绿色照明光源——高亮度白光LED

　　摘 要：高亮度白光LED 的出现，使得LED 用于室内照明将成为可能的现实。该文就白光LED 的工艺结构、特点和应用进行了探讨。

　　0 引言

　　LED 是Light Emitting Diode（发光二极管） 的缩写。它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射并产生可见光。近30年来，LED 发光二极管的技术已经经历了飞速发展的过程。LED 以其固有的高效率、长寿命、低损耗、耐振动、响应速度快等优点得到了广泛的应用。

　　近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED 制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED 取得了突破性进展，其发光效率提高了近1 000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中重要的是超高亮度白光LED 的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。

　　1 白光LED

　　1 .1 可见光的光谱和LED白光的关系

　　根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长发光（蓝色光+黄色光）或三波长发光（蓝色光+ 绿色光+ 红色光）的模式。上述两种模式的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大LED 制造公司追逐的"蓝光技术".

　　1 .2 白光LED的工艺结构

　　对于一般照明，在工艺结构上，白光LED通常采用两种方法形成，种是利用"蓝光技术"与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。

　　这两种方法都已能成功产生白光器件。种方法产生白光的系统见图1 ,图中InGaN为高亮度蓝、蓝绿和绿色LED材料，其电子带结构为直接跃迁型，禁带宽度（Eg） 为1 .95~3 .40 eV ,取决于铟的克分子份数，光谱能量分布于紫外（365 nm） 到红（635 nm）。

　　InGaN蓝色LED 的结构见图1 ,由于该结构有一层2nm 的In0 .2 Ga0 .8 N活性层，所以被称为单量子阱。

　　如果活性层变薄，量子尺寸效果就显示出来，而且辐射效率得以提高。这种高性能InGaNLED是采用薄膜增长新方法研制出来的，被命名为"Two -FlowMOCVD".LED InGaN 芯片发蓝光（λρ = 465nm） ,它和YAG（钇铝柘榴石）荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光（白光LED 示意图见图2）。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。

图1 蓝色InGaN LED的结构

图2 白光LED示意图

　　2 白光LED 的特点

　　为了说明白光LED 的特点，先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光效为12~24 lm?W;荧光灯和HID 灯的光效为50~120 lm?W.对白光LED :在1998 年，白光LED 的光效只有5lm?W,到了1999 年已达到15 lm?W,这一指标与一般家用白炽灯相近，而在2000 年时，白光LED 的光效已达25 lm?W,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测，到2015 年时，LED的光效可望达到150~200 lm?W.那时的白光LED 的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED 作家用照明光源，将成可能的现实。

　　与普通光源，如荧光灯或白炽灯相比，白光LED有以下优点：

　　（1） 包括豪华冷白光在内的各种色温；

　　（2） 温度变化时具有高稳定的亮度；

　　（3） 灯的形状和光分布灵活性；

　　（4） 瞬时启动和快速响应；

　　（5） 耐震（振）动；

　　（6） 缩小照明系统的体积；

　　（7） 超过10 000 h 的长寿命。

　　3 白光LED 的应用

　　白光LED 与一般照明设备比较，除了省电外还有寿命长、不发热等优点，对于废弃物的回收问题，也比现行日光灯少，可以说是既安全又环保，目前尚未成熟的只是价格因素，所以各界对白光LED 寄以厚望，有"绿色照明光源"之称。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电）、寿命短、维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间10 000 h以上） ,几乎无需维护。

　　LED 照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED 多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG 黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED ,即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯及LCD 背光源等。目前，德国Hella 公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED 作路灯照明，等等。

　　在国内市场上，白光LED 也非常走俏。如四川成都在火车南站的立交桥上安装了30 000 多盏LED灯，直射高空的"城市之光"、"变化万千的城市之门"、"流光溢彩的斜拉索桥",为蓉城夜景增光不少。诸如此类的灯光工程还有很多。我国的城市交通信号灯也正用白光LED 取代早期的交通秩序指示灯。

　　综上所述， 白光LED 未来应用领域非常广泛，如小型手电筒照明、LCD 背光源（汽车、音响仪表板、手机背光板）、交通信号灯、室内照明等。当然白光LED应用是取代普通白炽灯、日光灯照明光源，促使照明行业发生巨大的变革。