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一文看懂关于LED的发光二极管led灯珠那些事儿

统佳光电

弁言:发光二极管(LEDs)的最新进展使患上照明行业快速增加。今朝,固态照明技能慢慢渗入到差别细分市场,如汽车照明、室内及室外照明、医疗运用、和糊口用品。

美国能源部最新陈诉指出,至2020年,该技能有望削减照明行业15%的能源耗损,2030年节省30%——即光2030年就能节省261 TWh(太瓦时)的能量,以当前的价格计较其价值跨越260亿美元,相称于美国两千四百万家庭今朝的能源消费总以及。此外,这些节省的能量用于混淆发电厂将削减梗概一千八百万吨CO2温室气体的排放。

虽然在许多环境下,这些装备的初始成本仍旧高于现有的光源装备,可是LEDs更高的效率和更长的寿命使其具备很强的竞争力。Strategies Unlimited预计2013年全世界发卖出4亿只LED灯,McKinled灯珠型号的sey查询拜访注解2016年LEDs在全世界平凡照明市场的份额将到达45%,2020年将靠近70%。到2020年,该范畴的市场容量估计将从今朝的约260亿美元提高到720亿美元。

LED装配是一个繁杂的多组分体系,可按照特定需求调解机能特性。如下章节将会商白光LED及其他运用。

      LED的成长之路     

无机质料中电致发光征象是LED发光的根蒂根基,HenryRound以及Oleg Vladimirovich Losev于1907年以及1927年别离报导LED发光征象——电畅通过使患上碳化硅(SiC)晶体发光。这些成果激发了半导体及p-n结光电历程的进一步理论研究。

20世纪50、60年月,科学家最先研究Ge、Si和一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光机能。Richard Haynes以及William Shockley证实了p-n结中电子以及空穴复合致使发光。随后,一系列半导体被研究,终极于1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响,1971年George Craford发现了橙光LEDs,1972年又接踵发现了黄光以及绿光LEDs(均由GaAsP构成)。

强烈的研究迅速使患上在宽光谱规模内(从红外到黄色)发光的LEDs实现贸易化,重要用于德律风或者节制面板的唆使灯。现实上,这些LEDs的效率很低,电流密度有限,使患上亮度很低,其实不适于平凡照明。

       蓝光LEDs      

高效的蓝光LEDs的研发破费了30年的时间,由于其时没有可运用的充足质量的宽带隙半导体。1989年,第一个基于SiC质料系统的蓝光LEDs商品化,但因为SiC是间接带隙半导体,使患上其效率很低。20世纪50年月末就已经经思量使用直接带隙半导体GaN,1971年JacquesPankove展示了第一款发射绿光的GaN基LED。然而,制备高质量GaN单晶和在这些质料中引入n-型以及p-型掺杂的技能仍旧有待开发。

20世纪70年月成长的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技能对于于高效蓝光LEDs的成长具备里程碑意义。1974年,日本科学家Isamu Akasaki最先接纳这类要领生长GaN晶体,并与Hiroshi Aman互助于1986年经由过程MOVPE要领初次合成为了高质量的器件级GaN。

另外一个重要挑战是p-型掺杂GaN的可控合成。现实上,MOVPE历程中,Mg以及Zn原子可进入这类质料的晶体布局中,但每每与氢联合,从而形成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其互助者不雅察到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜不雅察事后会发射更多的光。

一样的体式格局,他们证实了电子束辐射对于Mg原子的掺杂机能起到有利的作用。随后,Shuji Nakamura提出在热退火以后增长一个简朴的后沉积步调,分化Mg以及Zn的繁杂体,该要领可容易实现GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。

应该指出的是,这些三元系统的能带可经由过程Al以及In的身分举行调治,使患上蓝光LEDs的设计增长了一个自由度,对于于提高其效率具备主要的意义。事实上,今朝这些器件的活性层凡是由一系列瓜代的窄带隙InGaN以及GaN层和宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端约束)构成。

1994年,Nakamura及其互助者基于n-型以及p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对于称双异质布局设计,初次展示了具备2.7%外量子效率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1枚举出了LEDs重要的机能指标界说)。

该LED布局示用意示于图1a。这些成果对于于如今运用的LED基照明技能而言是很要害的,也是以激发了照明行业的革命。2014年末,诺贝尔物理学奖授予Akasaki、Amano以及Nakamura,表扬他们&lled灯珠哪家好dquo;发现用于照明和白光源节能的高效蓝光LED”。

     LED机能指标     

量子效率Quantum efficiency:质料内量子效率(IQE)为辐射的电子-空穴复合(即孕育发生光子)数目与复合总量(辐射与非辐射)的比值。

该指标决议了半导体质料发光效率。半导体LED机能凡是使用外量子效率(EQE)暗示,即IQE与提取效率的乘积。提取效率特指孕育发生的光子中逃离LED的部门。EQE取决于直接影响IQE的半导体层缺陷以及影响提取效率的器件组织。

发光效率(Luminous efficacy):发光效率暗示光源发射可见光辐射的效率,单元通常是lm W−1。光源以单色绿光(频率为450x1012 Hz,对于应波长约为555 nm,人类眼睛最敏感的光,图2b为响应的眼睛敏捷度曲线)转换100%电能,其最年夜发光效率到达683 lm W−1。

照明用的白光源凡是要求有比全数可见光波段更宽的发射光谱,是以其发光效率较着低于其最年夜值。电能转换成眼睛敏捷度曲线之外的辐射,没法用于照明,本应尽可能减小这种辐射。

相干色温(Correlated colour temperature):用于比力差别照明技能的参比光源是处于热均衡的黑体辐射。按照普朗克辐射定律(Planck's law of radiation),黑体白炽灯的发射光谱取决于它的温度,响应于差别温度下辐射的色点用CIE图暗示,即称之为普朗克轨迹(Planckian locus)的黑点曲线(图2f、h)。

沿着普朗克轨迹的差别位置,白光的相干色温(CCT)大抵可分为“暖白”(2,500-3,500 K)、“天然白”(3,500–4,500 K)、“冷白”(4,500–5,500 K)和日光(5,500–7,500 K)。

显色指数(Colour rendering index):显色指数(CRI)是一个无量纲的指标,描写白光源以一种相对于于人类视觉感知而言正确且恬静的体式格局显色的能力,同时思量参比光源(不异CCT下,黑体辐射在CCT<6,000 K或者自然光CCT>6,000 K前提下举行测试)。

CRI凡是被界说为8个测试颜色样本(R1-R8)的显色平均值,额定规模在0到100之间。对于于高CRI接纳分外的R9值,暗示深红色。CRI=100象征着由测试光源发光的所有颜色样本都与参比光源发光的不异样本具备不异的颜色。



图1. 蓝光InGaN LED芯片的设计

a.第一个蓝光InGaN/AlGaN LED示用意。

b. 具备颠倒布局和无接触前外貌的倒装LED芯片示用意。两个接触点被焊接在接近LED的基板上。

c. 最高水准的薄膜型倒装LED示用意及LED器件的俯视图。这三种示用意的有用层简化暗示了双异质布局、单或者大批子阱布局InGaN/AlGaN。

已往20年,蓝光LED的EQE慢慢提高,这也是不停降低GaN晶体布局缺陷密度的成果。出于成本效益的缘故原由,这类质料凡是生善于蓝宝石衬底上,然而两者存在着16%的晶格掉配和差别的热膨胀系数。这两个因素致使1,000℃四周MOVPE生长GaN历程中位错缺陷的孕育发生。

过细优化生长工艺可以使缺陷连结在107~108 cm-2规模内,但需进一步提高其他LED运用的不异布局半导体的质量。虽然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度,但其具备比其他低缺陷密度的宽带隙半导体二极管(如ZnSe)更高的效率,详细缘故原由至今不明。

另外一个强烈影响LEDs提取效率和内量子效率(IQE)提高的因素是器件的组织。图1a显示了外p-型GaN层,其具备相对于较低的电导率,从而限定了器件中的空穴注入,可是这个瓶颈可经由过程笼罩整个p-GaN外貌的更年夜p-型接触来降服。然而,电接触会拦阻输出光子。

几种设计方案均可以解决这个问题,如图1b、c所示。倒装芯片(图1b)是指芯片颠倒安装且p-以及n-接触都在暗地里。这类组织提供更好的散热,得到更高的电流密度,从而使患上每一片芯片外貌具备更高的光输出。蓝宝石在蓝光以及绿光区域是透明的,其实不故障发光。

此外,接触部位可接纳涂层(例如Ag)来反射那些向基座标的目的发射的光子。可接纳薄膜芯片倒装法(图1c)进一步晋升机能。从n-GaN层上讲基底移除了,并将外貌粗拙化,以提高光提取效率。据报导,联合质料和组织的进展, ~444 nm处发光的InGaN LEDs在20 mA下EQE可到达84.3%。

     从蓝光到白光     

对于于今天无处不在的白光LEDs而言,高效率蓝光发光二极管的发现具备里程碑意义。相对于于传统光源,LEDs具备更高的能量效率,更主要的是可调治发光机能更好的顺应差别的运用,例如舞台照明、修建照明等等。

一般来讲,可经由过程几种差别要领得到白光LEDs。一种是组合发蓝光、绿光以及红光的三个差别半导体LEDs(图2a左)。该要领最年夜的挑战在于绿光半导体的EQE相对于较低(≈25%),限定了响应白光LED的发光效率(图2c)。InGaN与高含量铟形成的固溶体凡是被用于直接发射绿光。基底与InGaN间的晶格掉配度随铟含量的提高而增长,从而孕育发生更高的缺陷密度。别的,描写原子核周围电子密度漫衍转变的量子力学Stark效应也随铟含量的提高而越发较着,从而降低绿光波段内的EQE。

为了不这一局限,基本上转换发光质料的绿光荧光转换LEDs(pc-LEDs)直接接纳蓝光LED发射绿光,在贸易产物中凡是用以代替绿光半导体(图2a右,图2c)这类杂化LED典型的发光光谱如图2b所示。

这些杂化产物(直接蓝光以及红光加pc-绿光)的发光效率显著提高,且可得到高显色指数(CRI)值。因为红、绿、蓝(RGB)LEDs中三个自力发光体随时间的推移具备差别的光谱漂移,且具备差别的热降解率,使患上其颜色不变性较差。

可自力节制RGB中每一个通道的繁杂且昂贵的电路需要赔偿这个不想要的效应,以是这些组织在白光运用中的使用有限。对于于功效照明和物体以及修建照明而言,由分外电子元件提供混色功效(可动态转变输精彩彩的基调)长短常有远景的。



图2. LED发射白光的差别要领

a.白光LEDs示用意。左:三个直接发光LEDs(蓝光,InGaN;绿光,InGaN;红光,AlInGaP)。右:两个直接发光LEDs(蓝光,InGaN;红光,AlInGaP)以及一个绿光pc-LEDs。

b. 由直接发蓝光以及红光的LEDs以及一个绿光pc-LED组合而成的白光LED的发光光谱。灰色暗影谱线:人类眼睛敏捷度曲线。

c. 半导体LEDs的外量子效率(EQE)。蓝色方块,InGaN基LEDs;红色三角形,AlInGaP基LEDs;绿色方块,绿光pc-LED。

d. 白光pc-LED以及涂层上转换发光质料的蓝光InGaNLED示用意。

e. 具备宽带黄光荧光的白光pc-LED的发光光谱。

f. 国际照明委员会(CIE,1931年)绘制的黑体曲线(实心黑点线)以及CCT值。白色方块暗示直接蓝光LED以及黄色发光质料(YAG:Ce)的CIE颜色坐标。所有感知颜色均可沿着pc-LED的点线得到。

g. CCT=2,700 K的pc-LEDs的发光光谱。黑线:窄带红光Sr[LiAl3N4]:Eu2+ LED(CRI=98,R9>90)。白色虚线:Sr[LiAl3N4]:Eu2+发光归纳综合。紫色曲线:商用LED(CRI = 96,R9>80)。两个LEDs显示出了与2,700 K黑体辐射(玄色点划线)精良的匹配瓜葛。而接纳窄带红光质料的pc-LED在红外区域的溢出(玄色的向下箭头)较着减小。

h. CIE图。白色方块暗示直接蓝光LED、黄色发光质料(YAG:Ce)、分外红色荧光的CIE颜色坐标(Sr[LiAl3N4]:Eu2+)。Pc-LED添加混淆可得到所有的颜色,用三角形暗示。在此,可得到黑体曲线(玄色实线)的险些所有CCT值。

按照混色道理(图2d),基于pc-LED计谋提供白光的一个简朴要领是联合单个蓝光InGaN芯片以及一个或者多个可见光区的发光质料。遵照这一计谋,早在1996年由Nichia开发的第一款贸易化白光pc-LEDs就使用Ce3+掺杂的石榴石质料(如Y3−xGdxAl5−yGayO12:Ce3+(YAG:Ce))来发射宽谱黄光(图2e、f)。只使用单一的荧光,限定了CRI<75光源在冷白光和日光范围内(相关色温CCT=4,000-8,000 K)的性能。然而,接近理论极限的高转换效率令这些器件成为那些要求具有与日光相媲美CCT值(~6,400 K)汽车前灯的重要组成部分。

抱负天然色采感知度的照明运用首选更低的CCT值(2,00-4,000 K)以及更高的CRIs>80。使用两个或者两个以上发光质料(例如,绿光至黄光的LuAG:Ce或者YAG:Ce联合红光(Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+或者(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+)更易实现这些参数。调解这些质料的比例,可以得到靠近于黑体辐射的笼罩整个可见光区的持续发射光谱(图2g、h)。然而,CRI>90的高光质量(凡是用于需要最天然色采的博物馆、医疗室、零售市肆等)凡是以捐躯发光效率为价钱。思量到人眼视觉敏捷度曲线(图2b),650 nm之后的光子很弱,造成发光效率的伟大丧失。是以,比拟于更看重红光部件的pc-LED,可经由过程邃密调治发光质料发射光谱的位置以及宽度使患上pc-LED更好的顺应视觉感知(同时也具备更高的发光效率)。

      提高白光中的红色发光质料     

美国能源部近来设定了2020年照明级白光LED发光效率200 Im W-1的市场尺度。云云高的效率凡是要求pc-LEDs在苛刻的前提完成,例如芯片外貌温度到达200℃(由高电流密度孕育发生)以及主蓝光LEDs的快速光子泵率。

是以,适量的荧光需要在这些前提下体现出高转换效率、快速衰减、和高的抗热降解。Eu2+掺杂的氮化物如 (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+(凡是其发射峰中央介于λem ~590–625 nm,半峰宽FWHM为2,050-2,600 cm-1)或者者(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(λem ~610–660 nm, FWHM ~2,100–2,500 cm−1)已经经作为商用照明级白光pc-LEDs中红光质料。

然而,发射光谱的相干部门凌驾了人眼敏捷度规模(红外溢出,图2g),限定了器件的总体发光效率。Sr1−xCaxS:Eu2+(λem ~615–650 nm, FWHM ~1,550–1,840 cm−1)等更窄发射质料也举行了测试,但因为其与封装质料会发生化学反映及其随温度升高转换效率受限等缘故原由,限定了工业运用。

近来的研究得到了一类新的具备很是窄红光发射的氮化物质料。当前的研究将Sr[LiAl3N4]:Eu2+(λem = 650 nm, FWHM ~1,180 cm−1)以及Sr[Mg3SiN4]:Eu2+ (λem= 615 nm, FWHM ~1,170 cm−1)作为下一代照明pc-LEDs的根蒂根基。

Sr[LiAl3N4]:Eu2+具备精良的热机能,且在低CCT高CRI方面(好比CCT =2,700 K, CRI >90)运用时可以或许降低红外发射。比拟于商用高CRI的LEDs(图2g),有望增长4-12%的发光效率。进一步的提高有望经由过程将红光发射光谱移到更短波长(~600–630 nm)获得实现,最佳是具备更窄的发射带。

通用公司GE(Trigainphosphors)近来贸易化的Mn4+掺杂氟化物是别的一类窄红光发射质料。这些质料的发射图谱中630 nm四周呈现几条尖线(每一条都<5 nm),当其与绿-黄发光石榴石材料结合时刻获得高CRI、高发光效率的灯。然而,Mn4+较长的发光衰减时间以及离子氟化物施主材料较低的热稳定性都有可能限制这些荧光粉生产相对较低电流密度和低发热产品的实际应用。

末了,直接红光发射LEDs与互补pc-LEDs组合的杂化器件也可作为优良照明。然而,直接红光LED的温度敏感性要求更繁杂的布局设计,并将其运用规模限定在低热约束范畴,好比非定向的年夜面积照明。

     革新LCDs绿色发射器    

LEDs广泛运用于现代液晶显示器(LCD)中的违光组件。在这些器件中,LED发光穿过一个偏振滤波器、一层液晶、彩色滤波器和一个二级偏振滤波器(图3a);穿过二级偏振滤波器的极化光的透射率取决于液晶的标的目的,可电调谐。与照明运用差别,要求具备最好的显示机能。

出格是,色域由LCD显示提供,取决于白色违光LED源中红色、绿色、蓝色部门的CIE(国际照明委员会Co妹妹ission Internationale de l'Éclairage)图中的位置,凡是由特定尺度(好比国度电视尺度委员会NationalTelevision Standard Co妹妹ittee (NTSC), CIE 1931)校订。人眼的敏捷度和波长相干的分辩率在绿光波段内更高,是以可区别年夜量的绿色调。

成果就是,假如违光LEDs中绿光发射器带宽较窄的话(图3b),显示于LCD上的色域将较着增长。经常使用的石榴石质料(如具备宽带绿-黄身分的YAG:Ce)的单一荧光粉pc-LEDs没法满意这些要求,而红、绿、蓝三原色的LED难以运用,出格是绿光LEDs的EQE很低。

开始进的高色域LEDs由窄带绿光β-SiAlON:Eu2+ (λem= 525 nm, FWHM ~50 nm)以及窄带红光K2SiF6:Mn4+(λem = 613, 631, 636, 648 nm, each FWHM <5 nm)结合而成。特别是在更小的显示器中,例如平板电脑和某些TV模型,含有窄绿光和红光发射的量子点的板材作为高色域背光。发展绿光波段内具有窄发射带宽的固态材料将有助于提高基于节能LED背光的LCD显示器的最大可显示色域。

a. LCD显示器示用意。TFT暗示薄膜晶体管(thin-film transistor)。

b. 差别色域的CIE(1931)图。黑点暗示NTSC尺度的色度坐标。虚线暗示NSTC色域。白点暗示穿过响应滤色片(蓝、绿、红)的违光LED的色度坐标。按照发光质料的FWHM以及光谱峰位置,绿色值可假定CIE图中的差别位置,从而孕育发生差别色域。灰色三角形暗示宽带绿-黄色发光石榴石可到达的色域。蓝色以及红色三角形暗示使用更窄的绿色发光质料增长的色域(见插图)。

插图:玄色曲线显示典型绿色滤波器的通带。灰色、蓝色及红色曲线显示CIE图中对于应绿色发光元件的发射漫衍。

     运用远景    

全世界发卖数据证明LED照明市场不停增加,在其他范畴的扩张也可预感。LEDs具备自力色采调治的潜力,是以可按照差别需求调解其发射机能。这种光谱节制照明可顺应人体心理反映,例若有助于提高留意力或者者改良睡眠。

密集型LED照明在医疗方面的影响也愈来愈年夜,好比减缓肌肉紧张或者者医治皮肤疾病。此外,接纳特定波长的固态照明有望刺激光互助用,优化温室作物的生长。在平凡照明范畴,颠末成本效益以及机能方面的不停成长,咱们将从新的LED产物中不停赢利。



来历:新质料在线编译收拾整顿

(LED资讯网)。


标签:LED照明蓝光LED

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