他们“发明用于照明以及白光源节能的高效蓝光LED”

LED性能指标

量子效率Quantum efficiency:材料内量子效率(IQE)为辐射的电子-空穴复合(即产生光子)数量与复合总量(辐射与非辐射)的比值。该指标决定了半导体材料发光效率。半导体LED性能通常使用外量子效率(EQE)表示,即IQE与提取效率的乘积。提取效率特指产生的光子中逃离LED的部分。EQE取决于直接影响IQE的半导体层缺陷和影响提取效率的器件构造。

发光效率(Luminous efficacy):发光效率表示光源发射可见光辐射的效率,单位一般为lm W?1。光源以单色绿光(频率为450x1012 Hz,对应波长约为555 nm,人类眼睛最敏感的光,图2b为相应的眼睛灵敏度曲线)转换100%电能,其最大发光效率达到683 lm W?1。照明用的白光源通常要求有比全部可见光波段更宽的发射光谱,因此其发光效率明显低于其最大值。电能转换成眼睛灵敏度曲线以外的辐射,无法用于照明,本应尽可能减小这类辐射。

相关色温(Correlated colour temperature):用于比较不同照明技术的参比光源是处于热平衡的黑体辐射。根据普朗克辐射定律(Planck's law of radiation),黑体白炽灯的发射光谱取决于它的温度,相应于不同温度下辐射的色点用CIE图表示,即称之为普朗克轨迹(Planckian locus)的黑点曲线(图2f、h)。沿着普朗克轨迹的不同位置,白光的相关色温(CCT)大致可分为“暖白”(2,500-3,500 K)、“自然白”(3,500–4,500 K)、“冷白”(4,500–5,500 K)以及日光(5,500–7,500 K)。

显色指数(Colour rendering index):显色指数(CRI)是一个无量纲的指标,描述白光源以一种相对于人类视觉感知而言准确且舒适的方式显色的能力,同时考虑参比光源(相同CCT下,黑体辐射在CCT<6,000 K或者自然光CCT>6,000 K条件下进行测试)。CRI通常被定义为8个测试颜色样本(R1-R8)的显色平均值,额定范围在0到100之间。对于高CRI采用额外的R9值,表示深红色。CRI=100意味着由测试光源发光的所有颜色样本都与参比光源发光的相同样本具有相同的颜色。

图1. 蓝光InGaN LED芯片的设计

a.第一个蓝光InGaN/AlGaN LED示意图。

b.具有倒置结构以及无接触前表面的倒装LED芯片示意图。两个接触点被焊接在靠近LED的基板上。

c.最高水准的薄膜型倒装LED示意图及LED器件的俯视图。这三种示意图的有效层简化表示了双异质结构、单或多量子阱结构InGaN/AlGaN。

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