固态照明光源：白光LED的现状和未来

光谷子

给大家演讲的题目是《固态照明光源--白光LED的现状和未来》。第一个问题
是已有照明光源和固态发光的演讲，从19世纪开始用电照明，特别是从1879年爱迪生
发明白纸等以后开始广泛用电照明，这就是以电热效应为基础。大家看，尽管照明是
一个非常大众化的问题，但是用电量比较大，从全国来说20％的电都用在照明上，现
有的照明的技术，我们看这个图表，要想节省电就必须要提高它的发光效率。随着照
明的需要，现在是20％，以后可能用电量要增大，所以现在就需要发展一种新的照明
技术，这种技术就是今天我要给大家介绍的半导体的照明。这种技术的发光效率，大
家看，从90年代开始发展得非常快，到2020年它的流明效率要达到每瓦20流明，这是
现有的技术所达不到的。
    下来介绍一下光源参数，包括色温、显色性，发光效率。我参加本次会议受到很
多的启发，光源的寿命以及成本大家都比较熟悉。现有的这些光源，它的一些指标都
列在这里，由于时间关系就不说了，大家可以看一下。
    现在主要存在的问题：真空器件体积大，易碎，发光效率低，原因是白炽灯低
温黑体辐射，日光灯短波紫外线激发波长更长的红绿蓝荧光粉发光，能量效率低，寿
命短。 我们要分析一下对光有一个基本的要求，就是要适应我们眼睛的需要，要和
我们眼睛的特性要匹配，眼睛的特性实际上是太阳光照射了以后长期形成了我们眼睛
的特性，也就是说，我们照的这个光，光谱的分布要尽量接近太阳光的光谱。现在有
两个途径，一个是要通过黑体辐射，一个是通过不同色光的合成。现在我们用的这个
灯就正好是这两个技术其中的一种。因为我们主要介绍了半导体的白光照明，所以主
要介绍一下不同色光如何来合成白光。
    根据黑体辐射原理制成的白炽灯，由于色温不可能太高，大部分能量转变成了
红外辐射，这部分对照明没有贡献，使发光效率降低，不同色光合成白光有不同的
成，可以是两种、三种或更多种色光合成白光，色种用得多的话，它的象素就高，但
是流明效率降低，这与对合成白光的质量要求有关。一般来说，用RGB三种色光合成
白光可同时满足发光效率、显色指数、色温等要求。 由理论处理可知，若色温为
6500K，显色指数大于90，只有当三色波长分别为455、530和610纳米时，所合成的白
光流明效率最高可达300lm/W。 红绿蓝半导体LED的问世为实现固体白光照明提供了
可能性。发光二级光（LED）是一种将电能直接转换为光能的半导体电致发光（EL）
器件。现在由氮化物来产生红光还是有困难的，现在实验室正在做。氮化钾基材料与
器件的优点，具有宽的直接带隙，A1N 6.2eV、氮化钾3.4eV。正因为这样，白光LED
的优点直流驱动、相应快、体积小、寿命长、全固体、结构简单、无毒、耐候性好、
理论光效率高。白光LED被认为是二十一世纪的新光源，有可能代白炽灯和日光灯成
为照明市场的主导，全球的照明市场约为500亿美元，若白光LED真正能用于日常的照
明，由于其节能灯多种突出的优点，所以被广泛的应用。
    白光LED发展的现状我们在这里简单介绍一下。一个是白光合成途径研究进展，
白光的合成途径大体上有三条路可以走，第一条路是红绿蓝，LED是红绿蓝合成了白
光，但这种办法主要的问题是绿光的转换效率，现在红绿蓝LED墙插入效率分别达
30％、10％和25％，白光流明效率可达60lm/W。通过进一步提高蓝绿光LED的流明效
率，则白光流明效率可达200lm/W。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对
合成白光的各色LED流明效率有不同的。第二条路是用LED＋不同色光荧光粉：第一个
方法是用紫外或紫光（300－400纳米）LED＋RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和
日光灯是类似的，但是比日光灯性能要优越，令紫光（400纳米）LED的转换系数可达
0.8，各色荧光粉的量子转换效率可达0.9；还有一个办法是用蓝光LED（460纳米）＋
红绿荧光粉，蓝光LED效率60％，荧光粉效率70％；还有是蓝光LED＋黄（YAG）再加
上红来构成白光，目前在市场上用的就是这种。第三条路是用单芯片形成白光，只要
一个芯片，然后就可以形成白光，这种技术现在还在做，这条路到底能否走通，现在
还不能下结论，但是已经有一些结果了，有两种方式，一种是光载的，一种是光子载
束的。
   我们来看看这三个途径。
   第一个途径三色LED合成白光综合性能最好，在高显色指数下，流明效率有可能
高达200lm/W，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13％
左右，同时成本高。
   第二个途径，LED激发荧光粉形成白光是一条综合性能适中、成本较低、近期内
可能实现化的途径，尤其是蓝光LED（460纳米）和黄红粉结合具竞争力，但流明效率
难以达到长远目标值，紫外LED（360纳米）和技术较未成熟的红率蓝粉结合也是一条
较易实现的。
   固态白光最新进展，最新研制的蓝光LED和荧光粉构成的固态白光器件：到今年
为止国际上做的最好的就是碳化硅，它的流明效率可以做到75lm/W。还有是蓝宝石做
衬底，这个价格较便宜，流明效率可以做到每瓦61.4lm。
    LED研究进展，研究目的：实现高效率、高功率、长寿命器件。技术难题：降低
缺陷密度、改善欧姆接触、电场均匀性、提高光引出率、降低温升等。主要措施：侧
向生长、匹配衬底、封装技术改进等。主要进展：蓝光外量子效率：36－39％。
从芯片来说，衬底材料，一个是芯片外延技术，还有是LED器件的制作。现在这
几方面都取得了比较大的进展。在蓝宝石上，因为它的衬底不匹配，所以采取了侧向
外延的技术，最后性能取得了比较大的改进。
    在蓝博士上LED的性能，尽管采取了很多措施，但还是不如在碳化硅上做的不光
是蓝宝石也好或者是碳化硅也好，都是不匹配的，匹配的工艺做起来难度比较大。大
家看这个图，这是在氮化铝这个衬底上做的结果，所用衬底材料分别为AlN晶体和SiC
晶体以及GaN和蓝宝石，分别在其上制作多量子井紫外发光器件。
    芯片研究的进展结果：
1、基于蓝宝石衬底的蓝、绿、紫及紫外LED目前所获得
的最佳性能是在采取侧向生长等技术的基础上取得的，目的在于减小位错密度，蓝、
紫器件的外量子效率约40％，而绿、紫外器件约15％，离目标值分别相差2－6倍，基
于该芯片的白光性能改进主要依赖于荧光粉和封装技术的改进。
2、由于碳化硅上所做的器件具有更小的位错密度，基于该衬底的各色光LED性能
仍优于上述蓝宝石衬底侧向生长的LED性能，但由于该衬底材料较蓝宝石贵7－10倍，
有关性能优化的研究工作做的相对较少，也许还有较大的潜力可挖。但是碳化硅的价
钱比较贵，买这个东西的投资太大了。
3、分别用碳化硅和氧化铝以及GaN和蓝宝石作为衬底材料所做的发光期间对比
实验表明，它们的紫外发光特性具有数量级的差别，说明基于匹配衬底所做的低缺陷
密度LED有可能获得最佳的发光性能。（包括流明效率和单管产生的数据）。
荧光粉研究的情况，和芯片情况来比较说的话，不可做调整的荧光粉，黄分量
子效率已提高至7％，红色还继续我们继续来做。用溶胶凝胶法将厚度为2纳米的二氧
化硅包裹在直径为数10纳米的Zes荧光粉粒外面。
   封装技术研究进展，对功率型LED封装的技术要求，
1、尽可能实现良好的混色效果；
2、尽可能提高光输出效率；3、尽可能降低器件的温度。倒封优点--导电好，电
场均匀，散热好，有利于提高单管光功率输出。
这一张是我们前几天在大连开会的时候做的演示，发光效率达到100lm/W，单只
LED的光通量达到100lm，可靠性2万小时，成本是0.02元/lm在这个情况之下就可以走
向市场。各个国家都有照明发展计划。这是美国的固体照明发展计划，到2020年每W是
200lm，和白炽灯、日光灯都有比较。 我国现在在大连、上海、南昌、厦门都有基
地。
   现在存在的问题：
1、效率低，尚未达到和超过荧光灯的水平；2、价格高，目前难于在照明领域推广。3、有一系列理论、技术和工艺问题亟待解决。一个是一个Defect Density密度，还有就是刚才我们说的衬底材料，这个难度非常大，我今天没有时间详细说了，可以说这是国际上的一个难题，另外一个问题就是光抽取效率仍需提高，白光LED的显色性差，目前已实用化的白光LED只有蓝光LED＋YAG荧光粉，但其显色指数受到限制，不符合一般的照明要求。
研究内容区分：
1、固态照明途径和方法的研究；
2、物理性质、发光机制、结晶生长的基础研究；
3、氮化物LED衬底和荧光粉材料的研究；
4、LED芯片外延生长技术及结构的设计；
5、LED的设计。
    国内主要研究单位，中科院上海光机所，南京大学、中科院半导体研究所、北
京大学、清华大学，中科院物理所、南昌大学、深圳大学，中国电科集团13所，中科
院长春光机所与物理所等等。
    国内固体照明相关的概况，我国目前共有从事半导体照明的企业500余家，从业
人员3万余人。国内LED封装企业近千家，已成为国际LED封装大国，年产100KK规模以
上企业约20家，主要分布在珠江三角洲和长江三角洲地区。目前国内90％的芯片是翠
国外和台湾地区进口。2002年产量一百六十亿只，产值10亿元，2002年国内销售100
亿只，销售额80亿元。这是分布的情况：我们在珠三角的深圳方大、佛山光电、惠州
华岗。LED封装厂超过100家。
    以GaN基半导体材料为基础所发展起来的固态白光照明技术有希望发展成为未来
照明的主题技术，根据已有发展计划，有能在2020年前取代白纸等和白炽灯，比较固
态照明技术对节环保、改善照明等具有重要意义，并将会形成500亿美元产值的巨大
新兴产业。当前应特别注意基于追求产值的倾向，如果弄得不好，有可能我们失去发
展自主知识产权技术的机会，真正用于白光照明LED还有很多技术难关没有突破，希
望我国在这方面能取得更多的专利技术。我国半导体光电子材料与器件研究和产业基
础与IC相比较，有更多的优势，和国外的差距相对较小，我国应在制订固态照明发展
计划的基础上，加大投入，切实、有效地开展应用基础和关键技术研究，并注意适时
发展相应的产业，建议我国相关高效、研究单位和相关企业在发展固态照明技术和产
业方面加强合作，实现优势互补，并希望更多的单位投入到这项事业中来。