劉紅超

（上海得倍電子技術(shù)有限公司，上海 201203）

0 引言

1907年，Round[1]年報道在SiC上發(fā)現(xiàn)了LED。而后，經(jīng)過大量科技人員不懈的研究和探索，尤其是因中村修二在藍(lán)光LED上的杰出工作[2,3]，目前，LED已經(jīng)越來越深入到我們的日常生活中：交通信號燈、廣告牌大屏幕、五光十色的樓宇裝飾、各大城市亮化工程……無不在大量地使用著 LED，北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等更是LED的綜合展示舞臺。單是上海世博會園區(qū)內(nèi)使用的LED，就超過了14億顆。如今，作為節(jié)能環(huán)保的第4代光源，LED越來越受到各國政府的青睞與支持。

LED光源得到迅速的推廣，主要是因其七大獨特的優(yōu)點。

1) 能效高：LED芯片自身發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到180 lm/W。加州大學(xué)中村小組設(shè)定的目標(biāo)是2013年達(dá)到230 lm/W，其理論效率則可以達(dá)260 lm/W。而現(xiàn)在鎢絲燈泡的發(fā)光效率只有15 lm/W，熒光燈則一般在70 lm/W至110 lm/W之間。

2) 環(huán)保無毒：目前廣泛使用的熒光燈含有汞蒸汽。這不僅在制造環(huán)節(jié)中給生產(chǎn)線工人造成人身傷害，更為嚴(yán)重的是使用者如果處置不當(dāng)也會中毒，對環(huán)境尤其是地下水更是造成了不可逆轉(zhuǎn)的污染。而LED是全固態(tài)形式，沒有不可控污染。

3) 壽命長：LED理論壽命可以達(dá)到100000小時，而一般鎢絲燈泡只有1000小時，熒光燈也不超過5000小時。顯然，推廣使用LED不但可節(jié)約大量的材料，而且也可大幅度地降低維修成本。

4)可靠性高：LED是基于半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的固體發(fā)光器件，不像鎢絲燈泡或熒光燈那樣需要真空或者玻璃密封，在使用過程中不易損壞。

5) 體積?。篖ED芯片的面積一般只有幾或幾十平方毫米。體積小使得光源可以放置在任意地方，而不像體積龐大的傳統(tǒng)鎢絲燈、熒光燈及各種氣體發(fā)光燈，對環(huán)境等有著較為嚴(yán)苛的要求。

6) 可控性：在生產(chǎn)過程中，不但可以通過調(diào)整外延片組分適當(dāng)?shù)卣{(diào)整單芯片LED的顏色，而且也可通過控制驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)LED燈具的亮度、顏色。因此，人們可以依照環(huán)境或自身的要求任意地設(shè)定LED燈具的亮度、顏色。

7) 冷發(fā)光：LED發(fā)出的光不含紅外輻射，而全部為指向性可用光。這使得LED的可用光效率較傳統(tǒng)光源高。

正是由于存在以上這些特點，使得LED越來越受到人們的重視。在石化能源越來越枯竭的時代，LED巨大的節(jié)能效應(yīng)，更是受到各國政府以及國際組織的推崇。研究表明，目前照明能源占總能源消耗的22 %左右。全球照明工具效率每提高1 %，每年可以節(jié)約能源20億美元。據(jù)美國能源部報告“THE PROMISE OF SOLID STATE LIGHTING FOR GENERAL ILLUMINATION”，在2000到2020年期間，使用LED使美國節(jié)約760 GW電力，減少2.58億噸碳排放，少建1000 MW規(guī)模電廠133個，共計節(jié)約1.15千億美元，全球則可節(jié)約500億美元。沒有任何一項電器用品能起到如此巨大的節(jié)能效果。美國政府期望到2025年，半導(dǎo)體照明將占照明市場的50 %，每年因此可減少數(shù)億噸的碳排放。為此，各國政府都投入了大量資金，支持、鼓勵LED產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，如中國有“十城萬盞”計劃，韓國政府則制定計劃在2015年之前，將首爾所有照明燈具都升級成LED。未來，隨著LED效率的提高、量產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大及其帶來的成本下降，LED將走進(jìn)每一個家庭。

本文先介紹了LED工作原理，然后從整個LED產(chǎn)業(yè)鏈的角度，介紹了LED芯片的襯底材料、外延生長、芯片制造、封裝、白光LED所用熒光粉以及驅(qū)動電源等。本文還討論了如何通過創(chuàng)新設(shè)計、優(yōu)化材料和工藝，來達(dá)到以最低的制造成本、最少的能量輸入，得到更高效率、更長壽命的 LED，并介紹了相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展。

1 LED工作原理

上世紀(jì)60年代誕生了首只GaAsP紅色LED。30多年后，以氮化物為代表的藍(lán)色、綠色LED取得了歷史性的突破，LED三基色完備的發(fā)光體系得以形成。這些光源是人類歷史上成本最低廉、最為實用的純凈光源，為我們?nèi)粘Ｉ畹牟噬彰魈峁┝藷o限的可能性。簡單地說，LED發(fā)光是基于半導(dǎo)體材料中電子與空穴復(fù)合，處于價帶中的電子被外加電場激發(fā)到導(dǎo)帶后，自身原來位置留下一個表現(xiàn)為正性的電荷空穴。處于導(dǎo)帶中高能態(tài)電子如果躍遷回價帶，與空穴復(fù)合，這時電子所攜帶的多余能量需要釋放出來。如果該多余能量是以電子與晶格相關(guān)作用而釋放即產(chǎn)生聲子，就會產(chǎn)生熱；如果該多余能量是以光子形式釋放，就產(chǎn)生了光。光子能量即為兩個位置間的能量差，決定了光波波長，如圖1所示。

圖1 LED發(fā)光原理Fig.1 Principle of LED

根據(jù)量子力學(xué)原理，光子輻射需要保持動量守恒。在直接帶隙材料中，最低導(dǎo)帶和最高價帶處于同一個動量空間，這時電子空穴復(fù)合不需要借助動量轉(zhuǎn)換，速度快，效率高；而在間接帶隙材料中，最低導(dǎo)帶和最高價帶處于不同的動量空間，這時電子空穴復(fù)合需要先進(jìn)行動量轉(zhuǎn)換，即借助晶格振動轉(zhuǎn)換電子所需的動量空間，該復(fù)合會產(chǎn)生聲子即熱，電子空穴產(chǎn)生光子的復(fù)合速度慢，效率低。實際應(yīng)用中，價帶中帶有正電性空穴的材料就是P型半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中帶有自由電子的材料就是N型材料?；谠摪l(fā)光原理，可設(shè)計成如圖2所示的發(fā)光器件，此即LED，其結(jié)構(gòu)主要為一個PN結(jié)。

圖2 LED器件結(jié)構(gòu)Fig.2 Device structure of LED

該器件工作原理如下：在PN兩邊施加正向電壓情況下，多數(shù)載流子（P型材料中的空穴，N型材料中的電子）跨過PN結(jié)的耗盡層，成為少數(shù)載流子。隨著少數(shù)載流子的不斷注入，其濃度不斷增高，在其擴(kuò)散過程中與多數(shù)載流子復(fù)合，不斷地發(fā)出光線。但是，除了產(chǎn)生光的復(fù)合以外，其他復(fù)合過程并不產(chǎn)生光子，而是產(chǎn)生聲子，即產(chǎn)生熱；材料中晶格缺陷的存在也會增加這些非輻射型復(fù)合所產(chǎn)生的幾率。產(chǎn)生光和熱的幾率可以通過量子力學(xué)計算，這也就決定了LED的發(fā)光效率。這個效率被稱之為內(nèi)量子效率（internal quantum efficiency），即跨過PN結(jié)的多數(shù)載流子主要是電子有多少轉(zhuǎn)化為光子。根據(jù)LED的原理，要形成一個有效發(fā)光器件有六個條件。

1) 該半導(dǎo)體材料能通過摻雜形成足夠濃度空穴及電子的穩(wěn)定P型與N型材料。如硅(Si)、鍺(Ge)等通過摻雜磷(P)、砷(As)、銻(Sb)，GaN, GaP, GaAs通過摻雜銦(In)等形成 N 型半導(dǎo)體；Si摻雜硼(B)，GaN, GaP, GaAs等摻雜鋁(Al)等形成P型半導(dǎo)體。

2) 發(fā)出光子的電子空穴復(fù)合過程要盡可能地多。這首先要求直接用帶隙半導(dǎo)體而不是間接帶隙半導(dǎo)體材料來組成LED發(fā)光器件。Si是最常用的半導(dǎo)體材料，但是因為它是間接帶隙，如果用它作為發(fā)光器件，其發(fā)光效率就比較低；而GaN等就是直接帶隙材料，發(fā)光效率就比較高。結(jié)構(gòu)上將發(fā)光活性PN層做成多重量子阱（MQW, Multi-Quantum-Wee）以便提高電子空穴的復(fù)合幾率。

3) 能不斷地激發(fā)電子或空穴的產(chǎn)生。這需要外加場（主要是外加電場）能有效地加在器件PN結(jié)兩邊；通過在PN結(jié)兩端加上導(dǎo)電材料即電極來實現(xiàn)。

4) 發(fā)出的光能有效地導(dǎo)出來，也就是要求PN及其組成器件的其他材料能讓光線有合適的出射窗口，并對所引出的光線透明，尤其是電極材料，如采用ITO等。

5) 能讓電流通過時產(chǎn)生的熱能有效地散發(fā)出去，以防止對半導(dǎo)體器件的能級正常分布造成顯著影響，影響器件的正常工作，如波長發(fā)生改變等。這需要材料具有良好的導(dǎo)熱性能。

6) 如果要發(fā)出可見光，則要求組成PN結(jié)半導(dǎo)體材料，其帶隙能量對應(yīng)的光波波長應(yīng)在可見光范圍之內(nèi)，或者所發(fā)光（如紫外光）能有效地轉(zhuǎn)換為可見光。可見光范圍為4000 A到7000 A，其對應(yīng)能量范圍為1.8～ 3.1 eV，帶隙能量要在這個范圍內(nèi)。如果帶隙大于3 eV，就需要通過波長轉(zhuǎn)換才能用作可見光。

根據(jù)以上要求，典型LED器件如圖3所示。為了獲得低缺陷密度的半導(dǎo)體材料，通常采用外延（Epitaxy，簡稱Epi）方法在晶體襯底材料上生長出晶體缺陷密度低的LED器件層，通過光刻（lithography）、刻蝕（etching）、濺射（sputtering）等半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝得到一定的器件形狀和構(gòu)造，并形成良好的電接觸膜，這就是LED芯片（chip）。同時為了保護(hù)LED芯片免受外界損傷，并很好地導(dǎo)入電，導(dǎo)出發(fā)出光，還需要對芯片進(jìn)行封裝。如前所述，LED在工作時，還會發(fā)熱，需要考慮散熱，尤其是在大功率LED封裝時需要考慮散熱。另外，LED所用化合物材料還對靜電特別敏感，所以要對其加入靜電保護(hù)器件，如TVS管等，以防止靜電對LED芯片造成傷害。

圖3 封裝好的LED器件剖面（基于飛利浦產(chǎn)品）Fig.3 Schematic structure of assembled LED

早期LED器件主要是以GaAs或GaP為主的紅光器件，發(fā)光效率比較低。為了使LED能高效地發(fā)出其他顏色的可見光，如藍(lán)光和綠光等，人們進(jìn)行了不懈的努力。直到20世紀(jì)90年代，在Assaki解決了GaN系LED發(fā)光器件P型摻雜問題[4]，以及被譽為“藍(lán)光之父”的中村修二引入緩沖層解決了異質(zhì)外延生長問題和采用基于藍(lán)色LED加黃色熒光粉以獲得白光的突破性進(jìn)展以后[2,3]，人們才看到了LED在日常照明中應(yīng)用的希望，也帶來了LED產(chǎn)業(yè)的繁榮。在照明應(yīng)用中，除了采用合適的LED器件外，還需要提供能夠滿足 LED恒定電流工作要求的電驅(qū)動器件（LED driver）；同時通過光學(xué)設(shè)計，加入透鏡等光學(xué)部件，將指向性非常強的LED光進(jìn)行重新分布，以滿足用光環(huán)境要求。因此，LED的產(chǎn)業(yè)鏈劃分為以下環(huán)節(jié)：襯底、外延、芯片、封裝、 LED驅(qū)動及燈具。各環(huán)節(jié)所涉及到的關(guān)鍵材料如圖4所示。目前，LED在照明方面應(yīng)用以替代傳統(tǒng)照明工具為主，燈具設(shè)計方面有成熟技術(shù)可以借用。以下將主要介紹照明應(yīng)用的LED所涉及的襯底(substrate)、外延(epi)、芯片(chip)、封裝(assembly)、LED驅(qū)動(driver)等環(huán)節(jié)的最新技術(shù)進(jìn)展及研究發(fā)展動向。

圖4 LED產(chǎn)業(yè)鏈Fig.4 Supply Chain of LED

2 襯底材料

襯底材料是為了降低在其上生長的LED薄膜器件的晶體缺陷密度的一個載體，其選擇最主要考慮因素是其晶格常數(shù)與LED器件所用材料的匹配性，包括晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)，兩者越接近就越有可能生長出好的LED器件，反之，其內(nèi)生缺陷密度就不能降低。如果在后續(xù)封裝工藝中，襯底材料不剝離，還要考慮其光學(xué)和熱學(xué)性能，即有良好的透光性，與外延材料接近的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性能。當(dāng)然，成本也是一個最重要的考慮因素。目前，工業(yè)應(yīng)用中，LED的主要襯底材料有以下幾種：藍(lán)寶石(Sapphire)、SiC晶體、Si單晶。另外，紅光LED主要采用GaP和GaAs作為襯底，非常成熟。這幾種材料主要物理性質(zhì)如表1所示[5]。

表1 LED襯底材料主要物理性質(zhì)Tab.1 Major physical parameters of LED substrates

2.1 藍(lán)寶石

藍(lán)寶石即Al2O3的一種三角晶系結(jié)晶形態(tài)，價格合適，透光性好。但它一開始并不是最佳的LED襯底，主要是由于其晶格常數(shù)（4.765 ? ）和GaN的晶格常數(shù)（3.2? 左右，在外延中要加入Al和In對GaN進(jìn)行摻雜改性，以期得到合適的禁帶寬度及導(dǎo)電性）相差50 %左右。這就意味著，如果直接在其上生長GaN薄膜，就會導(dǎo)致晶體缺陷密度高，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量性能。早在20世紀(jì)80年代，Yoshida等就開始采用在藍(lán)寶石上引入AlN包裹層，以緩解GaN與藍(lán)寶石間巨大的晶格系數(shù)差別所帶來的應(yīng)力，同時也有助于緩解二者之間因熱膨脹系數(shù)不一樣帶來的可靠性問題，所得外延層結(jié)晶性能和發(fā)光效率有了較大提高[6]。但直到中村修二等改進(jìn)外延設(shè)備，在生長活性外延層前，先生長AlN外延作為緩沖層（buffer layer），同時解決P型摻雜問題后，才使得基于藍(lán)寶石襯底生產(chǎn)藍(lán)光LED的技術(shù)得到質(zhì)的飛躍，讓人們看到了LED在照明中應(yīng)用的希望[2,3]?，F(xiàn)在，藍(lán)寶石成為被最廣泛采用的LED襯底材料，占到工業(yè)用LED襯底的90 %，亞洲及歐洲主流廠家都采用其作為襯底材料，如Lumileds, Osram, 日亞等。雖然生產(chǎn)中，主流尺寸仍然是2”，但是在更大尺寸上進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)仍是工業(yè)界的努力方向。現(xiàn)在最先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)開始采用6”藍(lán)寶石作為襯底材料，如Lumileds等公司。Monocrystal能提供的最大尺寸可以到10”，但是用于LED實際生產(chǎn)需要設(shè)備材料工藝配合，還有很長一段路要走。

在工業(yè)界努力擴(kuò)大藍(lán)寶石襯底可生產(chǎn)尺寸的同時，學(xué)術(shù)界也在研究如何提高基于藍(lán)寶石襯底材料 LED的發(fā)光效率。研究工作重點集中在改變藍(lán)寶石襯底的表面形狀，從而提高出光率。Yamada等發(fā)現(xiàn)在有圖形藍(lán)寶石襯底(PSS, Patterned Sapphire susbtrate)上生長紫外和藍(lán)色LED，能顯著地提高出光效率，結(jié)果顯示外量子效率可以提高到34.9 %[7]。Chang等比較了在常規(guī)襯底以及PSS上生長的LED亮度，發(fā)現(xiàn)有圖形襯底能提高35 %，同時發(fā)現(xiàn)PSS上LED可靠性也較高。他們將原因歸結(jié)為生長在有圖形襯底上GaN外延的位錯密度較小[8]。Lee等采用濕法腐蝕得到規(guī)則{1-102}晶面顯露PSS，發(fā)現(xiàn)PSS的LED輸出功率為常規(guī)LED的1.15倍[9]，間接地證明了缺陷密度的降低。Yan等發(fā)現(xiàn)在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行納米刻槽有助于吸收位錯，可以降低GaN外延層位錯密度，與常規(guī)襯底相比，器件性能可改善46 %[10]。Yang等通過模擬和實驗證實襯底材料厚度對LED的出光效率有著明顯的影響，同時也通過實驗表明藍(lán)寶石底面規(guī)則圖形也能增強LED出光[11]。Jhin采用離子注入方法，在襯底上形成不同N+濃度區(qū)域，也有助于后續(xù)外延生長中位錯密度的降低，出光量提高了78 %[12]。Chen等通過光刻方法在襯底上形成納米級圖形（nano-patterned sapphire susbtrate），其上外延質(zhì)量得到了較大的提高，輸出光功率也提高了1.3倍，但是在外延與襯底界面也會形成一些空洞，這對器件散熱可能會造成影響[13]。Oh等采用光刻和反應(yīng)離子刻蝕方法，在藍(lán)寶石襯底上形成不同間距的微透鏡，發(fā)現(xiàn)LED器件漏電電流隨著微透鏡間距增大而減少，間距為5 um時，LED輸出功率可增大到通常的155%[14]。

2.2 SiC

SiC在商業(yè)化LED襯底領(lǐng)域市場占有率處于第二位。最早的LED現(xiàn)象就是在SiC上發(fā)現(xiàn)的。由于SiC自身為間接帶隙材料，發(fā)光效率不可能很高，但卻可以作為襯底材料。如表1所示，SiC襯底較Al2O3有許多優(yōu)點，如與GaN基材料晶格系數(shù)失配小，導(dǎo)熱性能好，因此其在高功率LED生產(chǎn)中表現(xiàn)獨樹一幟。SiC襯底優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，使得LED器件不需要像Al2O3襯底器件那樣采用倒裝焊技術(shù)，而采用上下電極結(jié)構(gòu)，就能比較好地解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前效率最高的高功率LED（180 lm/W）就是基于SiC襯底。但是SiC晶體成本高，主要為美國Cree公司所采用，并擁有大量專利，使得其他公司進(jìn)入這個領(lǐng)域的門檻極高，因此，事實上形成了Cree公司在SiC基LED方面的壟斷地位。

無論是將SiC作為器件本身還是作為襯底材料，最大的難點是得到高結(jié)晶質(zhì)量的SiC晶體。SiC不僅生長溫度高，而且還有多種結(jié)晶形態(tài)，如立方體和六方體等，六方體還有很多種多形體，所以要在高溫下對晶體生長進(jìn)行很好的控制，以得到結(jié)晶質(zhì)量高、微管 (micropipe) 少的6H-SiC。這是一項非常有挑戰(zhàn)性的工作。美國Cree公司不僅首先獲得了大尺寸6H-SiC晶體[15,16]，而且在GaN外延生長及器件上都有巨大優(yōu)勢[17,18]，在這方面處于絕對領(lǐng)先地位。Yeo等還嘗試直接生長非極性的面SiC晶體。他們通過PVT方法，生長出了2”的m面和a面質(zhì)量較好的非極性SiC晶體[19]。

在SiC基LED材料中有兩個值得關(guān)注的研究動向。一是為解決熒光粉的顯色性以及提高轉(zhuǎn)換效率而采用SiC中激發(fā)載流子與施主受主對（Donor-and-Acceptor pairs）復(fù)合作為紫外光LED熒光材料[20]，這樣就有可能在 LED芯片生產(chǎn)過程直接實現(xiàn)白色 LED，而不需要在封裝過程中額外添加熒光粉，可以降低 LED生產(chǎn)成本。該方法是通過在SiC中引入N-B和N-Al施受主能級，受紫外光激發(fā)產(chǎn)生的載流子就有可能在摻雜引入的施主或受主能級復(fù)合，發(fā)光波長范圍能較好地覆蓋可見光范圍，從而得到演色性很好的白光。另一個是采用直SiC作為LED器件。眾所周知，SiC是間接帶隙材料，不適合做LED器件，但是目前GaN基LED存在綠色鴻溝（Green Gap），即綠光LED效率非常低，這就使得SiC基作為綠光LED候選材料成為可能。SiC基LED結(jié)構(gòu)簡單，不需要像GaN基材料那樣需要多層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱性好。Sachin等[21]利用激光輔助摻雜方法，得到了P-I-N LED器件。Yang等[22]通過n-SnO2納米棒在4H結(jié)晶P型SiC上形成LED器件。Shih等[23]則通過原子層積方法得到n-ZnO/i-ZnO/p-SiC LED，其發(fā)光波長位于紫外光范圍。另外，還有很多研究還嘗試過依靠無定形SiC制造薄膜LED[24-29]。

2.3 Si襯底

Si單晶是在半導(dǎo)體行業(yè)廣泛使用的基礎(chǔ)晶體材料，其晶體生長技術(shù)成熟，結(jié)晶質(zhì)量高，成本極低。然而，與藍(lán)寶石襯底一樣，Si晶格常數(shù)和GaN基材料相差很大，達(dá)到50 %以上，這就意味著要得到高結(jié)晶質(zhì)量的GaN外延層非常不容易。國內(nèi)外很多知名機(jī)構(gòu)包括歐洲IMEC，國內(nèi)南昌大學(xué)（晶能光電）都投入了很大精力以期在單晶硅上生長GaN LED器件。Hasegawa等在單晶硅襯底上采用液滴外延（droplet-epitaxy）自組織形成GaAs島，并以此作為活性區(qū)域制作了LED器件[30]。Chuong等采用MOCVD方法在Si襯底上得到晶格缺陷密度較低的藍(lán)光LED[31]。 Kikuchi等在Si上得到了一種柱式結(jié)構(gòu)LED器件，其波長可從綠光到紅光[32]。Fujikawa等還在Si襯底上實現(xiàn)了深紫外LED，其波長可到280 nm DUV范圍[33]。Wakui等則用分子束外延方法不僅得到GaN藍(lán)光LED，而且集成了微冷卻通道Si基冷卻裝置[34]，這也為在GaN LED器件中集成Si控制器、MEMS等器件提供了可能。 Sawaki等采用區(qū)域選擇性外延方法，在Si襯底上生長出性能良好半極性（semi-polar）的GaN LED[35]。

這方面最為引人注目的是以江風(fēng)益教授為帶頭人的南昌大學(xué)（晶能光電）團(tuán)隊，在基于單晶Si襯底上生長GaN LED器件方面取得了非常不錯的成績[36]。同時他們也將研究成果成功地轉(zhuǎn)化到工業(yè)生產(chǎn)中，形成了一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。但是，相較于藍(lán)寶石襯底以及SiC襯底，在Si襯底上要實現(xiàn)大功率LED穩(wěn)定量產(chǎn)還需要更多的努力。

2.4 GaN襯底

對于GaN基LED而言，最好選擇采用GaN晶體作為其同質(zhì)襯底材料，這樣可以避免異質(zhì)結(jié)外延所帶來的晶格缺陷，從而提高LED器件的可靠性與發(fā)光效率。但是GaN在高溫下易分解，難于熔化（目前只能在6 GPa壓力、 2200 ℃以上的氮氣氛圍中液化），因此，氮化鎵單晶材料的生長極為困難。目前得到 GaN 單晶片最為有效的方法都是通過氣相沉積方法在襯底材料上使其長到一定厚度，通過激光剝離，然后以此為底材通過外延方法得到厚GaN單晶片。這種方法生長速度慢，成品率低，因而成本非常高，還不能用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。目前研究GaN晶體生長的工作非常多，可參見文獻(xiàn)[37]。找到一種低成本生長GaN晶體生長技術(shù)，對LED產(chǎn)業(yè)有著非常重要意義。如采用GaN材料作為襯底生長外延，所得到的LED器件光效等得到大幅提高。Nishida等在GaN上實現(xiàn)了大功率高效率紫外LED，內(nèi)量子效率超過80 %[38-39]。

2.5 其他襯底材料

其他襯底材料包括ZnO, ZnS和LiAlO2。這些材料的一個最大優(yōu)點就是其晶格常數(shù)與GaN基外延材料晶格常數(shù)非常接近，可以實現(xiàn)低缺陷密度的外延生長，但其共同弱點是在高溫下易分解，不易控制外延生長氣氛。目前前兩者主要作為量子點器件研究比較多。LiAlO2生長溫度低，加工容易，而且尤為重要的是可以在其上比較容易地生長非極性GaN外延層，同時還可以作為生長GaN晶體的襯底材料。Waltereit為克服GaN內(nèi)自發(fā)極化電場對LED性能的影響，首先在四方LiAlO2上實現(xiàn)了非極化面GaN外延生長，為提高LED發(fā)光效率提供了可能[40]。鄒軍等取得了結(jié)晶質(zhì)量良好的?-LiAlO2晶體[41]，Chou等采用Czochralski方法生長了LiAlO2，并得到以此作為襯底材料生長的非極性面GaN基LED[42]。Xie等研究了在γ-LiAlO2上生長非極性m面GaN基LED結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，外延表面粗糙度得到很大改善[43]。Huang等研究了在LiAlO2襯底上實現(xiàn)m面GaN基LED器件，發(fā)現(xiàn)外延層中缺陷密度降低，光偏振也表現(xiàn)出各向異性[44]。Zhang等模擬了生長在LiAlO2上非極性m面GaN所發(fā)光偏振度及其對能級的影響，晶格常數(shù)差別而導(dǎo)致的不完整對稱導(dǎo)致了晶體各項異性，實驗得到偏振度為60 %綠光，驗證了理論模擬的結(jié)果[45]。國外對基于該材料LED生產(chǎn)技術(shù)研究得比較少，其專利主要為新進(jìn)入者擁有，因而比較受到國內(nèi)重視，如國內(nèi)南京大學(xué)、上海光機(jī)所等科研單位投入了很多精力。但是要將該技術(shù)真正應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈，還需要國內(nèi)企業(yè)更多的參與才能做到。

3 外延

外延是LED器件核心：增加LED發(fā)光所需要的PN活性層多重量子阱結(jié)構(gòu)，消除外延材料和襯底材料間晶格失配所帶來的應(yīng)力，以及為提高出光效率所做出的主要努力都集中在這一環(huán)節(jié)，其典型結(jié)構(gòu)如圖 5所示。從圖中可以看到，外延材料是由多層不同組分的材料構(gòu)成，包括緩沖層、電流限制層、波導(dǎo)層、多重量子阱結(jié)構(gòu)層、電接觸層等。它們分別起著緩沖應(yīng)力、導(dǎo)光、PN結(jié)復(fù)合發(fā)光以及電流導(dǎo)入等作用，其中MQW層是不同組分厚度只有幾個納米的多層薄膜結(jié)構(gòu)，要求單層厚度一致，化學(xué)組分分布均勻。這對外延過程控制及設(shè)備提出了非常高的要求。外延生長過程中所涉及到溫度場、氣流控制直接影響所得到LED芯片中局部成分和厚度的均一性，從而影響波長、工作電壓以及發(fā)光效率[46,47]。圖6顯示了材料組分對發(fā)光波長的影響。雖然有多種方法進(jìn)行外延生長，如精密的原子沉積法（ALD）和快速的PECVD等，但考慮到生產(chǎn)效率、所得外延質(zhì)量等因素，目前最為常用的方法還是MOCVD方法。GaN基外延晶體生長采用高溫CVD，溫度要高達(dá)1600 ℃，這對反應(yīng)爐滿足層流要求的設(shè)計、氣流均勻性控制都有著非常高的要求。導(dǎo)入緩沖層與異質(zhì)結(jié)器件結(jié)構(gòu)有助于降低生長溫度?，F(xiàn)在InGaN反應(yīng)溫度已能降低至700 ℃，AlGaN則需要1100℃，但同時對整個反應(yīng)器特別是溫度控制提出了更高的要求。為了使氣流能更好地得到控制，一般都采用雙氣流注入設(shè)計[48]。工業(yè)化生產(chǎn)還要求高效率、良好的均一性和可重復(fù)性、易于操控性。這些對 MOCVD設(shè)計生產(chǎn)提出了非常高的要求。目前主要的反應(yīng)器供應(yīng)商為Aixtron和Vecco[49]。

圖5 一個典型LED芯片TEM圖像Fig.5 A typical cross-section of LED chip

圖6 AlInGaN基LED中成分對波長的影響Fig.6 The relationship between composition and wavelength of AlInGaN LED

研究外延層主要還是為了提高出光效率。目前主要有以下兩種方法。一是生長非極化面外延材料，可以避免材料內(nèi)在極化電場存在時引入晶格缺陷及其帶來的缺陷復(fù)合，從而可以增大有效光復(fù)合幾率，提高LED器件內(nèi)量子效率。中村修二加州大學(xué)研究小組在生長非極性面和半極性面LED外延方面作了相當(dāng)多的工作，取得了令人矚目的結(jié)果。他們研究了在GaN襯底上生長非極性GaN a面和m面外延LED器件，發(fā)現(xiàn)外延密度缺陷降低，能大大提高LED發(fā)光效率，外量子效率可以達(dá)到45.4 %，并且有助于降低Intensity droop效應(yīng)（LED發(fā)光效率隨著電流密度增加而降低的現(xiàn)象）[50,51]；Chang等也證實了非極性m面GaN LED Droop較低，光線偏正化較強，可達(dá)68%[52]。Saito等突破性地實現(xiàn)了在a面3寸藍(lán)寶石襯底上生長了m面GaN基LED，并取得了毫瓦級功率輸出[53]。Wetzel等嘗試通過生長非極性外延材料解決綠色LED發(fā)光效率較低的問題。他們通過比較極化面和非極化面LED性能看到，非極化面LED發(fā)光波長隨電流增大幾乎不發(fā)生變化。這表明LED波長隨電流變化可能是由于內(nèi)部極化電場相關(guān)。這為解決所謂綠色鴻溝提供了機(jī)會[54]。二是通過控制生長過程缺陷、晶體取向等控制，降低外延層缺陷，從而提高LED輸出功率。Lo等展示了通過選擇性阻斷辦法實現(xiàn)低缺陷密度外延，這樣得到的LED器件，其輸出功率提高了45%[55]。Fraijtag等發(fā)現(xiàn)外延與襯底界面處空洞可以起到吸收外延生長過程中位錯和缺陷的作用，通過在藍(lán)寶石和外延界面有目的地制造空洞，可以得到缺陷密度降低100倍的GaN外延，如圖7所示。這為大幅提高基于藍(lán)寶石襯底的LED效率提供了可能[56]。Ou等也研究了SiC晶體取向?qū)aN外延中位錯密度的影響，發(fā)現(xiàn)沿[112-0]方向偏2.3度得到的外延缺陷密度最低[57]。

圖7 GaN外延中空洞大大降低了缺陷密度，左邊為一般方法，右邊有空洞Fig.7 The void in the epi-layer reducing defect density, left is normal GaN, right is GaN with void

4 LED芯片（Chip）

在有了LED外延后，還要加上電源，才能成為可使用器件。LED外延片通過光刻、薄膜、刻蝕等生產(chǎn)工藝后，形成了LED芯片。這一步驟主要功能是：加上電極材料形成電接觸，讓MQW所發(fā)出的光盡可能地發(fā)出來。電極材料應(yīng)該對光導(dǎo)出所產(chǎn)生的負(fù)影響最小。這就要求它盡可能對所發(fā)出的光透明，如采用ITO或者非常薄的金屬膜等。這些都是成熟半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝。但是GaN基材料的折射系數(shù)比較大，全反射角度也比較大。這意味有相當(dāng)一部分光導(dǎo)不出來。這就需要對芯片表面進(jìn)行改進(jìn)，以增加光的出射機(jī)會。Fujii等首先報導(dǎo)了通過粗化LED器件表面，可以大大提高LED出光效率。他們將表面制成小拱頂形，如圖8所示，這樣通過芯片頂部出的光量可提高4倍[58,59]。Huang等發(fā)現(xiàn)通過對器件表面進(jìn)行納米級粗化，芯片出光增加了1.4倍，20 mA電流的驅(qū)動電壓從3.65 V降低到3.5 V，串聯(lián)電阻降低了20 %。這些不僅提高了出光效率，也使整個器件能源利用率得以大幅提高[60]。King等使用激光全息技術(shù)，在LED芯片表面形成二維結(jié)構(gòu)光子晶體，發(fā)現(xiàn)LED光輸出功率將近加倍[61]。Jang等通過在表面結(jié)構(gòu)導(dǎo)入光子晶體的方法，將光效提高了25 %[62]。LEE等通過干法刻蝕方法，在LED n型半導(dǎo)體面上形成不同形狀的表面紋理，發(fā)現(xiàn)光的輸出效率從37 %提高到45 %，主要原因是側(cè)壁散射增加，發(fā)射損失減少[63]。另外通過將芯片刻蝕成有助于出光的形狀，如圖9所示，引入全向反射層[64,65]（omnidirectional reflector ODR）與電流限制層等措施，以及將厚襯底材料剝離，轉(zhuǎn)移到高反射面硅襯底上，也能提高光輸出效率。Wong等采用激光liftoff方法將LED發(fā)光器件層從藍(lán)寶石襯底剝離，然后轉(zhuǎn)移到Si支撐襯底上，最后在丙酮中剝離出LED薄膜器件，其器件特性與發(fā)光性能都沒有改變[66]?，F(xiàn)在這些方法已經(jīng)在實際生產(chǎn)中應(yīng)用，用于提高LED出光效率。

圖8 通過改變LED芯片上表面結(jié)構(gòu)，可以提高出光率Fig.8 Improved LED light extraction efficiency by texturing surface

圖9 采用不同芯片形狀，引入不同結(jié)構(gòu)層，LED出光率得到提高Fig.9 The extraction efficiency in various forms of LED chip

4.1 白色LED芯片

有多種可能途徑可在同一LED芯片上得到不同發(fā)光波長以實現(xiàn)單一的白色LED芯片，但目前都還處在研發(fā)階段。

一種比較簡單也比較容易理解的方法，是疊加不同波長的MQW以形成多色的LED。Damilano發(fā)現(xiàn)InxGa1-xN (x = 0.15～0.2)/GaN MQW (MQWs)的厚度增加時，LED的發(fā)光波長從藍(lán)到黃變化，為單一芯片實現(xiàn)白光提供了可能，并制備了色溫為8000 K的準(zhǔn)白光器件[67]。Ozden通過兩層MQW中插入一個p++/n++InGaN/GaN 隧道效應(yīng)結(jié)的方法實現(xiàn)了單一芯片發(fā)出黃光和藍(lán)光的LED，證實了在單一芯片上實現(xiàn)白光是可能的[68]。Chen等采用疊層方法，即在一種波長MQW上疊加生長另一種波長MQW而得到準(zhǔn)白色單一芯片的LED[69]。Zhang僅通過改變量子阱中 InGaN 層的厚度就能使發(fā)射的光波長從470 nm改變到504 nm，而銦濃度變化能將發(fā)射光波長在400 nm～470 nm范圍內(nèi)發(fā)生改變[70]。Qi等采用疊層方法，得到綠藍(lán)雙波長LED[71]。Chen等在對應(yīng)于藍(lán)綠波長MQW單芯片LED上面，再裹上CdSe-ZnS納米晶體，以便得到由三基色組成的白光。但是，在這種LED中，其藍(lán)綠光強度比例會隨著電流的變化而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最終LED波長不穩(wěn)定[72]。沈光地等研究了通過MOCVD獲得單一芯片藍(lán)綠雙波長LED方法[73]。Damilano在單一芯片內(nèi)通過構(gòu)造不同組分的(Ga,In)N/GaN MQW來發(fā)出藍(lán)光和黃光，從而得到了白光LED[74]。

值得關(guān)注的是，Wang等通過控制MQW下面的InGaN層厚度，發(fā)現(xiàn)在特定厚度下，活性層中量子阱結(jié)構(gòu)中局部銦濃度富集區(qū)域與非富集區(qū)域等得到了較好的控制。這樣所得到的LED器件能同時發(fā)出黃光(563 nm)和藍(lán)光（443 nm)，其相對強度不會隨電流大小而變化，光衰也較藍(lán)光加熒光粉所得到的白色LED器件大幅減少，從而簡單可靠地得到單一芯片的LED白光器件。這里控制InGaN層的厚度非常關(guān)鍵。如果該技術(shù)能證明可以用于大規(guī)模生產(chǎn)，必將大大簡化LED生產(chǎn)工藝，降低成本，提高器件可靠性。這對LED芯片行業(yè)有著非常重要的意義[75,76]。

實現(xiàn)單芯片白光LED的第二種方法是在芯片生產(chǎn)過程中引入稀土等元素。這樣除了半導(dǎo)體自身發(fā)光以外，這些短波長光還能被稀土元素所吸收，從而激發(fā)熒光，而不同波長的光子復(fù)合發(fā)出白光。與采用外置熒光材料不一樣的是，這里稀土元素在GaN外延生長時原位被引入半導(dǎo)體材料晶格內(nèi)，作為摻雜元素出現(xiàn)。這方面研究頗受關(guān)注[77-80]。

單芯片白光LED還可以通過量子點器件實現(xiàn)。量子局限效應(yīng)（quantum confinement effect）可以用來調(diào)節(jié)發(fā)光器件波長[81]。Kishino通過自組織方法在藍(lán)寶石和Si襯底上合成了GaN基納米柱，不僅觀察到發(fā)光效率的提高，而且發(fā)現(xiàn)LED發(fā)光波長并沒有隨著電流密度的變化而發(fā)生改變[82]。Lin等通過自組裝方法得到無應(yīng)力GaN納米棒作為InGaN生長基板，通過控制這些顆粒組分、位置和厚度，成功地實現(xiàn)了自然白光LED器件[83]。這方面的更多進(jìn)展可以參見文獻(xiàn)[84]。

4.2 其他材料LED

ZnO與 GaN晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格失配度非常小，禁帶寬度接近，接觸勢壘小。但是，ZnO作為 GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長溫度氣氛中容易分解腐蝕。同時，ZnO本身也可以作為LED發(fā)光材料，直接帶隙，禁帶寬度為3.37 eV，可用于紫外光波段的LED[85]。ZnO材料的生長非常安全，國外專利較少，因此，國內(nèi)研究ZnO基LED材料比較多。Jiao等通過分子束外延方法在藍(lán)寶石上得到PN結(jié)ZnO基LED發(fā)光器件，但隨著溫度升高，器件性能明顯變差[86]。Xu等通過MOCVD方法在n型ZnO體材料上生長P型ZnO膜，得到了同質(zhì)結(jié)LED，空穴濃度為1016～1017 cm?3，遷移率1～10 cm2V?1S?1[87]。但這些工作都不足以證實ZnO的工業(yè)化前途。日本早期在ZnSe方面的研究比較多[88,89]，包括ZnS晶體生長和ZnS基LED器件，但因其發(fā)光效率低，可靠性差，壽命較短而放棄。受制于成本和供應(yīng)鏈等因素，這些材料即使將來能工業(yè)化生產(chǎn)，也可能只能用于一些特殊市場。

5 封裝

在得到LED芯片后，還不能直接用于實際應(yīng)用。這是因為：1) LED芯片特別小，一般在幾個平方毫米，甚至更小，直接使用不方便；2) LED芯片需要適當(dāng)導(dǎo)線與外界連接，以便加電；3) LED需要保護(hù)，芯片很脆弱，容易受外力損傷而損壞表面甚至遭到破壞；GaN基LED芯片也特別容易被靜電損壞，需要對它進(jìn)行靜電保護(hù)；4) LED芯片所發(fā)出的熱能要及時散發(fā)，以便芯片能正常工作；5) 一般LED芯片發(fā)出的光都是單色光，如果要得到復(fù)合光譜或者是白光，就需要將多種顏色的芯片組合在一起，或者是在封裝中引入熒光粉；6) LED芯片發(fā)光指向性很強，容易使人眩暈，因此還需要對光進(jìn)行重新分配。由于上述各原因，需要對芯片進(jìn)行封裝。

LED封裝首先要解決散熱問題。LED照明應(yīng)用要求的功率越來越高，單個LED從初期幾十毫瓦，到現(xiàn)在幾瓦；但是隨著功率不斷提高，工作時溫度變高了，LED變得更熱了。LED PN結(jié)中電子空穴復(fù)合，多余能量以光子形式發(fā)出，這個過程并不產(chǎn)生熱量。但外加電能條件下，這些復(fù)合并不都是以光子形式發(fā)出，電子空穴復(fù)合以及遷移運動中碰撞還會以聲子(phonon)的形式發(fā)出。這些聲子在微觀上表現(xiàn)為晶格振動，宏觀參數(shù)就是溫度。另外，LED發(fā)出的光并不能 100 %被導(dǎo)出，這一部分光也會變成熱量。實際上，只有不到30 %的輸入電功率被轉(zhuǎn)化為光，其余70 %以上變成熱量。如表2所示，LED所產(chǎn)生的熱量，與其他發(fā)光器件不同，90 %需要通過熱傳導(dǎo)散發(fā)出去。這就對LED傳導(dǎo)散熱提出了很高的要求。這些熱量如果不及時散發(fā)，將會嚴(yán)重影響LED PN結(jié)工作，使LED輸出光變少，光波長發(fā)生偏移，嚴(yán)重的還會影響LED的可靠性和壽命?，F(xiàn)有芯片封裝都是基于集成電路封裝技術(shù)，雖然對散熱給予了很多考慮，但畢竟集成電路封裝中發(fā)熱不是最主要的考慮因素。后來，又有了很多改善LED散熱的方法，比如在封裝好的LED外加熱沉、進(jìn)行兩級封裝等，但工藝復(fù)雜，成本高。同時這些方法并沒有很好地解決芯片與支架間、支架和電路板之間、電路板與外基板之間、外基板與外熱沉之間存在著的熱阻問題。在任何一個環(huán)節(jié)，如果熱量得不到及時的散發(fā)，都會使LED芯片溫度升高，影響其性能。

表2 不同光源的能量轉(zhuǎn)換效率Tab.2 The energy converting efficiency of various light sources

影響LED使用的另一個不利因素是LED芯片抗瞬態(tài)電沖擊能力較弱。隨著LED工作電壓越來越低，如用于白光LED GaN芯片的電壓從原來接近4 V到現(xiàn)在3.3 V，其抗靜電能力越來越弱。由于這類芯片屬靜電敏感器件，因此，在其生產(chǎn)和使用過程中，如果沒有良好的靜電防護(hù)措施或者防護(hù)措施不當(dāng)，都可能造成LED芯片不可修復(fù)性的損壞。在使用LED的過程中，還可能受到來自電源等浪涌電流的沖擊，在室外使用時，還可能會導(dǎo)入雷電。這些因素瞬間能放出上十瓦級甚至更高能量的電信號，造成LED損毀，影響其可靠性及壽命。

LED封裝主要結(jié)構(gòu)部件為：基板、支架、瞬態(tài)電壓保護(hù)（transient voltage suppressor, TVS）芯片、LED芯片、連接線、膠體。基板為雙層或多層結(jié)構(gòu)，其主要功能為散熱?；褰^緣表面為光滑表面，提高 LED雜散光反射，充分利用LED發(fā)出的光。支架為良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，制成預(yù)設(shè)好的形狀。這些形狀要考慮到芯片的承載。芯片間的連接方式包括并聯(lián)、串聯(lián)、串并混合等方式，同時要從材料物理的角度考慮芯片與連接線之間良好的結(jié)合性。支架是LED芯片和TVS芯片的承載體，可以預(yù)置在基板上，減少LED芯片與基板間的熱阻。LED的封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

LED封裝形式主要包括插件式（through-hole）、表貼式（SMT，surface-mounting）和倒裝式（filp-chip）。早期LED一般大多采用草帽燈形式的插件式，突出燈頭起到透鏡作用，現(xiàn)在這種方式用于小功率封裝。表貼式是目前主流的封裝形式，適用于各種功率封裝。在高功率LED封裝時，還可以在其下方方便地安裝比較大的散熱片，在其上安裝透鏡，構(gòu)成不同級別的封裝，如圖10所示。為了適應(yīng)更高功率LED的封裝，高端集成電路里采用的倒裝技術(shù)被應(yīng)用到LED封裝中。在這種封裝中，電流不是通過金導(dǎo)線而是通過Au或其他合金電鍍球柱而引入。這些球柱被直接焊到PCB基板上，光在電極背面導(dǎo)出。這樣既可以極大地增強熱傳導(dǎo)性能，又能減少電引線對出光的影響，提高LED的出光效率[90]。實驗數(shù)據(jù)表明，在采用倒裝LED后，出光效率可以提高1.6倍，藍(lán)光LED外量子效率提高21 %，電能利用效率提高20 %[91]。在倒裝技術(shù)中如果進(jìn)一步采用薄型芯片，LED的亮度相對于通常的倒裝技術(shù)還要提高一倍[92,93]。

圖10 LED不同封裝級別，一級封裝為LED基本封裝， 二級封裝加散熱片，三級封裝在二級封裝上加透鏡及散熱板Fig.10 Different levels of LED assembly, Level 1 chip assembly, Level 2 with heat sink, Level 3 with Lens and heat sink

對LED封裝研究的重點還是通過引入新材料、減少界面或增強界面間傳熱能力等方法來改善整個封裝傳熱能力。Wang等采用直接在AlN或AI2O3基板上鍍銅的方法，獲得支架與基板間良好的接觸，其界面熱阻大為減少[94]。石墨和CVD法生長的鉆石膜具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可以大幅提高LED封裝散熱。在熱沉上涂覆鉆石樣薄膜層，可以將封裝溫度降低10度以上[95]，也能大幅降低LED芯片溫度，提高器件的可靠性[96]。Li等采用聯(lián)苯二硫醇(BPDT) 作為助劑，得到了折射系數(shù)為1.64的新型透明封裝樹脂，光輸出效率提高了14 %[97]。

特別值得關(guān)注的是石墨烯在LED中的應(yīng)用[98]。臺灣工研院支持在LED中應(yīng)用石墨烯（graphene），包括基于石墨烯的LED器件，采用石墨烯作為電極材料和導(dǎo)熱材料等。Lee嘗試在ZnO上包裹石墨烯，然后在其上生長GaN薄膜，并制成了LED器件。這種LED發(fā)光強度高，并且因為石墨烯為層裝物質(zhì)，其上LED器件容易被轉(zhuǎn)移到其他襯底材料上，以滿足不同器件需求[99]。Jo等采用CVD方法生長多層石墨烯作為GaN LED透明電極材料，與傳統(tǒng)LED器件相比，其效率有了明顯的提高[100]。LEE基于柱狀GaAs超晶格和石墨烯實現(xiàn)了LED器件，在其器件中被金屬膜包裹著的石墨烯仍然有極好的光學(xué)透明性，作為柱狀超晶格電極，退火后與GaAs有非常好的電接觸，從而實現(xiàn)了較大面積的LED器件[101]。

如前所述，得到白光的途徑主要有三種：通過不同顏色LED混色，單色LED激發(fā)不同波長熒光粉以及上文中提到的單一白色LED芯片。不同LED的混色需要將不同波長的LED組合在一起，如在LED顯示屏中，通過RGB三種LED不同亮度組合實現(xiàn)包括白色在內(nèi)的全彩色系顯示，但是其成本高，且其中綠色LED的發(fā)光效率比較低。最常用的方法是采用藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉（磷光），實際應(yīng)用中一般在封裝時候引入熒光粉，這樣得到的LED芯片看起來就直接發(fā)白光了。熒光粉中關(guān)鍵的是稀土元素。由于稀土元素獨特的電子層結(jié)構(gòu)[Xe](4f)n(5s)2(5p)6(n = 1,…,14)，其可能的對應(yīng)著不同光波長的能級躍遷非常豐富，所以包含稀土元素的物質(zhì)是極好的熒光候選材料。基于稀土材料的熒光粉最早是由 Philips公司開發(fā)的，用以替代早期鹵素磷酸鹽系熒光材料。20世紀(jì)90年代中期，當(dāng)時還在日本日亞公司工作的中村修二采用基于鈰摻雜鐿鋁石榴石（cerium doped yttrium，aluminum garnet，Y3Al5O12:Ce，YAG:Ce）熒光粉和藍(lán)光LED實現(xiàn)了白光。這種方法生產(chǎn)效率高，成本低廉，技術(shù)成熟，成為白光LED的絕對主流。目前很多公司都在稀土基熒光粉上申請了專利，如以O(shè)SRAM為主的公司采用以TAG (terbium aluminum garnet, Tb3Al5O12，TAG， 鋱鋁石榴石)為主體的熒光粉，光譜特性較YAG好，有紅色發(fā)光，顯色性高，但成本較高。除了YAG及TAG基材料外，硅基氮(氧)化物熒光轉(zhuǎn)換材料也非常具有競爭優(yōu)勢。該系材料不僅具有熱、化學(xué)穩(wěn)定性，還有色系豐富、高熒光轉(zhuǎn)換效率和高顯色性等特點，最高顯色指數(shù)可達(dá)95[102-105]，目前已經(jīng)由日本電氣化學(xué)公司開始商品化。

我國是稀土資源極其豐富的國家，LED又是新一代發(fā)光光源，因此，國內(nèi)很多科研院所都投入了很多精力研究稀土基熒光材料。目前其主要的研究目標(biāo)是提高轉(zhuǎn)換效率，使顯色性高、衰減弱、壽命長[106，107]，取得了不錯的進(jìn)展[108]，尤其是在紅光熒光粉方面，效果較好[109,110]。

量子點器件獨特的發(fā)光性能也可以用來作為熒光物質(zhì)。Chen等采用含有 CdSe–ZnSe核殼結(jié)構(gòu)量子點膠體作為熒光物質(zhì)，其波長在510 nm到620 nm的范圍，加上InGaN藍(lán)光LED，可以得到顯色性在91的白光[111]，Shen則采用CdSe/ZnS/CdS雙層殼結(jié)構(gòu)量子點，提高熒光量子效率至45 %，依據(jù)量子點不同尺寸，發(fā)射光譜范圍從490 nm到610 nm，LED顯色系數(shù)也達(dá)到91[112]。 美國Nexxus Lighting 以及QD Vision已開始將這一技術(shù)商業(yè)化。

6 LED驅(qū)動

相較于傳統(tǒng)照明器件，LED對電源有著不同的需求，這是由LED器件4 個電特性所決定的。

1) LED是低壓直流器件。單一LED器件工作電壓從紅色LED 2 V左右，到藍(lán)色3.4 V左右，最高的紫外LED也不過3.8 V左右。如果工作電壓控制得不好，超過LED的最大工作電壓，就會造成LED不可逆損毀。在照明應(yīng)用中，單一LED器件功率較小，需要對LED進(jìn)行串并聯(lián)處理，這樣就對LED工作電壓提出了多種要求。由于市電是高壓交流電，一般需要對市電進(jìn)行整流降壓處理。

2) LED是電流型器件，其發(fā)光強度與電流直接相關(guān)。在工作電壓附近，電流和電壓關(guān)系是非線性的，極小的工作電壓變化會導(dǎo)致電流較大的變化，而因為 MOCVD生產(chǎn)過程中帶來的厚度以及濃度不均勻性，會造成同一批次乃至同一芯片內(nèi)LED工作電壓的差別。實驗數(shù)據(jù)表明，同一批次LED在工作電壓相同的條件下，其輸出光強度會相差30 %以上。

3) LED亮度隨PN溫度升高而下降，較大的電流會加速PN溫度升高。它像所有PN結(jié)一樣，遵守PN結(jié)負(fù)溫度特性，也就是說，PN結(jié)溫度越高，其內(nèi)部電阻越小，如果在恒定電壓下工作，其流過PN結(jié)的電流就越大。在LED器件上表現(xiàn)為其正向電流隨溫度升高而下降，光輸出亦會隨溫度升高而下降。不同的LED，其下降程度差別很大。工作溫度變化還會造成LED壽命降低。

4) LED波長會隨電流變化而發(fā)生偏移。如圖11所示，藍(lán)色LED波長隨工作電流變化，發(fā)光波長會隨著電流升高而發(fā)生藍(lán)移，波長變得更短了。在紅光和黃光LED中，這種電流引起波長偏移的現(xiàn)象更為明顯，在實際應(yīng)用中會造成照明顯示應(yīng)用中的色差。

因此，為了LED安全可靠地工作，在背光、照明、顯示等方面的應(yīng)用，都需要采用恒流電源方式驅(qū)動。在低壓領(lǐng)域，LED驅(qū)動技術(shù)比較成熟，無論是升壓型還是降壓型驅(qū)動，其電源效率可達(dá)90 %以上。這些技術(shù)廣泛地應(yīng)用在背光照明、顯示驅(qū)動、低壓照明以及裝飾等領(lǐng)域。但是，要大規(guī)模推廣應(yīng)用LED照明，就必須采用家庭用交流高壓電作為供電電源，因此LED照明器具要符合家用電器電源標(biāo)準(zhǔn)要求，如美國能源之星2.0版本中對LED的電源轉(zhuǎn)換效率、待機(jī)功耗、電磁干擾（FCC 47 CFR Part 15）、安全性、可靠性等都有基本要求。對電源轉(zhuǎn)換功率，美國也提出要求，如要求功率因素家用大于 0.70，商業(yè)用大于 0.90，更要求與舞臺燈光控制等現(xiàn)有照明系統(tǒng)控制器兼容。在西方發(fā)達(dá)國家，還要求和家庭常用的可控硅調(diào)光器兼容[113]。

圖11 LED發(fā)光中心波長隨電流變化Fig.11 The change wavelength with the current in LED

在LED照明燈具的應(yīng)用中，交流驅(qū)動控制的瓶頸作用僅次于散熱。為了消除高壓轉(zhuǎn)低壓帶來的紋波，一般都采用大容量電解儲能來提高大功率LED驅(qū)動的功率因素并降低諧波，而電解電容壽命受其中電解液限制，一般不超過1萬小時，這就大大限制了LED照明系統(tǒng)的使用壽命。因此，很多研究與公司的開發(fā)都集中于怎樣降低交流LED照明驅(qū)動對電解電容的依賴[114]。日本Takion于2009年推出一款集成電路，可以采用陶瓷電容代替電解電容，用于驅(qū)動20 W以下的LED照明器件。中國大陸包括上海得倍電子技術(shù)有限公司也都計劃推出不依賴電解電容的LED交流驅(qū)動。

7 結(jié)語

作為第四代節(jié)能環(huán)保的發(fā)光源，LED在建筑內(nèi)外光環(huán)境裝飾、超大屏幕顯示、LCD背光照明等方面的主體地位已不可動搖。隨著其發(fā)光效率的提高和成本的下降，LED在通用照明領(lǐng)域也將越來越被廣泛使用。同時，它在使用過程中的高效節(jié)能、無污染物質(zhì)釋放等，更具有傳統(tǒng)光源所不具備的優(yōu)勢。作為新一代光源，下列特點還將顯示其作為第四代光源的獨特性。

1)易于控制性：LED發(fā)光亮度可以隨著電流大小無級調(diào)節(jié)，而且響應(yīng)及時。因此，結(jié)合適當(dāng)?shù)墓怆妭鞲衅?，可用模擬或數(shù)字方法做到按需智能調(diào)光。

2)發(fā)光體體積特別?。哼@就意味著光源可以放置到任何想要放置的地方，這將給創(chuàng)新燈具設(shè)計及光環(huán)境設(shè)計提供了可能。

3) 多彩性：LED生產(chǎn)過程可以按需要確定發(fā)光體波長。這不僅能從LED得到白色光，而且發(fā)光顏色可按照意愿調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同狀態(tài)、不同場所等特殊要求。這樣，照明不僅能體現(xiàn)光亮度，更能體現(xiàn)五彩繽紛的色彩。

因此， LED作為新一代照明光源必將結(jié)合以上這些特性，并將這些特性發(fā)揮到極致，從而真正進(jìn)入到人類生活的每一個角落，不僅給人們帶來光明，更帶來愉悅的色彩享受。

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致謝：作者非常感謝上海第二工業(yè)大學(xué)謝華清教授在本文成文過程中對作者的支持和鼓勵。