半導體照明技術的基本原理

　　半導體照明被看作是第三代照明裝置，可用于大屏幕彩顯，特種照明，交通信號，多媒體顯示LCD背光源，光通訊等領域。由于是冷光源，半導體照明不僅自身對環(huán)境沒有任何污染，而且與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電效率可以達到90%以上。

　　半導體技術在業(yè)內(nèi)又被稱為LED 照明技術，主要包括了LED芯技術、LED 封裝技術和LED 應用技術最近幾年來，LED芯片技術在各國家的扶持下飛速發(fā)展，LED 芯片的尺寸越來越大，功率越來越大，單顆LED芯片的功率可以做大3W的LED佳裝技術的發(fā)展使得封裝產(chǎn)品的尺寸、形狀、功能不斷得到發(fā)展完善。為LED 應用技術的設計和制造提供了廣闊空間，同時凸顯了LED 照明技術多樣性、靈活性、復雜性和廣泛性。

　　美國、日本、韓國等國家和地區(qū)，近年來相繼推出半導體照明計劃，投入巨資進行研發(fā)。世界三大照明廠商——通用電氣、飛利浦、奧斯拉姆都已相繼與半導體公司合作，成立半導體照明公司。在美國能源部、美國光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會等幾家單位的發(fā)起下，美國桑迪亞國家實驗室從2001年3月開始起草美國半導體照明技術發(fā)展藍圖（2002—2020），旨在為下一代照明規(guī)劃提供技術論證。

　　與此同時，日本也大力發(fā)展半導體照明技術，其中典型的是“日本21世紀照明計劃”，該計劃是由日本金屬研發(fā)中心（The Japan Research andDevelopment Center ofMetals）和新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）發(fā)起和組織的為期5年的1個國家計劃。這項計劃的參與機構包括4所大學、13家公司和1個協(xié)會，目標旨在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍光和紫外LED技術，使得照明的能量效率提高為傳統(tǒng)熒光燈的兩倍（即降低傳統(tǒng)照明的能量消耗），減少CO2的產(chǎn)生。整個計劃的財砬予幣笪為60億日元。

　　當今最為熱門的是InGaN、AlGaN、GaN 等Ⅲ族氮化物發(fā)光二極管的應用研究，該類管發(fā)射出的藍綠光、藍光、紫外光既可與紅光、綠光發(fā)光二極管合成為白光，也可直接用來激發(fā)熒光粉發(fā)射出白光。因此，氮化物發(fā)光二極管是白光光源的首選。它們將會取代白熾燈、熒光燈等光源而成為未來白光照明的主流。因而氮化物發(fā)光二極管已成為半導體光電子器件中的一代新產(chǎn)品，必將在未來的節(jié)能照明中發(fā)揮不可替代的重要作用。

　　與此同時，LED 器件的發(fā)光效率以每10 年約增長10 倍的速度不斷提高。尤其是20 世紀90 年代初出現(xiàn)的GaN藍綠光LED，發(fā)展尤為迅速，10 年間發(fā)光效率增長了100 倍。也正是由于GaN 基藍綠光LED 器件的出現(xiàn)，彌補了LED 器件在短波長方面的缺憾，不僅實現(xiàn)了LED 全彩顯示，而且也使LED 白光照明成為可能。隨著材料生長及制作技術的迅猛發(fā)展，LED 器件也從早期的指示型（典型注入電流20 mA）發(fā)展到功率型（目前典型注入電流350 mA），應用領域也從狀態(tài)表征擴展到夜景裝飾、交通信號指示、汽車照明、大屏幕全彩顯示等。

　　而以GaN 基功率型藍光LED 為核心的半導體照明光源，被認為是繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源，成為國內(nèi)外光電子領域的研究熱點。與傳統(tǒng)光源相比，全固態(tài)工作的半導體照明光源原理上具有發(fā)光效率高、壽命長、體積小、響應速度快、耐振抗沖擊、綠色環(huán)保、使用安全等潛在優(yōu)勢，有廣泛的應用前景。

　　半導體發(fā)光二極管是半導體照明的核心，其發(fā)光原理如圖1 所示，在p-n 結(jié)正向偏置條件下，通過注入到器件有源區(qū)的電子空穴對自發(fā)輻射復合，將電能轉(zhuǎn)化為光能。從20 世紀50 年代發(fā)展至今，LED 的發(fā)光波長從紅外擴展到了可見光、紫外波段。LED 器件的發(fā)光波長由材料的帶隙能量決定，氮化鎵基LED 材料屬于直接帶隙半導體材料，包括氮化鋁（AIN）、氮化銦（InN）、氮化鎵（GaN）及其合金，帶隙能量涵蓋了可見光、紫外和深紫外波段。

　　圖1 LED 工作原理示意圖

　　1）基于三基色原理，利用紅、綠、藍三基色LED 合成白光，如圖2（a）所示；

　　2）利用紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉，由熒光粉發(fā)出的光合成白光，如圖2（b）所示；

　　3）采用藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉，實現(xiàn)二元混色白光，如圖2（c）所示。

　　圖2 實現(xiàn)白光固態(tài)照明的3 種方式

　?。╝）三基色LED 合成白光；

　?。╞）紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉實現(xiàn)白光；

　?。╟）藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉實現(xiàn)二元混合白光

　　利用三基色LED 混合白光，不僅可實現(xiàn)理想的白光光譜，而且光源顏色可調(diào)，但對三基色LED 的性能要求嚴格，其驅(qū)動電路等外圍系統(tǒng)也相應復雜，因此，其性價比偏高，但適用于對顏色要求較高的場合。利用紫外LED 激發(fā)三基色熒光粉實現(xiàn)白光的技術，目前尚缺乏大功率紫外LED 以及高效率、高可靠性的紫外熒光粉，因此尚不具備實用性。而利用藍光LED 激發(fā)熒光粉的方案，具有成熟的熒光粉和高效、高可靠性的藍光光源，盡管顯色指數(shù)上略顯不足，但該方案具有最高的流明效率，是目前普遍采用的技術。以下討論中如不作特殊說明，半導體照明指的都是以藍光LED 激發(fā)黃光熒光粉的技術途徑。