- 白光LED是如何逐步市場細(xì)化的？應(yīng)用前景如何？

該指標(biāo)決定了半導(dǎo)體材料發(fā)光效率。半導(dǎo)體LED性能通常使用外量子效率（EQE）表示，即IQE與提取效率的乘積。提取效率特指產(chǎn)生的光子中逃離LED的部分。EQE取決于直接影響IQE的半導(dǎo)體層缺陷和影響提取效率的器件構(gòu)造。

發(fā)光效率（Luminous efficacy）：發(fā)光效率表示光源發(fā)射可見光輻射的效率，單位一般為lm W？1。光源以單色綠光（頻率為4501012 Hz，對應(yīng)波長約為555 nm，人類眼睛最敏感的光，圖2b為相應(yīng)的眼睛靈敏度曲線）轉(zhuǎn)換100%電能，其最大發(fā)光效率達(dá)到683 lm W？1。

照明用的白光源通常要求有比全部可見光波段更寬的發(fā)射光譜，因此其發(fā)光效率明顯低于其最大值。電能轉(zhuǎn)換成眼睛靈敏度曲線以外的輻射，無法用于照明，本應(yīng)盡可能減小這類輻射。

相關(guān)色溫（Correlated colour temperature）：用于比較不同照明技術(shù)的參比光源是處于熱平衡的黑體輻射。根據(jù)普朗克輻射定律（Planck‘s law of radiaTIon），黑體白熾燈的發(fā)射光譜取決于它的溫度，相應(yīng)于不同溫度下輻射的色點用CIE圖表示，即稱之為普朗克軌跡（Planckian locus）的黑點曲線（圖2f、h）。

沿著普朗克軌跡的不同位置，白光的相關(guān)色溫（CCT）大致可分為“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）。

顯色指數(shù)（Colour rendering index）：顯色指數(shù)（CRI）是一個無量綱的指標(biāo)，描述白光源以一種相對于人類視覺感知而言準(zhǔn)確且舒適的方式顯色的能力，同時考慮參比光源（相同 CCT下，黑體輻射在CCT《6，000 K或者自然光CCT》6，000 K條件下進(jìn)行測試）。

CRI通常被定義為8個測試顏色樣本（R1-R8）的顯色平均值，額定范圍在0到100之間。對于高CRI采用額外的R9值，表示深紅色。CRI=100意味著由測試光源發(fā)光的所有顏色樣本都與參比光源發(fā)光的相同樣本具有相同的顏色。

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圖1. 藍(lán)光InGaN LED芯片的設(shè)計

a．第一個藍(lán)光InGaN/AlGaN LED示意圖。

b. 具有倒置結(jié)構(gòu)以及無接觸前表面的倒裝LED芯片示意圖。兩個接觸點被焊接在靠近LED的基板上。

c. 最高水準(zhǔn)的薄膜型倒裝LED示意圖及LED器件的俯視圖。這三種示意圖的有效層簡化表示了雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單或多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN/AlGaN。

過去20年，藍(lán)光LED的EQE逐步提高，這也是不斷降低GaN晶體結(jié)構(gòu)缺陷密度的結(jié)果。出于成本效益的原因，這種材料通常生長于藍(lán)寶石襯底上，然而二者存在著16%的晶格失配以及不同的熱膨脹系數(shù)。這兩個因素導(dǎo)致1，000℃附近MOVPE生長GaN過程中位錯缺陷的產(chǎn)生。

細(xì)致優(yōu)化生長工藝可使缺陷保持在107~108 cm-2范圍內(nèi)，但需進(jìn)一步提高其他LED應(yīng)用的相同結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的質(zhì)量。雖然InGaN LEDs存在很高的缺陷密度，但其具有比其他低缺陷密度的寬帶隙半導(dǎo)體二極管（如ZnSe）更高的效率，具體原因至今不明。

另一個強烈影響LEDs提取效率以及內(nèi)量子效率（IQE）提高的因素是器件的構(gòu)造。圖1a顯示了外p-型GaN層，其具有相對較低的電導(dǎo)率，從而限制了器件中的空穴注入，但是這個瓶頸可通過覆蓋整個p-GaN表面的更大p-型接觸來克服。然而，電接觸會阻礙輸出光子。

幾種設(shè)計方案都可以解決這個問題，如圖1b、c所示。倒裝芯片（圖1b）是指芯片倒置安裝且p-和n-接觸都在背后。這種構(gòu)造提供更好的散熱，獲得更高的電流密度，從而使得每片芯片表面具有更高的光輸出。藍(lán)寶石在藍(lán)光和綠光區(qū)域是透明的，并不妨礙發(fā)光。

此外，接觸部位可采用涂層（例如Ag）來反射那些向基座方向發(fā)射的光子?？刹捎帽∧ば酒寡b法（圖1c）進(jìn)一步提升性能。從n-GaN層上講基底移除，并將表面粗糙化，以提高光提取效率。據(jù)報道，結(jié)合材料以及構(gòu)造的進(jìn)展， ~444 nm處發(fā)光的InGaN LEDs在20 mA下EQE可達(dá)到84.3%。

從藍(lán)光到白光

對于今天無處不在的白光LEDs而言，高效率藍(lán)光發(fā)光二極管的發(fā)明具有里程碑意義。相對于傳統(tǒng)光源，LEDs具有更高的能量效率，更重要的是可調(diào)節(jié)發(fā)光性能更好的適應(yīng)不同的應(yīng)用，例如舞臺照明、建筑照明等等。

一般來說，可通過幾種不同方法獲得白光LEDs。一種是組合發(fā)藍(lán)光、綠光和紅光的三個不同半導(dǎo)體LEDs（圖2a左）。該方法最大的挑戰(zhàn)在于綠光半導(dǎo)體的EQE相對較低（≈25%），限制了相應(yīng)白光LED的發(fā)光效率（圖2c）。InGaN與高含量銦形成的固溶體通常被用于直接發(fā)射綠光?；着cInGaN 間的晶格失配度隨銦含量的提高而增加，從而產(chǎn)生更高的缺陷密度。另外，描述原子核周圍電子密度分布改變的量子力學(xué)Stark效應(yīng)也隨銦含量的提高而更加明顯，從而降低綠光波段內(nèi)的EQE。