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由田民波、朱焰焰主编的《白光LED照明技术》内容包括白光LED发光原理、白光LED照明的研发与展望、白光LED照明的种类及其特征、白光LED照明的关键技术、外延基板与封装基板、白光IED照明的颜色与色彩评价技术、白光LED照明的应用开发、白光LED照明的技术革新、经营战略与国际标准等。
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| 內容簡介： |
白色发光二极管（LED）于1996年问世，当初主要在小型光源及手机背光源等领域使用。开始出现的白光，是由蓝光LED发出的蓝光与靠蓝光激发YAG荧光体发出的黄光混色而得的拟似白光。此后，随着LED发光波长的多样化、高输出化以及蓝光乃至近紫外光激发的高辉度、高效率发光的新型荧光体的开发，白光LED在最近几年间正向着替代白炽灯泡及荧光灯的方向，作为下一代光源而急速进展。目前，面向一般家庭照明用的白光LED光源已有市售。
目前国内正在推广的节能型灯泡式荧光灯，在今后会逐渐被白光LED所替代，这听起来似乎令人不可思议。当然，在LED及荧光体的高性能化、低价格化、生态学及人们观念改变等方面，还有大量问题需要解决。白色LED作为下一代光源的动向，正成为全世界关注的焦点。
白光LED照明技术内容包括白光LED发光原理、白光LED照明的研发与展望、白光LED照明的种类及其特征、白光LED照明的关键技术、外延基板与封装基板、白光LED照明的颜色与色彩评价技术、白光LED照明的应用开发、白光LED照明的技术革新、经营战略与国际标准等。
白光LED照明技术可作为相关专业本科生及研究生用教材，特别适合产业界的技术人员阅读。
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| 目錄：
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前言
第1章 白光LED发光原理
1.1 LED及相关材料
1.1.1 LED的发光原理
1.1.2 LED相关材料
1.2 LED的基本知识
1.2.1 LED的基本结构和基本方程
1.2.2 内部量子效率
1.2.3 光取出效率
1.2.4 配光特性
1.2.5 工作电压
1.2.6 发光光谱
1.2.7 热设计
1.3 蓝光LED实现白光LED照明的起点与关键
1.3.1 LED早期发展简介
1.3.2 蓝光LED的发展
1.3.3 蓝光LED元件结构
1.3.4 制作蓝光LED元件关键技术
第2章 白光LED照明的研发与展望
2.1 利用LED照明技术的研发
2.2 白光LED照明特征与最新技术
2.2.1 白光LED的种类与特征
2.2.2 构造与配光特性及发光效率
2.2.3 最新技术动态与节能照明技术
2.2.4 色调可变的白光LED照明光源
2.3 应用产品与市场动态及技术发展预测
第3章 白光LED照明的种类及其特征
3.1 以蓝光LED为基础的白光LED
3.1.1 以蓝光LED为激发源的白光LED发光原理与构造
3.1.2 白光LED的效率
3.1.3 照明用高光通量白光LED的开发
3.1.4 白光LED显色性的改善
3.1.5 正在普及的半导体固体照明
3.2 以近紫外LED为基础的白光LED
3.2.1 近紫外激发荧光体变换型白光LED研发与光品质
3.2.2 近紫外激发白光LED的特征与其他方式的比较
3.2.3 近紫外LED及近紫外激发的白光LED所需要的材料特性
3.2.4 近紫外激发白光LED的发光效率和损失
3.2.5 高显色性近紫外激发白光LED的现状
3.2.6 高附加值光源
第4章 白光LED照明的关键技术
4.1 荧光体
4.1.1 从荧光体看白光LED的历史
4.1.2 白色LED的构成及特征
4.1.3 白光LED照明用荧光体的性能
4.1.4 对应于蓝光激发的白光LED用荧光体
4.1.5 对应于紫外或近紫外激发的白光LED用荧光体
4.2 LED材料
4.2.1 作为LED材料的荧光体
4.2.2 灌封用树脂材料
4.3 内部量子效率的评价方法
4.3.1 LED的效率
4.3.2 内部量子效率的导出法
4.3.3 内部量子效率导出方法的检测实验
4.4 封装材料与封装技术
4.4.1 炮弹型LED
4.4.2 炮弹型LED的封装材料
4.4.3 炮弹型LED的封装技术
4.4.4 表面安装SMD型LED
4.4.5 SMD型LCD的元件构造
4.4.6 SMD型LED的封装技术
4.5 多晶片白光LED的种类及其特征
4.5.1 LED的发展与多晶片LED
4.5.2 多晶片方式与单晶片方式的比较
4.5.3 多晶片LED的构造及特征
4.5.4 多晶片LED的应用现状
4.5.5 多晶片LED的发展前景
第5章 外延基板与封装基板
5.1 外延基板
5.1.1 各种外延基板材料
5.1.2 基板材料开发的变迁
5.1.3 蓝宝石单晶
5.1.4 GaN基板
5.1.5 SiC基板和AIN基板
5.1.6 氧化镓基板
5.2 封装基板
5.2.1 大功率LED封装工艺进展
5.2.2 新型大功率LED封装离不开封装基板
5.2.3 高热导基板的分类和特点
5.2.4 热传输的数学物理模型
5.2.5 高热导聚合物基复合材料基板
5.2.6 金属基板IMS
5.2.7 陶瓷基板ceramic substrate
5.2.8 陶瓷直接覆铜板DBC
5.2.9 其他类型的散热基板
第6章 白光LED照明的颜色与色彩评价技术
6.1 显色性评价的基础
6.1.1 显色性与评价方法
6.1.2 显色性评价方法的变迁
6.1.3 CIEJIS显色性评价方法
6.2 显色、色彩评价的研发与白光LED显色应用
6.2.1 显色评价数及其存在的问题
6.2.2 色彩
6.2.3 条件等色metameism,条件配色同色异谱
6.2.4 利用CIELAB对白光LED的评价
6.2.5 可变色RGBCYM白光LED
6.3 小结
第7章 白光LED照明的应用开发
7.1 光源特征及设计方面的课题
7.1.1 关注外形的设计
7.1.2 关注照度的设计
7.1.3 关注光流量的设计
7.1.4 关注寿命的设计
7.1.5 关注效率的设计
7.1.6 关注显色性的设计
7.2 技术课题
7.2.1 导热及散热技术
7.2.2 寿命预测技术
7.2.3 如何减低色偏差与非均匀性
7.2.4 如何减低眩光glare
7.3 LED照明器件的开发趋势
7.3.1 LED器件的应用实例
7.3.2 白光LED从晶片到照明器具的工艺过程和主要的技术课题
7.3.3 220~280nm带域AlGaN系深紫外LED的应用领域
7.3.4 LED照明器件的价格
7.4 小结
第8章 白光LED照明的技术革新、经营战略与国际标准
8.1 技术革新与国际竞争力
8.2 白光LED光源与传统光源的比较
8.3 新市场开拓与企业的经营模式
8.3.1 蓝光激发白光LED
8.3.2 近紫外激发白光LED
8.3.3 市场的变化
8.4 如何应对国际标准化
8.4.1 标准化简介
8.4.2 各国应对国际标准化的方针
8.5 小结
结束语
参考文献
索引
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| 內容試閱：
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发光二极管（light emitting diode， LED） 是近几年迅速崛起的半导体固态发光元件， 与传统的白炽灯泡、荧光灯等比较， 具有小型、设计紧凑耐振动性好， 简约、坚固稳定性好， 发热少而寿命长， 亮度高、发光响应速度快， 工作电压低、驱动电源非常简单等优点， 随着LED 效率提高， 其产量快速增加， 扩展迅速。
作为全书的起点， 本章首先针对LED 的基本知识、蓝光LED 与白光LED 的发光原理作简要介绍。
1.1 LED 及相关材料
1.1.1 LED 的发光原理
LED 元件是在由电子传导的n 型半导体和由空穴传导的p 型半导体所构成的pn 结上施加顺向偏压， 由于注入少数载流子而发生复合所引起发光（自然发射） 的元件。LED 的结构如图1.1 所示， 核心部位是一个pn 结。但如何在发光层附近高效率地复合发光， 发何种波长的光， 以及如何提高光的射出效率等， 需要各种各样的技术方法。
设从n 型区向p 型区注入电子。在n 型区， 电子是多数载流子； 而在p 型区， 电子是少数载流子。流入p 型区的电子， 即较之热平衡状态过剩的电子， 与作为多数载流子的空穴发生复合而消失。同时如图1.2 （b） 所示， 有可能放出光子， 而光子所带的能量与带隙能量相等。少数载流子空穴发生的过程与上述电子发生的过程相反。由于pn 结上施加顺向偏压时， 流过的电流是因少数载流子引起， 因此，LED 的光输出大致与电流成正比。
pn 结是由p 型半导体和n 型半导体的结合面（结面） 构成， 有同质结和异质结之分。前者是由同种半导体， 后者是由异种半导体结合而成。在异质结中， 利用p 型区和n 型区的带隙能不同， 可形成较高能垒， 就可保证基本上不引起载流子注入。即通过采用异质结， 可以对注入载流子进行控制。该载流子控制技术一直是LED 开发的重要课题。
为提高LED 的亮度和发光效率， 近年来LED 的开发几乎都是采用双异质结结构。以下以GaAs 系LED 作实例说明。
对于中间的阱层来说， 自左侧来的n-GaAlAs 电子注入会在其中存留电子， 自右侧来的p-GaAlAs 空穴注入会在其中存留空穴， 这样， 阱层中既会有电子又会有空穴的存留， 从而这些电子和空穴容易在阱中发生复合。表1.1 给出已实用化的三色高效率LED 的基本材料和结构。其中红色的发光层使用的是GaInP， 绿色和蓝色发光层都使用的是GaInN 。虽然绿色和蓝色发光层使用的是同一材料系， In 的含量不同； In 含量越高， 能带间隙则越宽。
1.1.2 LED 相关材料
1.发光材料
LED 中使用的材料都是化合物半导体。化合物半导体中有Ⅲ-Ⅴ族的GaAs 、GaP 、GaAsP 、GaAlAs 、AlInGaP 、GaN 及Ⅱ-Ⅵ族的ZnS 、ZnSe 、ZnCdSe， Ⅳ-Ⅳ族的SiC 等多种。目前可达到实用化水准且有市场供应的LED 只采用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。可见光LED 多数是由GaAs 、GaP 、GaN 系化合物及其混晶半导体制成， 其产品有高发光效率的红、橙、棕、绿、蓝及近紫外LED 等。
LED 发光的颜色由发光层晶体的种类、组成即LED 的结构决定。根据式（1.1），发光波长λ与能隙宽度Eg 相对应。表1.2 汇总了用于LED 的代表性化合物半导体发光材料和其相对应的发光色。其中， 四元混晶半导体AlInGaP 的发光效率可达到100lm／W 以上， 而且InAlGaN 系发光效率也获得明显改善， 在过去的十年中提高了两个数量级以上。采用InGaN 的蓝光、绿光LED 也达到商品化， 并使得白光及全色显示成为可能。
近年来， InAlGaN 系在短波长化方面得到飞跃性进展， 使得发光波长300nm 左右的元件都可以制造。为实现InAlGaN 系的短波长化， 需要增加Al 的组成比， 这样会形成p 型电导， 造成发光效率下降， 难以获得特性优良的元件。一般采用宽禁带半导体必须面对的问题是如何生长优质的化合物单晶体、如何控制半导体的导电类型等。
限制比绿光区域波长更长的发光元件性能的原因是： 一般认为是氮化物半导体内部发生的压电电场（Piezo） 以及自发极化电场。作为解决这一问题的方法， 可借由选择晶体的生长面， 按人的意愿控制所发生的电场， 这种方法近年来受到广泛关注。
氮化物半导体外延膜的生长面多为c 面， 借由c 轴的倾斜， 可使生长方向上发生的极化电场的影响减小。极化电场为零的面为非极性面， 除此以外的面为半极性面。采用非极性面、半极性面氮化物半导体， 可以获得过去利用c 面难以实现的不存在压电电场影响的发光层， 并且作为单晶生长的面可发挥更大效能。
2.外延基板材料
大多数以LED 为主的半导体元件， 不是由块体单晶， 而是由单晶薄膜制作的。为了提高发光特性及对发光波长进行控制， 必须采用将多层不同种类薄膜相互重叠的结构。为此， 只能借由将单晶薄膜置入基板单晶上的技术获得。
基板单晶对薄膜单晶的品质与方向位置等许多物性都会产生影响， 选择适合的基板单晶对于薄膜单晶的生长至关重要。理想的基板单晶应该是由与希望得到的薄膜单晶为同一种材料做出的。例如， 若制作GaAs 的薄膜， 由GaAs 块体单晶作基板是最为理想的。这种薄膜与基板双方为相同物质的单晶薄膜生长方式被称为同质外延（homo-epitaxial ）。通常， 半导体的薄膜生长大部分是由同质外延进行的， 这是因为像GaAs 及InP 这类化合物半导体的块体单晶可以由溶液生长（液相外延）。
而蓝光、白光LED 中所用GaN 的情况则有很大不同。GaN 在常压下不能获得溶液， 而且蒸气压极高， 采用传统的溶液生长法不能得到块体单晶， 因此这种单晶的生长是极为困难的。为此， 在GaN 薄膜的外延生长中， 要采用与之为不同物质的蓝宝石（Al2 O3 单晶） 作基板， 目前已达到实用化。这种外延薄膜与所用基板为不同物质的薄膜生长被称为异质外延（hetero-epitaxial ）。
蓝宝石与GaN 间点阵常数差异很大， 按以往的常识， 蓝宝石非最适用的基板。因此， 人们对多种单晶作为GaN 外延薄膜的基板做了大量试验， 但到目前为止， 对于蓝光、白光LED 来说， 蓝宝石基板已稳居不可替代的位置。这大概是由于蓝宝石具有以下优点所致： 可以生长大尺寸单晶， 价格有可能降低， 对于GaN 薄膜的生长工艺来说蓝宝石十分稳定等。
尽管在蓝光、白光LED 的应用方面， 以蓝宝石基板作为主流， 但针对未来高辉度、短波长为目标的研究， 同时也对其他基板的应用进行了探索。在这种背景下， 经过研究者的努力， 据说也成功制作出GaN 及SiC 、AlN 等材料的块体单晶。GaN 作为LD 用基板已开始在市场上流通， 但作为高辉度LED 用基板， 在价格方面仍不能被用户接受， 目前仍在研究之中。SiC 可以获得高品质单晶， 其中导电性的SiC 作为正、反面引出电极的LED 元件来说具有得天独厚的优势， 但是在与蓝宝石的价格竞争方面却略逊一筹。
针对比GaN 发光更短波长的紫外区域， 人们也在抓紧研究AlN 基板单晶。与GaN 不同， AlN 有可能借由升华的方法制取， 因此升华法是生长AlN 单晶的主要方法。对于AlN 单晶的开发， 欧美比日本更是先行一步， 目前已有直径1 英寸及2 英寸的样品问世， 但是未能真正做到结晶性和特性兼优的产品。也有人对AlN 基板的实用性产生疑问， 由于单晶生长相继遇到困难， 使得一时期内研究人员减少， 研究机构撤消， 但最近又开始重新组织队伍， 据报道， 有人已获得相当大尺寸的AlN 自立单晶。
氧化镓（β-Ga2 O3） 被认为最新崭露头角的基板材料。由于它兼具大的能带间隙（Eg ＝4.8eV） 和导电性， 特别是可以生长出大尺寸单晶， 由其直接封装的LED 也可获得蓝色发光。
3.荧光体材料
对于白光LED 来说， 为了获得真正的白光， 一般采用表1.3所示的三种方法：
①用紫外光LED 激发红、绿、蓝三种荧光体； ② 用蓝光LED 激发绿、红两种荧光体； ③ 用蓝光LED 激发黄光荧光体。而目前已实用化的白光LED 几乎都采用由蓝光LED 与黄光荧光体相组合来实现白光， 但无论哪种方法， 为构成白光LED， 高效率发光的荧光体是必不可少的。
氧化物的代表是YAG 荧光体， 它可以有效吸收460nm 附近的LED 蓝光， 受其激发而发出黄光。YAG 荧光体可表示为（ YaGd1-a ）3（ Alb Ga1-b ）5 O12 ∶Ce 。在作为YAG 激光器所使用的Y3 Al5 O12 单晶的Y、Al 的各位置， 分别用Gd 、Ga 作部分置换， 而作为发光中心， 添加稀土元素Ce 。YAG∶Ce3+ 系荧光体因其发光效率高及材料自身的高稳定性而多为采用， 但存在高温下发光效率降低等严重问题。而且YAG 与Ce3+ 系的发光色， 因红色成分不足而显示出带绿的黄色， 而且在蓝光激发的情况下， 还存在白光的色温度高等问题， 因此用途受到限制。
氮化物系的特征是， 除硫化物系以外， 可以说是唯一的由蓝色激发而实现红色发光的荧光体。由于氮的存在， 其共价键性增大， 致使Eu 等发光中心的发光向长波长方向变化， 并且牢固的化学键合作用使得材料的耐久性更为优良。
在硫化物系中，（Ca，Sr）S∶Eu 系、CaGa2 S4∶Eu 系、ZnS∶Cu，Al 系等作为可见光激发荧光体早已被人们所熟知， 由蓝光激发可使其高效率地发光。具有半高宽窄的发光光谱之荧光体很多， 可产生鲜艳的绿光及红光。但硫化物系一般在耐久性和吸湿性方面存在问题， 目前还难以无障碍地在LED 中应用。
1.2 LED 的基本知识
在本节中， 将就LED 的基本结构， 支配LED 效率的内部量子效率、光取出效率， 以及其他特性等， 对LED 的基本知识作简要说明。
1.2.1 LED 的基本结构和基本方程
目前市场上流通的LED 大部分采用多重量子阱（multiple quantum well， MQW）结构， 为便于理解其工作原理， 首先对双异质结（double hetero-junction， DH） 结构的LED 作简要说明。
DH 结构即是将作为发光层的活性层， 用两层能带间隙宽度比其能带间隙更宽的包覆（clad） 层相夹的结构。图1.7表示GaAlAs 系DH 结构LED 的构造实例及电流分布、发光分布的模拟结果。
对于LED 来说重要的是， 活性层发出的光要高效率地向外取出。为此， 最外层的（对于从基板一侧取出光的场合， 还包括基板） 能带间隙应比活性层的大， 即对于发光波长应是透明的。而且由于电极部分会遮挡光， 因此在电极的配置方面也需要下一番功夫。
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