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革命性的LED照明

一、LED的发展
　　在市场需求与技巧提高的推动之下，LED经历了一段光辉的历史。第一批产品呈现于1968年，Monsanto公司将其作为唆使灯泡，Hewlett-Packard公司则首次用于电子显示设备。早期产品是GaAsPLED,性能相当差，工作电流20mA光能量只有千分之几流明。相应的发光效率为0.1lm/w。而且只有一种光色——650nm的红色光。七十年代上半期技巧提高很快，发光效率达到1lm/w。色彩也扩大到红色、绿色和黄色。八十年代GaALASLED的红光效率提高到10lm/w。
　　20世纪90年代初期，惠普公司光电部、Lumi-LedsLighting公司和松下公司的工程师们就已经把握了如何用金属有机化学汽相沉积法在GaAs衬底上外延生长AllnGaP的工艺，AllnGaP材料在可见光谱区产生红光和橙光。合金有序化、受主原子的氢钝化、p-n结排列，以及把氧掺进含铝器件层都是相收复杂的，这些标题耗费了近10年时间才得以解决。终极实现了内量子效率接近100%的AIInGaP发光二极管。几乎每个注进到器件中的电子空***对都产生一个光子，因此如何使在半导体发光二极管内形成的光子达到二极管外就成了一种挑衅。首先是如何防止光被窄带隙（0.87nm）GaAs衬低接收。研究职员曾经尝试过在布喇格反射镜的外延结构中掺杂并在GaP衬底上直接生长的技巧。但是最成功的还是通过蚀刻法强力除往GaAs衬底，采用芯片接正当代替GaP的技巧。采用该技巧研制的发光器婉转的发光效率为25lm/W，几乎是带红色滤光的灯泡发光效率的10倍。每支发光二极管的光通量为几个lm，由它们组成的发光二极管阵列首先被制成了汽车上的停车灯、红色交通信号灯以及单色室外信号标记。然而光通量为3lm时，发光二极管的庆用仍很有限。
继AIInGaP的发展后，Nichia化学公司（日本德岛）和名古屋大学（日本名古屋市）的研究职员把握了应用金属　　有机化学汽相沉积技巧在蓝宝石衬底上外延生长AIInGaN的复杂工艺。AIInGaN材料的带隙比AIInGaP的宽，可以笼罩高能量的蓝光和绿光波段。合金有序化、受主原子的氢钝化、p-n结排列，以及把氧掺进含铝器件层再次成为相当复杂的标题。AIInGaN材料系并不像AIInGaP材料系那样为人们所熟悉。AIInGaN绿光元件在尺度的工作电流下内量子效率停留在40%～50%，而蓝光器件的内量子效率为60%～80%。通过利用透明的蓝宝石衬底，以及人眼对绿光比对蓝光或红光更敏感的特点，人们已经制作出几个流明的绿光LED。这种LED和红光AIInGaP发光二极管、近流明级的蓝光LED组合起来，就可完整由固体光源制作大型全色信号标记。蓝光AIInGaN发光二极管产生的光子和荧光粉的发光将一部分蓝光光子转变为其互补色--黄色。人眼看到这种蓝光和黄光的混杂是一种不鲜明的白色。
　　LumiledsLighting公司在PhilipsLighting（新泽西州Somerset）公司的技巧领导下生产了一系列大功率LED，显示了照明业的潜力。在12W输进功率下，Lumileds公司生产的Luxeon型器件工作的功率电平比传统的5mm唆使灯LED高20倍，发光效率高出50%，寿命可达几万小时。目前市场上出售的器件不仅有红光和橙光AIInGaPLED，而且还有绿光、蓝光和白光AIInGaNLED。封装的热敏电阻由唆使灯LED的300Ω/W降到15Ω/W以下。热敏感电阻的下降使工程技巧职员将20倍能量泵浦到器件中，获得输出为55lm红光、30lm绿光、10lm蓝光或荧光粉转换蓝光器件用的25lm的白光。焉代产品将是给出110lm白光的5W封装的单管，这种光输出和15W白炽灯的光输出相当，而封装体积仅相当于白炽灯的1%，功耗仅为1/3。12个110lm的器件足以制成一只用于汽车用的前灯。这种前灯并非传统的6V汽车前灯，而是冷光蓝色高强度等效放电的超亮度前灯。每只单色绿光5WLED的光通量超过130lm。两只这样的光源即可以调换传统的8in～12in150W交通信号灯，可节俭90%的能源。由红光、绿光、蓝光组合的这些光源的发光效率可与注解晶显示屏电视机和监督器的背照明利用的冷阴极荧光灯相比，而且具有体积小和窄谱带光色的特点。随着发光二极管技巧的持续发展。固体照明无疑将利用于更广泛的范畴，并将持续对传统的照明光源提出挑衅。
　　发光二极管有很多长处，其寿命可达几万小时，固然不是很精巧但是对环境有益。其体积小，答利用帮助光学器件机动地把持光束。实际利用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光源不仅请求高发光效率和长的应用寿命，还要具有很高的光通量和合调换价格。一只60W的白炽灯光发出900lm的白光，是典范的荧光粉转换白光（唆使灯）发光二极管（PCLED）光能量的300倍。每流明的本钱只是其一部分，关键是设计并装配出能在比正常输进功率高出1～2个量级的功率下工作的发光二极管器件，并且使这些LED与传统的唆使灯LED具有同样高的效率及稳固性。
　　二、LED发光的原理
　　发光二极管是一种将电流顺向通到半导体p-n结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。1962年GE（GeneralElectric）公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED的光通量为0.1lm/W，约是普通灯光的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数目级。最近，蓝色、绿色LED已实用化，其发光强度超过AlGaAs类红色LED。这种LED采用氮化物半导体（InGaN混晶）作活性（发光）层的量子阱结构，其发光强度超过10cd，量子效率超过20%。此外，还开发了外部量子效率超过50%的AIInGaP红色LED（630nm）和琥珀--LED（595nm）。InGaN绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。
　　坎德拉（cd）是发光强度的单位，用以表现可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量Φ和立体角Ω表现。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km为在波长555nm范畴内的最大可见度（683nm），绿色对人眼是最亮的。V（λ）是在波长为λ时的相对可见度[V(555nm)=1],Pλ为光谱辐射通量。
　　白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色LED芯片上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片四周到封。两种方法（单芯片型和多芯片型）可得到色调后果好（Ra85）的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色（R.G.B）或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外LED作鼓励光源鼓励荧光体的方法。第一种方法不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺点，而且在温度特征或器件寿命上也存在标题，因此距实用化还有一段间隔。第二种方法则用一个器件即可，驱动电路，易于设计。有两种鼓励方法：即（1）用蓝色LED鼓励发黄光的荧光体。（2）用紫外LED鼓励R.G.B荧光体。鼓励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种色彩的光，因而可广泛利用于照明。如前所述，每一个LED的光通量（lm）很弱，要作为照明光源必需配置多个LED。而开发LED照明用光源，则必需对包含多个LED集成器件光散布在内的装置系统进行优化设计，经外，研究职员还必需参加半导体发光器件和照明光源的开发及技巧交换。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而，现在单芯片型InGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅外于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究，但难以实现一样的混色，故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室程度的发光效率已超过40lm/W，近几年内可看超过100lm/W。
　　作为荧光体鼓励光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%其温柔色调优良。受YAG荧光体寿命影响的白色LED的寿命已超过数万小时。用具有上述优良特征的炮弹型LED在玻璃状环氧基板上以大约7mm间隔串联41个LED，并将17列并联，一共用697个。白色LED装置应用商用电源AC100V，60Hz及全波整流后的稳压电源（电容输进型整流电流）。为减少LED器件的耗电量，整流后电源的波形变动量大峰值电压为143V，最小电压为126V。在此状态下，各LED上施加电压最大约为3.49V，最小约为3.07V时，电流值最大约为17mA，最小为3mA，耗电约为20W。图1为用41个LED组成的照明用具。图2表现了AC100V，120Hz驱动时的发光光谱，该光谱与直流顺向发光光谱特征相一致。用灯座插进方法，距发光面30cm处的光照度约为1200lx，耗电约为1W。无论哪种光源都无需装配冷却装置。　
图1用41个LED组成的照明用具
　

图2交换照明时白色LED光源与白灯发光光谱


　　三、LED的发展猜测
　　在1999年的文章中我们曾勇敢猜测白色LED的发光效率2002年达到30lm/W，2005年40lm/W，2010年50lm/W。2000年10月的研究会上业内人士的共识是2002年30lm/W，2005年50lm/W，2010年100lm/W。该文著者认为上述前两个指标是可能的，而在当前工艺技巧范畴内2010年达到100lm/W怕是相当艰苦的。
200lm/W以上的更高指标需要更新我们的观念：持续增加能走多远？是否需要等候新的技巧性的突破？答案可能是多种多样的，仁者见仁，智者见智。乐观主义者信任只要保持走下往目标总可以达到。而悲观论者认为就我们今天所谈的LED，发光效率最高也就是50～90lm/W。要达到我们的目标必需从以下两方面努力：
　　（1）精益求精工艺，扩大销售而与白炽灯和卤钨灯竞争；
　　（2）同时开发新材料，改良产品结构。
　　一些人认为要达到发光效率200lm/W必需经过革命性变更，应当来一次光源工艺的革命。当今发光效率最高的光源是镭射；传统的镭射和新型垂直空腔表面辐射镭射（VCSEL）。二者的对外量子效率为65%～70%，在波长800～1000nm范畴的转换效率达到55%以上。假如我们能够把波长范畴扩大到可见光，我们就可以设计出一种新光源，它在470～620nm的范畴中发出30nm宽的6种色彩光。这种灯光具有如下特别性能：
　　◆色彩范畴:可以笼罩色度坐标图的80%～90%，优于NTSC电视尺度，显色性接近于白炽灯。
　　◆调光性能:可以采用数码把持电路调节色彩和光强，调节时发光效率不下降。
　　◆光散布:镭射光便于校准为平行光，其有效光散布优于各向同性的LED。
　　减少光散布丧失是LED的一大上风。在早期街灯设计方面，Lumileds和phips照明于1995年展现的雏型中LED灯炮可以满足相应低压钠灯半光通量的光散布规范。
　　LED的晶片很上，是一种点状冷光源，而且其多次反射或折射的光学表面使LED晶片可以彼此紧密地靠近在一起，因此浪费的光很少，同时大大地打消了杂散光（光污染）。镭射光源可以进一步简化分配设计，进一步下降能源耗费。