綠色環(huán)保照明簡(jiǎn)史系列之半導(dǎo)體照明

1、藍(lán)光芯片型白光LED提升光效

a） 提升內(nèi)量子效率在有源區(qū)產(chǎn)生更多的藍(lán)光并減少藍(lán)光輸出時(shí)的吸收，隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，超高亮度發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率已有了非常大的改善，藍(lán)光LED已達(dá)90％以上；

b） 提升光提取效率  采用倒裝結(jié)構(gòu)避免正裝結(jié)構(gòu)的電極和金線(xiàn)遮擋光；平衡解決透明導(dǎo)電膜吸光與擴(kuò)散電流的矛盾；底部反射層使藍(lán)光向正面出光方向反射；表面圖型化或表面粗糙化技術(shù)避免因折射率差異大導(dǎo)致的發(fā)光被過(guò)多全反射等；接近芯片折射率的封裝材料；

c） 提升熒光粉光致發(fā)光轉(zhuǎn)換的外量子效率 研發(fā)光致發(fā)光轉(zhuǎn)換效率高的熒光粉材料及配比；

d） 提升封裝的光出射效率 封裝材料的折射率高有利于芯片出光的提取率，但也會(huì)使與空氣折射率差異增大；對(duì)于平面型封裝，導(dǎo)致與空氣界面之間的向內(nèi)全反射增大，從而又使出光率減小，因此，在平面型封裝之上可考慮再加一層折射率過(guò)渡的二次透明封裝層；此外，對(duì)于非平面型封裝，改進(jìn)熒光粉涂層厚度和形狀以及封裝結(jié)構(gòu)形狀，避免因折射率差異大所導(dǎo)致的出射光被過(guò)多全反射。

藍(lán)光芯片型白光LED的最高光效主要由四部分所限：

①藍(lán)光的內(nèi)量子效率估計(jì)不超過(guò)90％（較高溫影響下，而小功率常溫可達(dá)95％左右）；

②外延層的光提取效率估計(jì)不超過(guò)85％（正裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)其GaN與硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂的材料折射率決定的全反射角約42°；倒裝結(jié)構(gòu)其GaN與Al2O3的全反射臨界角約46°；進(jìn)行圖型優(yōu)化等處理后估計(jì)不會(huì)超過(guò)75°）；

③藍(lán)光轉(zhuǎn)換為白光的最高量子效率估計(jì)不超過(guò)70％（視見(jiàn)效率最高的為無(wú)損耗單光譜555nm綠光，藍(lán)光全部轉(zhuǎn)換至555nm單色綠光的光致發(fā)光效率不超過(guò)78％）；

④熒光粉層白光出射球型封裝的效率不超過(guò)95％（平面封裝出射率將可能更低得多，這一項(xiàng)人們平時(shí)關(guān)注較少，因?yàn)楣鈴墓枘z或環(huán)氧樹(shù)脂出射至空氣的全反射臨界角僅約為42°）。

這四部分相乘的綜合光效率估計(jì)不超過(guò)50％；也就是說(shuō)藍(lán)光芯片型白光LED的光效不會(huì)超過(guò)340Lm／W左右。

據(jù)報(bào)道，目前全球最高光效的白光LED是美國(guó)CREE公司2014年3月宣稱(chēng)303Lm／W。已接近本文上面分析預(yù)計(jì)的白光LED光效的極限。

美國(guó)CREE公司實(shí)驗(yàn)室碳化硅襯底白光LED光效進(jìn)展

我國(guó)目前國(guó)產(chǎn)化的LED光效也已逐步趕上國(guó)際先進(jìn)水平。多年前，我國(guó)南昌大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用在硅晶片上預(yù)先柵格化刻蝕來(lái)緩解生長(zhǎng)GaN后降溫過(guò)程中熱匹配差異大造成的龜裂和位錯(cuò)缺陷，通過(guò)特殊措施改進(jìn)MOCVD設(shè)備關(guān)鍵部件“密布輸氣管”來(lái)改善GaN生長(zhǎng)的均勻性等等自主專(zhuān)利技術(shù)，突破了硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管的關(guān)鍵技術(shù)，成為繼日美之后第三個(gè)掌握藍(lán)光LED自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的國(guó)家。打破了日本藍(lán)寶石襯底、美國(guó)碳化硅襯底長(zhǎng)期壟斷國(guó)際LED照明核心技術(shù)的局面，與日美技術(shù)形成全球三足鼎力之勢(shì)。據(jù)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《2018中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》數(shù)據(jù)：“2018年我國(guó)產(chǎn)業(yè)化白光LED光效水平達(dá)到180Lm／W，硅基黃光（565nm＠20A／cm2）電光轉(zhuǎn)換效率24．3％，硅基綠光（520nm＠20A／cm2）電光轉(zhuǎn)換效率41．6％”。這是值得可喜的，但在半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)8寸、12寸等主流大尺寸硅晶片要想大規(guī)模應(yīng)用于LED照明產(chǎn)業(yè)，在目前主流仍為6寸以下小尺寸藍(lán)寶石襯底在LED照明產(chǎn)業(yè)鏈已形成了先發(fā)優(yōu)勢(shì)的情況下，硅晶片本身的工藝成熟和低成本優(yōu)勢(shì)反而發(fā)揮不出來(lái)。預(yù)計(jì)還需等待封裝設(shè)備等產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)到采用6寸以上襯底成為主流時(shí)，硅基LED的大批量需求才將會(huì)不斷地回歸其原本就具有的比藍(lán)寶石和氮化鎵襯底工藝成本低很多的優(yōu)勢(shì)，這時(shí)硅基LED應(yīng)用市場(chǎng)前景就非常光明了。

2、RGB型白光LED提升光效

早期因?yàn)榧t光，特別是綠光LED的光效不高，所以由三個(gè)紅綠藍(lán)的LED組成的RGB型只限于顯示或裝飾照明用途，隨著綠光LED光效的逐步提升，RGB型白光LED進(jìn)入實(shí)用化照明。RGB型白光LED的主要優(yōu)點(diǎn)是：首先，不需熒光粉來(lái)轉(zhuǎn)換光，單這一點(diǎn)從理論上來(lái)說(shuō)就可減少藍(lán)光芯片型白光LED中至少20－30％的光致發(fā)光能量轉(zhuǎn)換損失；其次，可方便調(diào)節(jié)色溫和顏色，這在智能智慧照明應(yīng)用中很重要。但是RGB型白光LED其主要缺點(diǎn)是綠光LED的光效仍不高，導(dǎo)致總的發(fā)光效率目前比藍(lán)光芯片型白光LED低較多；另RGB三個(gè)LED需嚴(yán)格選配光度和色度分布，使紅綠藍(lán)三個(gè)LED所發(fā)光的光色分布曲線(xiàn)應(yīng)該平滑完全一致且投射方向一致，否則在不同距離和方向上的光度和色度不均勻性嚴(yán)重；還有需要紅綠藍(lán)三種LED的三套供電系統(tǒng)，使驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜化、成本增加。

3、紫外芯片型白光LED提升光效

光度和色度分布不均勻是藍(lán)光芯片型白光LED和RGB型白光LED一定存在的固有缺陷，只是程度不同而已。由于人眼對(duì)紫外線(xiàn)沒(méi)有感知，利用紫外LED芯片發(fā)出的紫外線(xiàn)被封裝涂層中的紅綠藍(lán)三基色熒光粉吸收并轉(zhuǎn)換成白光，所以紫外芯片型白光LED與傳統(tǒng)熒光燈一樣都不存在色度分布不均勻問(wèn)題，光度均勻性也比藍(lán)光芯片型和RGB型要好得多，這是其最大的優(yōu)點(diǎn)。紫外線(xiàn)芯片型白光LED的主要缺點(diǎn)是，一般來(lái)說(shuō)在熒光粉光致發(fā)光轉(zhuǎn)換出的光譜包絡(luò)與藍(lán)光型白光的連續(xù)光譜相似情況下，紫外線(xiàn)芯片型白光LED的發(fā)光效率比藍(lán)光芯片型要更低，其紫外線(xiàn)波長(zhǎng)越短，轉(zhuǎn)換效率就越低（254nm紫外線(xiàn)下的熒光粉光轉(zhuǎn)換效率不超過(guò)50％），且制作難度成倍地增加，所以從理論上來(lái)說(shuō)照明不可能使用短波紫外線(xiàn)芯片來(lái)制作白光LED。此外，還需研發(fā)針對(duì)長(zhǎng)波紫外線(xiàn)激發(fā)的高效熒光粉。而且筆者建議其熒光粉轉(zhuǎn)換后發(fā)射的光譜應(yīng)像節(jié)能熒光燈的三基色那樣紅綠藍(lán)三色形成分離狀的不連續(xù)光譜，各自為窄光譜，綠色波峰還應(yīng)靠近光效最高的555nm，這樣的綠光搭配紅藍(lán)光后就可能輕易超過(guò)340 Lm／W的藍(lán)光芯片型白光LED的極限光效。當(dāng)然即使熒光粉能做到這樣，不改進(jìn)目前LED芯片的發(fā)光波長(zhǎng)半寬度太寬的現(xiàn)狀，不能象傳統(tǒng)熒光燈中低氣壓放電產(chǎn)生的254nm工作紫外線(xiàn)其非常窄的波長(zhǎng)半寬度去配合熒光粉，其效果可能仍然不太佳。