高亮度LED照明領(lǐng)域上的發(fā)展趨勢

其中普及率最明顯的就是白光LED， 90年代末期在環(huán)保節(jié)能的背景下更被市場所期望著，同時(shí)也刺激了業(yè)者迅速研發(fā)相關(guān)的技術(shù)。就目前而言，白光LED主要的應(yīng)用包括了手機(jī)液晶背光照明和車用內(nèi)裝照明，單單是這些市場就已經(jīng)占了LED整體銷售量的25％左右。

另一方面關(guān)于照明應(yīng)用的部份，則處于剛起步的境界。一般建筑物的照明，往往占了整個(gè)消耗電力的20％，在日本，90年代已經(jīng)超過每年1,000億kWh。所以對于新一代節(jié)能型光源的期望相當(dāng)大，但遺憾的是到目前為止，白光LED還只能夠使用在相當(dāng)小的范圍。因?yàn)橄?mm的小型白光LED，無法像電燈泡或者螢光燈那樣，只用一個(gè)就能得到使用環(huán)境所需的光量。因此如果希望LED能夠跨足到建筑照明，在整體技術(shù)上則需要更大的突破才行。

高亮度白光LED基本結(jié)構(gòu)

白光LED基本上有兩種方式。一種是多芯片型，一種是單芯片型。前者是將紅綠藍(lán)三種LED封裝在一起，同時(shí)使其發(fā)光而產(chǎn)生白光，后者是把藍(lán)光或者紫光、紫外光的LED作為光源，在配合使用螢光粉發(fā)出白光。前者的方式，必須將各種LED的特性組合起來，驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜，后者單芯片型的話，LED只有1種，電路設(shè)計(jì)比較容易。單芯片型進(jìn)一步分成兩類，一類是發(fā)光源使用藍(lán)光LED，另一類是使用近紫外和紫外光?，F(xiàn)在，市場上的白光LED大多數(shù)是藍(lán)光LED配合YAG螢光粉。

在過去，只有藍(lán)光LED使用GaN做為基板材料，但是現(xiàn)在從綠光領(lǐng)域到近紫外光領(lǐng)用的LED，也都開始使用GaN化合物做為材料了。并且伴隨著白光LED應(yīng)用的擴(kuò)大，市場對其效能的期待也逐漸增加。從單純的角度來看，高效率的追求一直都是被市場與業(yè)者所期待的。但是另一方面，演色也將會是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，如果只是做為顯示用途的話，發(fā)光色為白色可能就已經(jīng)足夠了，但是從照明的用途來說，為了達(dá)到更高效率，如何實(shí)現(xiàn)與自然光接近的顏色就顯得非常必要了。

GaN作為高亮度LED基材　逐漸普及

在技術(shù)發(fā)展的初期，全球只有23家業(yè)者發(fā)展及生產(chǎn)GaN LED，但是到今天為止生產(chǎn)業(yè)者的數(shù)量已經(jīng)接近10家企業(yè)，因此在市場上也展開了激烈的競爭。與初期相比較之下，盡管今天已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍性的亮度提升，但是技術(shù)上即將面臨更困難的門檻，所以現(xiàn)在不管是學(xué)術(shù)界，還是企業(yè)界都在集中精力進(jìn)行技術(shù)和研究研發(fā)。以目前GaN LED整體的研發(fā)方向來看，大概分為，大電流化、短波長化，以及高效率化等等的發(fā)展方向。

圖說：至今生產(chǎn)GaN LED的業(yè)者數(shù)量已接近10家。（資料來源：NICHIA）

近年來，業(yè)者對于只需一顆就可達(dá)到相當(dāng)亮度的LED研發(fā)相當(dāng)積極，因此在這一方面的技術(shù)也就落在如何讓LED能夠支持更大的電流。通常30u㎡的LED最大可以驅(qū)動(dòng)30mA的電流，但是這樣的結(jié)果還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場的期望，所以目標(biāo)是需要將10倍以上的電流，導(dǎo)通到LED元件中。因此當(dāng)LED的面積尺寸可以擴(kuò)充到1m㎡時(shí)，那么緊接下來的工作便是如何讓電流值能夠達(dá)到350500mA，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓是3V多，所以就可以有1W的電力能被流進(jìn)1m㎡的芯片面積。

而在發(fā)光演色的方面，雖然有這么大的功率輸入到GaN LED中，但是所投入電力的四分之三都無法轉(zhuǎn)換成光而形成熱量，因此LED就會出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，這也會直接影響到LED的演色結(jié)果。因?yàn)長ED元件的基本特性是，如果溫度上升，發(fā)光效率就會下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的釋放大量產(chǎn)生熱量的放熱技術(shù)成為了關(guān)鍵，因此將LED裝在熱傳導(dǎo)率大、熱容量大的材料上就成了相當(dāng)重要的問題，以目前來說大多是使用有價(jià)金屬或者陶瓷。

短波長帶來勵(lì)起光的高能量化　提升螢光粉的發(fā)光效率

從藍(lán)光開始的GaN LED，目前已經(jīng)成功研發(fā)了高輝度綠光LED，開始雖然也有長波長化的研發(fā)趨勢，但是因?yàn)镮nN的混晶比提高而導(dǎo)致的結(jié)晶性惡化，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸被業(yè)界放棄了。另一方面，為了諸如成為雷射代用品等的新型應(yīng)用研發(fā)也開始被考量，所以目前業(yè)界對于短波長的研發(fā)正在積極進(jìn)行。最近日本一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地研發(fā)出250nm的LED，不過實(shí)用性還是有待思考，因?yàn)槿搜蹖τ诓ㄩL的接受度約為380nm，所以波長如果比380nm更短時(shí)，是無法生產(chǎn)出可視域內(nèi)的LED，或者會產(chǎn)生低輸出的情況。

為了避免遇到前述的問題，目前大多都采用以下的解決方法：

1.變更發(fā)光層結(jié)構(gòu)：不在可視域LED的芯片上采用的GaInN結(jié)構(gòu)，而是采用Eg更大的AlGaN或者AlGaInN。

2.回避光吸收損失：在LED的芯片結(jié)構(gòu)中存在GaN或者GaInM層的話，會因?yàn)樽陨韺⒐馕斩鵁o法將光散發(fā)出去，所以利用AlGaN層為基礎(chǔ)，來構(gòu)成出全體結(jié)構(gòu)層會有比較好的成果，或者利用GaN作為重要的n型底層。

3.減少結(jié)晶缺陷的：短波長LED中結(jié)晶缺陷的密度會對光輸出和壽命早成很大的影響。

如果能夠?qū)⑸鲜龅娜齻€(gè)課題順利的解決，相信利用LED作為一般照明的實(shí)用距離又能大幅度的縮短。以目前來說，GaN白光LED的效率已經(jīng)可以超過了白熱電燈泡和鹵素?zé)簦?525lm/W），但是為了能夠超過擁有壓倒性光亮輸出相大的日光燈（5080lm/W以上），就需要更大幅的效率提高和光量的飛躍性增加。為了能達(dá)到與日光燈相同的光源特性，利用螢光粉發(fā)光的混色形成的白光化技術(shù)，就成為關(guān)鍵的因素。如果充分利用LED的效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)短波長化的話，利用勵(lì)起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會大幅攀升。

圖說：如果充分利用LED的效率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)短波長化的話，利用勵(lì)起光的高能量化，相信螢光粉的發(fā)光效率也會大幅攀升。（資料來源：NICHIA）

在長晶面得到均一的質(zhì)量才是關(guān)鍵

所謂的內(nèi)部發(fā)光效率是指電子變換成內(nèi)光的比例。可以說是LED中心部份的發(fā)光效率。但是往往因?yàn)榻Y(jié)晶缺陷的因素，嚴(yán)重的影響了LED的發(fā)光效率。當(dāng)GaN長晶時(shí)，因?yàn)槭褂迷诨迳系乃{(lán)寶石基板和GaN單結(jié)晶件的格子定數(shù)差、熱膨脹系數(shù)的差距，使得長晶方向出現(xiàn)了非常高密度的遷移缺陷。

一般來說所產(chǎn)生的密度是在109c㎡以上，這樣的密度如果是出現(xiàn)在短波長LED和雷射二極管