LED发光效率影响因素_led灯发光效率_LED发光效率影响因素
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表 一 白 色 LED 的 种 类 和 原 理
芯片数 激发源 发光材料 发光原理
1
蓝色LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝色LED InGaN/荧光粉 I nGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
蓝色LED ZnSe 由薄膜层发出的蓝光和在 基板 上激发出的黄光混色成白光
表 二 单 颗 白 色L ED 的 效 能 进展
年份
发光效能(流明/瓦)
备注 1998 5
199 15 相若白炽灯
2001 25 相若卤钨灯
2005 50
估计
表三 长远发展目标
单颗白色LED 输入功率 10瓦
发光效能 100流明/瓦 输出光能 1000流明/瓦
在现有的发光效率下，如果需要一定程度高辉度，期望因为增加电流量来产生较大亮度的话，这就必须考量如何增加LED的面积来满足所增加的电流，或者利用将数颗小型LED封装在同一个模组之中，来实现封装模组对电流量容许值的提高。在目前的发光效率下，热效应也会成比例的上升，另外，大面积LED 比小面积LED的电阻来得要高，使得大面积LED本身的效应也比较大，如果单纯以现有LED为基础来提高辉度的话，将会陷入一个因LED本身价格，和散热材料的成本过高而产生的恶性循环之中，这和以低成本化为基础的市场特性是背道而驰的，而且热效应量的上升会引起封装材料的热劣化，对其使用寿命也有很大的影响。
多个 多种光色的LED InGaN、GaP
AlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED
采用LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色LED已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的实用性。表二和表三列出了白色LED的效能进展。
8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
三、单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光(λp=650nm)，在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
五、 白光LED 的开发
对于一般 照明 而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光 (λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG 荧光粉 受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。(如下图所示)
市场希望只需一颗就可达到相当亮度的LED，在这一方面的技术落在如何让LED能够支援更大的电流。通常30um2的LED最大可以驱动 30mA的电流，但是这样的结果远远无法满足市场的期望，所以目标是需要将10倍以上的电流，导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到 1mm2时，那么紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350~500mA，因为驱动电压是3V多，所以就可以有1W的电力能被流用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在 交通信号灯 和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumi leds 公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
LED发光效率影响因素 LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和 GaAsP(三元素半导体材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)后，其发光强度及发光效率有很大的提高。另外，在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED，在发光强度及发光效率上有较大的改进。 LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系，即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF为正向压降)，若过大地增加IF而使PD超过最大值时，LED会过热而损坏。为了要提高发光强度，开发出中功率LED(一般为几百mW)，其工作电流也提高到70mA。为进一步提高发光强度，业者开发出了大功率LED，其功率一般为1～10W(有一些还大于10W)，它的工作电流一般为350～700mA，有些可达1A以上。
六、业界概况
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光(λp=555nm)，黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的 LED在红、橙区(λp=615nm)的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域(λp=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
由于上述理由，为了扩大未来的白光LED市场，业者就必须提高LED的外部量子效率，如果实现了LED高外部量子效率来提高发光效率的话，所出现的连锁反应就会下降，例如因为减少电流透过而使得热效应比率降低，实现成本的下降和长寿命化。关于这一方面，目前因为透过局部制程的改变、使用不同的化合物半导体材料、各种白色发光方法的开发，以及新一代荧光粉的开发，已经使得LED的发光效率可以达到100lm/W。但现在使用白光LED的发光效率，除了一部分的制品之外，产业化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替节能灯就需要将亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽车头灯上的HID的话，就更需要提高到120lm/W以上的发光效率。就技术上，如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW，配合高阶技术的封装能力，获得100lm/W的白光输出并不困难，包括Cree、日亚等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片，紧接着之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装业者的能力，如必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题，目前的做法包括了：降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。为了扩大LED特别是白光LED的用途，如何提高发光的效率、相应的辉度、延长使用寿命、降低热效应，以及降低每单位照明的成本等条件，这需要业界做出持续不断的努力。
紫外LED InGaN/荧光粉 InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝色LED 黄绿LED InGaN、GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED
3
蓝色LED 绿色LED 红色LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED
一、 LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用 二极管 产生于1960年。LED是英文light emitting diode( 发光二极管 )的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
二、 LED光源的特点
1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
LED结构图如下图所示
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称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阳极流向阴极时，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。
表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。
从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。
而在发光演色的方面，虽然有这么大的功率输入到GaN LED中，但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量，因此LED就会出现过热的现象，这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是，如果温度上升，发光效率就会下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键，因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题，目前大多是使用有价金属或者陶瓷。
在使用寿命的方面，目前已经都能够实现4万小时后才开始进入高峰衰退期的使用时间，但这却只能满足照明的最低要求，照明领域所需要的是更高的使用寿命，现在已经有客户要求LED业者提高寿命的要求，要求4万小时是达到高峰期的70%，也就是说高峰衰退期的使用时间是5.7万小时，而整体的使用寿命题将会提高到11.4万小时，比起目前的8万小时增加了近1/3。另一方面，LED的高峰衰退期是根据投入电量和点灯方法的不同有很大的变动，所以不可能明确定义，使得这一方面还是有一些问题存在。具体上白光LED的长寿命化，大多是透过封装材料的改变来达到，例如由目前的环氧树脂变为silicon来防止树脂黄变，在此同时还能够维持光通量，此外还有包括，采用D/B材料和反射结构的劣化防止技术，来达到改善热效应实现低温驱动。
芯片数 激发源 发光材料 发光原理
1
蓝色LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝色LED InGaN/荧光粉 I nGaN的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
蓝色LED ZnSe 由薄膜层发出的蓝光和在 基板 上激发出的黄光混色成白光
表 二 单 颗 白 色L ED 的 效 能 进展
年份
发光效能(流明/瓦)
备注 1998 5
199 15 相若白炽灯
2001 25 相若卤钨灯
2005 50
估计
表三 长远发展目标
单颗白色LED 输入功率 10瓦
发光效能 100流明/瓦 输出光能 1000流明/瓦
在现有的发光效率下，如果需要一定程度高辉度，期望因为增加电流量来产生较大亮度的话，这就必须考量如何增加LED的面积来满足所增加的电流，或者利用将数颗小型LED封装在同一个模组之中，来实现封装模组对电流量容许值的提高。在目前的发光效率下，热效应也会成比例的上升，另外，大面积LED 比小面积LED的电阻来得要高，使得大面积LED本身的效应也比较大，如果单纯以现有LED为基础来提高辉度的话，将会陷入一个因LED本身价格，和散热材料的成本过高而产生的恶性循环之中，这和以低成本化为基础的市场特性是背道而驰的，而且热效应量的上升会引起封装材料的热劣化，对其使用寿命也有很大的影响。
多个 多种光色的LED InGaN、GaP
AlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白色LED
采用LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色LED已达到单颗用电超过1瓦，光输出25流明，也增大了它的实用性。表二和表三列出了白色LED的效能进展。
8. 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。
三、单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光(λp=650nm)，在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快(纳秒级)，可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
五、 白光LED 的开发
对于一般 照明 而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光 (λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG 荧光粉 受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。(如下图所示)
市场希望只需一颗就可达到相当亮度的LED，在这一方面的技术落在如何让LED能够支援更大的电流。通常30um2的LED最大可以驱动 30mA的电流，但是这样的结果远远无法满足市场的期望，所以目标是需要将10倍以上的电流，导通到LED元件中。因此当LED的面积尺寸可以扩充到 1mm2时，那么紧接下来的工作便是如何让电流值能够达到350~500mA，因为驱动电压是3V多，所以就可以有1W的电力能被流用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在 交通信号灯 和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumi leds 公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
LED发光效率影响因素 LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和 GaAsP(三元素半导体材料)，1994年左右采用AlInGaP(四元素半导体材料)后，其发光强度及发光效率有很大的提高。另外，在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AlInGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED，在发光强度及发光效率上有较大的改进。 LED的发光强度与正向电流IF几乎成线性关系，即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制，PD=VF×IF(VF为正向压降)，若过大地增加IF而使PD超过最大值时，LED会过热而损坏。为了要提高发光强度，开发出中功率LED(一般为几百mW)，其工作电流也提高到70mA。为进一步提高发光强度，业者开发出了大功率LED，其功率一般为1～10W(有一些还大于10W)，它的工作电流一般为350～700mA，有些可达1A以上。
六、业界概况
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光(λp=555nm)，黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm)，光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的 LED在红、橙区(λp=615nm)的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域(λp=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
由于上述理由，为了扩大未来的白光LED市场，业者就必须提高LED的外部量子效率，如果实现了LED高外部量子效率来提高发光效率的话，所出现的连锁反应就会下降，例如因为减少电流透过而使得热效应比率降低，实现成本的下降和长寿命化。关于这一方面，目前因为透过局部制程的改变、使用不同的化合物半导体材料、各种白色发光方法的开发，以及新一代荧光粉的开发，已经使得LED的发光效率可以达到100lm/W。但现在使用白光LED的发光效率，除了一部分的制品之外，产业化的大多都在30~50lm/W左右。如果要代替节能灯就需要将亮度提升到80~100lm/W，如果要代替使用在汽车头灯上的HID的话，就更需要提高到120lm/W以上的发光效率。就技术上，如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW，配合高阶技术的封装能力，获得100lm/W的白光输出并不困难，包括Cree、日亚等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片，紧接着之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装业者的能力，如必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题，目前的做法包括了：降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。为了扩大LED特别是白光LED的用途，如何提高发光的效率、相应的辉度、延长使用寿命、降低热效应，以及降低每单位照明的成本等条件，这需要业界做出持续不断的努力。
紫外LED InGaN/荧光粉 InGaN的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝色LED 黄绿LED InGaN、GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白色LED
3
蓝色LED 绿色LED 红色LED InGaN AlInGaP 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白色LED
一、 LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用 二极管 产生于1960年。LED是英文light emitting diode( 发光二极管 )的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
二、 LED光源的特点
1. 电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2. 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3. 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
LED结构图如下图所示
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称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阳极流向阴极时，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。
表一列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。
从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。
而在发光演色的方面，虽然有这么大的功率输入到GaN LED中，但是所投入电力的四分之三都无法转换成光而形成热量，因此LED就会出现过热的现象，这也会直接影响到LED的演色结果。因为LED元件的基本特性是，如果温度上升，发光效率就会下降以及造成演色性偏差，所以如何有效的释放大量产生热量的放热技术成为了关键，因此将LED装在热传导率大、热容量大的材料上就成了相当重要的问题，目前大多是使用有价金属或者陶瓷。
在使用寿命的方面，目前已经都能够实现4万小时后才开始进入高峰衰退期的使用时间，但这却只能满足照明的最低要求，照明领域所需要的是更高的使用寿命，现在已经有客户要求LED业者提高寿命的要求，要求4万小时是达到高峰期的70%，也就是说高峰衰退期的使用时间是5.7万小时，而整体的使用寿命题将会提高到11.4万小时，比起目前的8万小时增加了近1/3。另一方面，LED的高峰衰退期是根据投入电量和点灯方法的不同有很大的变动，所以不可能明确定义，使得这一方面还是有一些问题存在。具体上白光LED的长寿命化，大多是透过封装材料的改变来达到，例如由目前的环氧树脂变为silicon来防止树脂黄变，在此同时还能够维持光通量，此外还有包括，采用D/B材料和反射结构的劣化防止技术，来达到改善热效应实现低温驱动。