了得網工業技術_白光LED照明技術

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由田民波、朱焰焰主編的《白光LED照明技術》內容包括白光LED發光原理、白光LED照明的研發與展望、白光LED照明的種類及其特征、白光LED照明的關鍵技術、外延基板與封裝基板、白光IED照明的顏色與色彩評價技術、白光LED照明的應用開發、白光LED照明的技術革新、經營戰略與國際標準等。

內容簡介

白色發光二極管（LED）於1996年問世，當初主要在小型光源及手機背光源等領域使用。開始出現的白光，是由藍光LED發出的藍光與靠藍光激發YAG熒光體發出的黃光混色而得的擬似白光。此後，隨著LED發光波長的多樣化、高輸出化以及藍光乃至近紫外光激發的高輝度、高效率發光的新型熒光體的開發，白光LED在最近幾年間正向著替代白熾燈泡及熒光燈的方向，作為下一代光源而急速進展。目前，面向一般家庭照明用的白光LED光源已有市售。
目前國內正在推廣的節能型燈泡式熒光燈，在今後會逐漸被白光LED所替代，這聽起來似乎令人不可思議。當然，在LED及熒光體的高性能化、低價格化、生態學及人們觀念改變等方面，還有大量問題需要解決。白色LED作為下一代光源的動向，正成為全世界關注的焦點。
白光LED照明技術內容包括白光LED發光原理、白光LED照明的研發與展望、白光LED照明的種類及其特征、白光LED照明的關鍵技術、外延基板與封裝基板、白光LED照明的顏色與色彩評價技術、白光LED照明的應用開發、白光LED照明的技術革新、經營戰略與國際標準等。
白光LED照明技術可作為相關專業本科生及研究生用教材，特別適合產業界的技術人員閱讀。

前言
第1章白光LED發光原理
1.1 LED及相關材料
1.1.1 LED的發光原理
1.1.2 LED相關材料
1.2 LED的基本知識
1.2.1 LED的基本結構和基本方程
1.2.2 內部量子效率
1.2.3 光取出效率
1.2.4 配光特性
1.2.5 工作電壓
1.2.6 發光光譜
1.2.7 熱設計
1.3 藍光LED實現白光LED照明的起點與關鍵前言
第1章白光LED發光原理
1.1 LED及相關材料
1.1.1 LED的發光原理
1.1.2 LED相關材料
1.2 LED的基本知識
1.2.1 LED的基本結構和基本方程
1.2.2 內部量子效率
1.2.3 光取出效率
1.2.4 配光特性
1.2.5 工作電壓
1.2.6 發光光譜
1.2.7 熱設計
1.3 藍光LED實現白光LED照明的起點與關鍵
1.3.1 LED早期發展簡介
1.3.2 藍光LED的發展
1.3.3 藍光件結構
1.3.4 制作藍光件關鍵技術
第2章白光LED照明的研發與展望
2.1 利用LED照明技術的研發
2.2 白光LED照明特征與最新技術
2.2.1 白光LED的種類與特征
2.2.2 構造與配光特性及發光效率
2.2.3 最新技術動態與節能照明技術
2.2.4 色調可變的白光LED照明光源
2.3 應用產品與市場動態及技術發展預測
第3章白光LED照明的種類及其特征
3.1 以藍光LED為基礎的白光LED
3.1.1 以藍光LED為激發源的白光LED發光原理與構造
3.1.2 白光LED的效率
3.1.3 照明用高光通量白光LED的開發
3.1.4 白光LED顯色性的改善
3.1.5 正在普及的半導體固體照明
3.2 以近紫外LED為基礎的白光LED
3.2.1 近紫外激發熒光體變換型白光LED研發與光品質
3.2.2 近紫外激發白光LED的特征與其他方式的比較
3.2.3 近紫外LED及近紫外激發的白光LED所需要的材料特性
3.2.4 近紫外激發白光LED的發光效率和損失
3.2.5 高顯色性近紫外激發白光LED的現狀
3.2.6 高附加值光源
第4章白光LED照明的關鍵技術
4.1 熒光體
4.1.1 從熒光體看白光LED的歷史
4.1.2 白色LED的構成及特征
4.1.3 白光LED照明用熒光體的性能
4.1.4 對應於藍光激發的白光LED用熒光體
4.1.5 對應於紫外或近紫外激發的白光LED用熒光體
4.2 LED材料
4.2.1 作為LED材料的熒光體
4.2.2 灌封用樹脂材料
4.3 內部量子效率的評價方法
4.3.1 LED的效率
4.3.2 內部量子效率的導出法
4.3.3 內部量子效率導出方法的檢測實驗
4.4 封裝材料與封裝技術
4.4.1 炮彈型LED
4.4.2 炮彈型LED的封裝材料
4.4.3 炮彈型LED的封裝技術
4.4.4 表面安裝(SMD)型LED
4.4.5 SMD型L件構造
4.4.6 SMD型LED的封裝技術
4.5 多晶片白光LED的種類及其特征
4.5.1 LED的發展與多晶片LED
4.5.2 多晶片方式與單晶片方式的比較
4.5.3 多晶片LED的構造及特征
4.5.4 多晶片LED的應用現狀
4.5.5 多晶片LED的發展前景
第5章外延基板與封裝基板
5.1 外延基板
5.1.1 各種外延基板材料
5.1.2 基板材料開發的變遷
5.1.3 藍寶石單晶
5.1.4 GaN基板
5.1.5 SiC基板和AIN基板
5.1.6 氧化鎵基板
5.2 封裝基板
5.2.1 大功率LED封裝工藝進展
5.2.2 新型大功率LED封裝離不開封裝基板
5.2.3 高熱導基板的分類和特點
5.2.4 熱傳輸的數學物理模型
5.2.5 高熱導聚合物基復合材料基板
5.2.6 金屬基板(IMS)
5.2.7 陶瓷基板(ceramic substrate)
5.2.8 陶瓷直接覆銅板(DBC)
5.2.9 其他類型的散熱基板
第6章白光LED照明的顏色與色彩評價技術
6.1 顯色性評價的基礎
6.1.1 顯色性與評價方法
6.1.2 顯色性評價方法的變遷
6.1.3 CIE/JIS顯色性評價方法
6.2 顯色、色彩評價的研發與白光LED顯色應用
6.2.1 顯色評價數及其存在的問題
6.2.2 色彩
6.2.3 條件等色(metameism,條件配色同色異譜)
6.2.4 利用CIELAB對白光LED的評價
6.2.5 可變色RGBCYM白光LED
6.3 小結
第7章白光LED照明的應用開發
7.1 光源特征及設計方面的課題
7.1.1 關注外形的設計
7.1.2 關注照度的設計
7.1.3 關注光流量的設計
7.1.4 關注壽命的設計
7.1.5 關注效率的設計
7.1.6 關注顯色性的設計
7.2 技術課題
7.2.1 導熱及散熱技術
7.2.2 壽命預測技術
7.2.3 如何減低色偏差與非均勻性
7.2.4 如何減低眩光(glare)
7.3 LED照明器件的開發趨勢
7.3.1 LED器件的應用實例
7.3.2 白光LED從晶片到照明器具的工藝過程和主要的技術課題
7.3.3 220~280nm帶域AlGaN繫深紫外LED的應用領域
7.3.4 LED照明器件的價格
7.4 小結
第8章白光LED照明的技術革新、經營戰略與國際標準
8.1 技術革新與國際競爭力
8.2 白光LED光源與傳統光源的比較
8.3 新市場開拓與企業的經營模式
8.3.1 藍光激發白光LED
8.3.2 近紫外激發白光LED
8.3.3 市場的變化
8.4 如何應對國際標準化
8.4.1 標準化簡介
8.4.2 各國應對國際標準化的方針
8.5 小結
結束語
參考文獻
索引

在線試讀

發光二極管（light emitting diode， LED）是近幾年迅速崛起的半導體固件，與傳統的白熾燈泡、熒光燈等比較，具有小型、設計緊湊耐振動性好，簡約、堅固穩定性好，發熱少而壽命長，亮度高、發光響應速度快，工作電壓低、驅動電源非常簡單等優點，隨著LED 效率提高，其產量快速增加，擴展迅速。

作為全書的起點，本章首先針對LED 的基本知識、藍光LED 與白光LED 的發光原理作簡要介紹。

1.1LED 及相關材料

1.1.1LED 的發光原理

L件是在由電子傳導的n 型半導體和由空穴傳導的p 型半導體所構成的pn 結上施加順向偏壓，由於注入少數載流子而發生復合所引起發光（自然發射件。LED 的結構如圖1.1 所示，核心部位是一個pn 結。但如何在發光層附近高效率地復合發光，發何種波長的光，以及如何提高光的射出效率等，需要各種各樣的技術方法。

設從n 型區向p 型區注入電子。在n 型區，電子是多數載流子；而在p 型區，電子是少數載流子。流入p 型區的電子，即較之熱平衡狀態過剩的電子，與作為多數載流子的空穴發生復合而消失。同時如圖1.2 （b）所示，有可能放出光子，而光子所帶的能量與帶隙能量相等。少數載流子空穴發生的過程與上述電子發生的過程相反。由於pn 結上施加順向偏壓時，流過的電流是因少數載流子引起，因此，LED 的光輸出大致與電流成正比。
pn 結是由p 型半導體和n 型半導體的結合面（結面）構成，有同質結和異質結之分。前者是由同種半導體，後者是由異種半導體結合而成。在異質結中，利用p 型區和n 型區的帶隙能不同，可形成較高能壘，就可保證基本上不引起載流子注入。即通過采用異質結，可以對注入載流子進行控制。該載流子控制技術一直是LED 開發的重要課題。發光二極管（light emitting diode， LED）是近幾年迅速崛起的半導體固件，與傳統的白熾燈泡、熒光燈等比較，具有小型、設計緊湊耐振動性好，簡約、堅固穩定性好，發熱少而壽命長，亮度高、發光響應速度快，工作電壓低、驅動電源非常簡單等優點，隨著LED 效率提高，其產量快速增加，擴展迅速。

作為全書的起點，本章首先針對LED 的基本知識、藍光LED 與白光LED 的發光原理作簡要介紹。

1.1LED 及相關材料

1.1.1LED 的發光原理

L件是在由電子傳導的n 型半導體和由空穴傳導的p 型半導體所構成的pn 結上施加順向偏壓，由於注入少數載流子而發生復合所引起發光（自然發射件。LED 的結構如圖1.1 所示，核心部位是一個pn 結。但如何在發光層附近高效率地復合發光，發何種波長的光，以及如何提高光的射出效率等，需要各種各樣的技術方法。

設從n 型區向p 型區注入電子。在n 型區，電子是多數載流子；而在p 型區，電子是少數載流子。流入p 型區的電子，即較之熱平衡狀態過剩的電子，與作為多數載流子的空穴發生復合而消失。同時如圖1.2 （b）所示，有可能放出光子，而光子所帶的能量與帶隙能量相等。少數載流子空穴發生的過程與上述電子發生的過程相反。由於pn 結上施加順向偏壓時，流過的電流是因少數載流子引起，因此，LED 的光輸出大致與電流成正比。
pn 結是由p 型半導體和n 型半導體的結合面（結面）構成，有同質結和異質結之分。前者是由同種半導體，後者是由異種半導體結合而成。在異質結中，利用p 型區和n 型區的帶隙能不同，可形成較高能壘，就可保證基本上不引起載流子注入。即通過采用異質結，可以對注入載流子進行控制。該載流子控制技術一直是LED 開發的重要課題。

為提高LED 的亮度和發光效率，近年來LED 的開發幾乎都是采用雙異質結結構。以下以GaAs 繫LED 作實例說明。
對於中間的阱層來說，自左側來的n-GaAlAs 電子注入會在其中存留電子，自右側來的p-GaAlAs 空穴注入會在其中存留空穴，這樣，阱層中既會有電子又會有空穴的存留，從而這些電子和空穴容易在阱中發生復合。表1.1 給出已實用化的三色高效率LED 的基本材料和結構。其中紅色的發光層使用的是GaInP，綠色和藍色發光層都使用的是GaInN 。雖然綠色和藍色發光層使用的是同一材料繫， In 的含量不同； In 含量越高，能帶間隙則越寬。

1.1.2LED 相關材料

1.發光材料

LED 中使用的材料都是化合物半導體。化合物半導體中有Ⅲ-Ⅴ族的GaAs 、GaP 、GaAsP 、GaAlAs 、AlInGaP 、GaN 及Ⅱ-Ⅵ族的ZnS 、ZnSe 、ZnCdSe， Ⅳ-Ⅳ族的SiC 等多種。目前可達到實用化水準且有市場供應的LED 隻采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體。可見光LED 多數是由GaAs 、GaP 、GaN 繫化合物及其混晶半導體制成，其產品有高發光效率的紅、橙、棕、綠、藍及近紫外LED 等。

LED 發光的顏色由發光層晶體的種類、組成即LED 的結構決定。根據式（1.1），發光波長λ與能隙寬度Eg 相對應。表1.2 彙總了用於LED 的代表性化合物半導體發光材料和其相對應的發光色。其中混晶半導體AlInGaP 的發光效率可達到100lm／W 以上，而且InAlGaN 繫發光效率也獲得明顯改善，在過去的十年中提高了兩個數量級以上。采用InGaN 的藍光、綠光LED 也達到商品化，並使得白光及全色顯示成為可能。

近年來， InAlGaN 繫在短波長化方面得到飛躍性進展，使得發光波長300nm 件都可以制造。為實現InAlGaN 繫的短波長化，需要增加Al 的組成比，這樣會形成p 型電導，造成發光效率下降，難以獲得特性件。一般采用寬禁帶半導體必須面對的問題是如何生長優質的化合物單晶體、如何控制半導體的導電類型等。

限制比綠光區域波長更長件性能的原因是：一般認為是氮化物半導體內部發生的壓電電場（Piezo）以及自發極化電場。作為解決這一問題的方法，可借由選擇晶體的生長面，按人的意願控制所發生的電場，這種方法近年來受到廣泛關注。

氮化物半導體外延膜的生長面多為c 面，借由c 軸的傾斜，可使生長方向上發生的極化電場的影響減小。極化電場為零的面為非極性面，除此以外的面為半極性面。采用非極性面、半極性面氮化物半導體，可以獲得過去利用c 面難以實現的不存在壓電電場影響的發光層，並且作為單晶生長的面可發揮更大效能。

2.外延基板材料

大多數以LED 為主的件，不是由塊體單晶，而是由單晶薄膜制作的。為了提高發光特性及對發光波長進行控制，必須采用將多層不同種類薄膜相互重疊的結構。為此，隻能借由將單晶薄膜置入基板單晶上的技術獲得。

基板單晶對薄膜單晶的品質與方向位置等許多物性都會產生影響，選擇適合的基板單晶對於薄膜單晶的生長至關重要。理想的基板單晶應該是由與希望得到的薄膜單晶為同一種材料做出的。例如，若制作GaAs 的薄膜，由GaAs 塊體單晶作基板是最為理想的。這種薄膜與基板雙方為相同物質的單晶薄膜生長方式被稱為同質外延（homo-epitaxial ）。通常，半導體的薄膜生長大部分是由同質外延進行的，這是因為像GaAs 及InP 這類化合物半導體的塊體單晶可以由溶液生長（液相外延）。

而藍光、白光LED 中所用GaN 的情況則有很大不同。GaN 在常壓下不能獲得溶液，而且蒸氣壓極高，采用傳統的溶液生長法不能得到塊體單晶，因此這種單晶的生長是極為困難的。為此，在GaN 薄膜的外延生長中，要采用與之為不同物質的藍寶石（Al2 O3 單晶）作基板，目前已達到實用化。這種外延薄膜與所用基板為不同物質的薄膜生長被稱為異質外延（hetero-epitaxial ）。

藍寶石與GaN 間點陣常數差異很大，按以往的常識，藍寶石非最適用的基板。因此，人們對多種單晶作為GaN 外延薄膜的基板做了大量試驗，但到目前為止，對於藍光、白光LED 來說，藍寶石基板已穩居不可替代的位置。這大概是由於藍寶石具有以下優點所致：可以生長大尺寸單晶，價格有可能降低，對於GaN 薄膜的生長工藝來說藍寶石十分穩定等。

盡管在藍光、白光LED 的應用方面，以藍寶石基板作為主流，但針對未來高輝度、短波長為目標的研究，同時也對其他基板的應用進行了探索。在這種背景下，經過研究者的努力，據說也成功制作出GaN 及SiC 、AlN 等材料的塊體單晶。GaN 作為LD 用基板已開始在市場上流通，但作為高輝度LED 用基板，在價格方面仍不能被用戶接受，目前仍在研究之中。SiC 可以獲得高品質單晶，其中導電性的SiC 作為正、反面引出電極的L件來說具有得天獨厚的優勢，但是在與藍寶石的價格競爭方面卻略遜一籌。

針對比GaN 發光更短波長的紫外區域，人們也在抓緊研究AlN 基板單晶。與GaN 不同， AlN 有可能借由升華的方法制取，因此升華法是生長AlN 單晶的主要方法。對於AlN 單晶的開發，歐美比日本更是先行一步，目前已有直徑1 英寸及2 英寸的樣品問世，但是未能真正做到結晶性和特性兼優的產品。也有人對AlN 基板的實用性產生疑問，由於單晶生長相繼遇到困難，使得一時期內研究人員減少，研究機構撤消，但最近又開始重新組織隊伍，據報道，有人已獲得相當大尺寸的AlN 自立單晶。

氧化鎵（β-Ga2 O3）被認為最新嶄露頭角的基板材料。由於它兼具大的能帶間隙（Eg ＝4.8eV）和導電性，特別是可以生長出大尺寸單晶，由其直接封裝的LED 也可獲得藍色發光。

3.熒光體材料

對於白光LED 來說，為了獲得真正的白光，一般采用表1.3所示的三種方法：

①用紫外光LED 激發紅、綠、藍三種熒光體； ② 用藍光LED 激發綠、紅兩種熒光體； ③ 用藍光LED 激發黃光熒光體。而目前已實用化的白光LED 幾乎都采用由藍光LED 與黃光熒光體相組合來實現白光，但無論哪種方法，為構成白光LED，高效率發光的熒光體是必不可少的。

氧化物的代表是YAG 熒光體，它可以有效吸收460nm 附近的LED 藍光，受其激發而發出黃光。YAG 熒光體可表示為（ YaGd1-a ）3（ Alb Ga1-b ）5 O12 ∶Ce 。在作為YAG 激光器所使用的Y3 Al5 O12 單晶的Y、Al 的各位置，分別用Gd 、Ga 作部分置換，而作為發光中心，添素Ce 。YAG∶Ce3+ 繫熒光體因其發光效率高及材料自身的高穩定性而多為采用，但存在高溫下發光效率降低等嚴重問題。而且YAG 與Ce3+ 繫的發光色，因紅色成分不足而顯示出帶綠的黃色，而且在藍光激發的情況下，還存在白光的色溫度高等問題，因此用途受到限制。

氮化物繫的特征是，除硫化物繫以外，可以說是唯一的由藍色激發而實現紅色發光的熒光體。由於氮的存在，其共價鍵性增大，致使Eu 等發光中心的發光向長波長方向變化，並且牢固的化學鍵合作用使得材料的耐久性更為優良。

在硫化物繫中，（Ca，Sr）S∶Eu 繫、CaGa2 S4∶Eu 繫、ZnS∶Cu，Al 繫等作為可見光激發熒光體早已被人們所熟知，由藍光激發可使其高效率地發光。具有半高寬窄的發光光譜之熒光體很多，可產生鮮艷的綠光及紅光。但硫化物繫一般在耐久性和吸濕性方面存在問題，目前還難以無障礙地在LED 中應用。

1.2LED 的基本知識

在本節中，將就LED 的基本結構，支配LED 效率的內部量子效率、光取出效率，以及其他特性等，對LED 的基本知識作簡要說明。

1.2.1LED 的基本結構和基本方程

目前市場上流通的LED 大部分采用多重量子阱（multiple quantum well， MQW）結構，為便於理解其工作原理，首先對雙異質結（double hetero-junction， DH）結構的LED 作簡要說明。

DH 結構即是將作為發光層的活性層，用兩層能帶間隙寬度比其能帶間隙更寬的包覆（clad）層相夾的結構。圖1.7表示GaAlAs 繫DH 結構LED 的構造實例及電流分布、發光分布的模擬結果。

對於LED 來說重要的是，活性層發出的光要高效率地向外取出。為此，最外層的（對於從基板一側取出光的場合，還包括基板）能帶間隙應比活性層的大，即對於發光波長應是透明的。而且由於電極部分會遮擋光，因此在電極的配置方面也需要下一番功夫。

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