逐步市场细化的白光LED及其他应用详解

响提取效率的器件构造。

发光效率（Luminous efficacy）：发光效率表示光源发射可见光辐射的效率，单位一般为lm W？1。光源以单色绿光（频率为4501012 Hz，对应波长约为555 nm，人类眼睛最敏感的光，图2b为相应的眼睛灵敏度曲线）转换100%电能，其最大发光效率达到683 lm W？1。

照明用的白光源通常要求有比全部可见光波段更宽的发射光谱，因此其发光效率明显低于其最大值。电能转换成眼睛灵敏度曲线以外的辐射，无法用于照明，本应尽可能减小这类辐射。

相关色温（Correlated colour temperature）：用于比较不同照明技术的参比光源是处于热平衡的黑体辐射。根据普朗克辐射定律（Planck‘s law of radiaTIon），黑体白炽灯的发射光谱取决于它的温度，相应于不同温度下辐射的色点用CIE图表示，即称之为普朗克轨迹（Planckian locus）的黑点曲线（图2f、h）。

沿着普朗克轨迹的不同位置，白光的相关色温（CCT）大致可分为"暖白"（2，500-3，500 K）、"自然白"（3，500–4，500 K）、"冷白"（4，500–5，500 K）以及日光（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，描述白光源以一种相对于人类视觉感知而言准确且舒适的方式显色的能力，同时考虑参比光源（相同 CCT下，黑体辐射在CCT《6，000 K或者自然光CCT》6，000 K条件下进行测试）。

CRI通常被定义为8个测试颜色样本（R1-R8）的显色平均值，额定范围在0到100之间。对于高CRI采用额外的R9值，表示深红色。CRI=100意味着由测试光源发光的所有颜色样本都与参比光源发光的相同样本具有相同的颜色。

图1. 蓝光InGaN LED芯片的设计

a．第一个蓝光InGaN/AlGaN LED示意图。

b. 具有倒置结构以及无接触前表面的倒装LED芯片示意图。两个接触点被焊接在靠近LED的基板上。

c. 最高水准的薄膜型倒装LED示意图及LED器件的俯视图。这三种示意图的有效层简化表示了双异质结构、单或多量子阱结构InGaN/AlGaN。

过去20年，蓝光LED的EQE逐步提高，这也是不断降低GaN晶体结构缺陷密度的结果。出于成本效益的原因，这种材料通常生长于蓝宝石衬底上，然而二者存在着16%的晶格失配以及不同的热膨胀系数。这两个因素导致1，000℃附近MOVPE生长GaN过程中位错缺陷的产生。

细致优化生长工艺可使缺陷保持在107~108 cm-2范围内，但需进一步提高其他LED应用的相同结构半导体的质量。虽然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度，但其具有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，具体原因至今不明。

另一个强烈影响LEDs提取效率以及内量子效率（IQE）提高的因素是器件的构造。图1a显示了外p-型GaN层，其具有相对较低的电导率，从而限制了器件中的空穴注入，但是这个瓶颈可通过覆盖整个p-GaN表面的更大p-型接触来克服。然而，电接触会阻碍输出光子。

几种设计方案都可以解决这个问题，如图1b、c所示。倒装芯片（图1b）是指芯片倒置安装且p-和n-接触都在背后。这种构造提供更好的散热，获得更高的电流密度，从而使得每片芯片表面具有更高的光输出。蓝宝石在蓝光和绿光区域是透明的，并不妨碍发光。

此外，接触部位可采用涂层（例如Ag）来反射那些向基座方向发射的光子。可采用薄膜芯片倒装法（图1c）进一步提升性能。从n-GaN层上讲基底移除，并将表面粗糙化，以提高光提取效率。据报道，结合材料以及构造的进展， ~444 nm处发光的InGaN LEDs在20 mA下EQE可达到84.3%。

从蓝光到白光

对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明具有里程碑意义。相对于传统光源，LEDs具有更高的能量效率，更重要的是可调节发光性能更好的适应不同的应用，例如舞台照明、建筑照明等等。

一般来说，可通过几种不同方法获得白光LEDs。一种是组合发蓝光、绿光和红光的三个不同半导体LEDs（图2a左）。该方法最大的挑战在于绿光半导体的EQE相对较低（≈25%），限制了相应白光LED的发光效率（图2c）。InGaN与高含量铟形成的固溶体通常被用于直接发射绿光。基底与InGaN 间的晶格失配度随铟含量的提高而增加，从而产生更高的缺陷密度。另外，描述原子核周围电子密度分布改变的量子力学Stark效应也随铟含量的提高而更加明显，从而降低绿光波段内的EQE。

为了避免这一局限，基本上转换发光材料的绿光荧光转换LEDs（pc-LEDs）直接采用蓝光LED发射绿光，在商业产品中通常用以取代绿光半导体（图2a右，图2c）这种杂化LED典型的发