发光二极管-LED综述

一，LED的概述

在全球能源危机、环保要求不断提高的情况下，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的半导体LED照明已被世界公认为一种节能环保的主要途径。作为一种新型固态照明技术，它被誉为21世纪必然取代高能耗的白炽灯和易污染环境的汞蒸气激发的荧光灯的新一代照明光源，在节能的绿色照明领域越来越受到人们的关注。

LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光二极管是结型发光器件。它的基本结构是一块电致发光的半导体晶片，臵于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，能起到保护内部芯线的作用，使得LED的抗震性能好。图1-1是发光二极管的基本结构图。其核心部分是一个由P型半导体和N型半导体组成的半导体晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如。GaAs(砷化稼)、GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化惊)、AlGaInP(磷化铝嫁锢)等半导体制成的，其核心是P-N结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放，从而把电能直接转换为光能。这就是P一结发光的原理，如图1-2所示。利用这种注入式电致发光原理制作的二极管即是发光二极管，简称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关，而光的颜色是由P-N结的材料决定的。

自LED出现以来，人们一直在追求固体照明光源，自1993年蓝光LED问世以来，白光LED于1996年在LED蓝光芯片的基础上被成功开发出来。因其具有体积小(可多芯片多种组合，可单一芯片与荧光粉多种组合)、耗电量低(供电电压

低、启动电流小)、发热量小(无热辐射)、使用寿命长(超过10000 h )、响应速度快(ns量级，可高频操作)、环保(耐用、防水、耐震、耐冲击、不易破碎、废弃物可回收、无汞和铅的污染、无毒害)、可平面封装及产品易于轻薄化、小型化、易实现固体化、光色接近白炽灯的光色，将发展成为可用来替代白炽灯、荧光灯的主要绿色光源。表1-1给出了白炽灯、荧光灯、白光LED照明光源性能比较。由表可见，与荧光灯和白炽灯相比，白光LED有着种种优点和诱人的发展前景，被认为是21世纪最有价值的新光源。

二、白光LED的研究现状

2.1 实现白光LED的方法

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光是一种多色光混合而成，为了获得高效、高显色指数以及不同色温白光，依据发光学和光度学原理，可用三基色或多基色光组合。目前，实现白光LED的途径从发光机理上大致可分为以下三种:

1.“荧光转换’，技术

将荧光转换材料(荧光粉)涂在LED芯片上，利用LED激发荧光粉发光，换句话说就是通过荧光粉将LED发出的较短波长的光(如蓝、紫光)转变为波长较长的可见光(如黄、红、绿、蓝光)，通过不同颜色光的复合得到白光。世界上第一个商品化的白光LED是1996年日本日亚化学公司(Nichia Chemical)开发的高效率

的“荧光转换型”白光LED，即以460 nm波长的InGaN蓝色发光二极管激发YAG:Ce 黄色荧光粉，通过这两种互补光混合得到白光，这种荧光转换技术具有简单、低成本、易产业化等优点。

2. "RGB多芯片”技术

将分别发射红、绿、蓝三基色光的多个半导体芯片组成白光LED，这种技术可以通过控制不同LED所加的电流，很容易随意调节出所需要的颜色。由于不同发光颜色的单色LED芯片劣化速率不同，造成LED发光偏离白光，导致光色不纯或不均匀，因此这种技术存在高成本、需要复杂的光色反馈控制系统以及热老化控制等问题。

3.“量子阱”技术

“量子阱”是指由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。调谐InGaN量子阱结构实现白光发射，即在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的金属或非金属元素以形成不同的量子阱，通过多个量子阱发出的光子直接复合成白光。这种技术具有难度较大，不稳定等问题。

目前，“量子阱”技术仍处于实验室研究阶段，"RGB多芯片”技术只有少量产品，而“荧光转换”技术是己实际应用的产生白光的主要途径，此外，基于工艺性、成本、技术现状等因素考虑，荧光转换型白光LED成为目前研究的重点。当前，“荧光转换型”白光LED (LED芯片+荧光粉)有以下几种实现方案，它们均属于电致发光和光致发光(半导体化合物芯片发光属于P-N结电致发光，而荧光粉发光属于典型的下转换光致发光)，实现光辐射能量传递。

2.2 关于LED芯片的研究现状

晶片是LED的“心脏”。现在工厂生产用到的晶片一般为GaN或蓝色的InGaN LED 芯片。其生产工艺是在一定条件下，在制备完好的晶体衬底上，沿其原来的晶向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层，此单晶层称为外延层。长好了外延层的单晶片称为外延片。另外为了得到高外量子效率还会用图形化衬底、倒装芯片、垂直芯片结构及光子晶体、表面微结构等方法处理晶片，如图下图所示。

4

图2-1

图2-2

由于这种外延生长的仪器价钱昂贵，所以目前学校里的一些研究都集中在找到一些合适的荧光材料上。

2.3 LED荧光粉研究现状

2.3-1白光LED对荧光粉的要求

荧光转化型LED应用的荧光粉的六个要求：

(1)荧光粉的激发光谱应与LED芯片的蓝光或紫外光发射光谱相匹配。

(2) 在蓝光、长波紫外光激发下,荧光粉产生高效的可见光发射, 光能转换率高。

(3) 荧光粉应具备抗高温猝灭特性。

(4) 荧光粉的物理、化学性能稳定,抗潮,不与封装材料和半导体芯片等发生作用。

( 5) 荧光粉耐紫外光子长期轰击,性能稳定。

(6)荧光粉的颗粒细,平均粒径在8μm以下,形貌均匀。

2.3-2 荧光粉的分类

2.3-2.1当下荧光粉的分类：

根据采用的LED所发光源波段的不同,可将白光LED 用荧光粉分为蓝光转换型荧光粉(420-470nm) 、紫外转换型荧光粉( 300-370nm)和近紫外转换型荧光粉(370-420nm)

按照发光颜色可将荧光粉分为蓝色、绿色、黄色和红色荧光粉。

根据基质体系的不同又可分为硅酸盐体系、钨/钼酸盐体系、钇铝石榴石( Y3Al5O12 : Ce3 + ) 体系、磷酸盐体系、硫化物体系和氮(氧)化物体系荧光粉等。

2.3-2.2下面按照基质体系的分类谈一下荧光粉的研究现状