1.3 白光LED及其应用
1.3.1 白光LED概述
世界上第一个LED起源于1907年。当时，H.J.Round发现SiC的微晶结构具有发光的性能，并将研究成果发表于《电子世界》期刊。随后，H.Welker于1952年制备了第一种III-V族半导体发光材料。1962年，《应用物理》期刊刊登了基于GaAsP材料的红光发射的LED研究，该报道意味着世界上首只可见光LED问世。1986年，世界上第一只蓝光LED被研制出来。1996年，Nakamura使用InGaN蓝光芯片作为泵浦激发光源与发射黄光的铈离子掺杂的钇铝石榴石荧光材料复合获得了白光发射，这代表着世界上第一只白光LED问世[15]。自此之后，由于白光LED具有发光效率髙、节能、绿色环保、寿命长、结构简单等优点，因此各国学者不断研究基于LED的固态照明光源，使得LED照明器件成为研究热点，最终促使LED照明器件步入实用化阶段。
1.3.2 白光LED的发光原理
LED器件是一种以固态半导体为核心的发光器件。当在具有PN结的半导体材料两端加上正向电流时，半导体内部的载流子产生复合，使能量以光子的形式释放从而发光。因此，LED是冷光源，而且不存在灯丝等发光引起的发热、易烧等缺陷。常见的白光LED器件材料主要有GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、InGaN（氮化铟镓）等[16]。半导体发射的波长取决于自身的能隙，其包含从紫外光至红外光区域的发射。
图1.3所示为LED器件的工作原理示意图[17]。半导体PN结一般具有三种特点：正向导通、反向截止、击穿特性[18]。图1.3（a）表明在外加偏压为零且热平衡的情况下，因PN结内部无载流子发生复合，所以不发光。图1.3（b）是半导体PN结在外加正向偏压情况下的示意图，其发光过程主要由三步组成：第一步，正向偏压下载流子的注入；第二步，载流子的复合辐射；第三步，光能的输运[19]。当电流通过PN结时，电子就会在电场力的作用下向P区运动，与P区内的空穴复合，复合后多余的能量以光的形式向外辐射，这样就实现了半导体PN结产生光子的过程。
图1.3 LED器件的工作原理示意图
白光LED是指通过半导体芯片与荧光材料复合而发射白光的器件。由光学和色度学原理可知，白光主要通过两基色复合白光法、三基色复合白光法和四基色复合白光法三种方式来获得[20]。目前白光LED荧光材料主要有Ce3+掺杂钇铝石榴石的黄光荧光粉（YAG：Ce3+）、荧光粉+玻璃（PIG）、荧光玻璃、荧光陶瓷和荧光玻璃陶瓷等类型。市面上常见的白光LED主要是用蓝光半导体芯片（InGaN）与黄光荧光粉（YAG：Ce3+）封装从而发射白光的器件。
1.3.3 白光LED的实现方式
白光是一种复合光，它由多波段的光复合而成。白光LED主要通过三种方式来实现白光LED发射[20～22]。
1．多芯片复合构建白光LED
依据光学和色度学的三基色原理，可将红、绿、蓝三基色的LED芯片封装在一起，通过调节它们各自的发光效率比例实现三基色叠加，从而调控出白光发射。目前，市场上这种白光LED的显色指数可达80以上，发光效率达80lm/W，在照明市场占有一定的份额。然而，三芯片的白光LED器件在市场上不占主导地位的原因在于其存在明显的缺点，如封装工艺复杂、成本较高等。此外，三基色芯片各自的光强与光效随温度、时间而发生变化，各自的衰减程度也不一致，易造成光衰、发光颜色稳定性差、显色指数不稳定等问题。
2．单芯片激发三基色荧光粉复合白光LED
这种方案采用紫光或紫外光芯片激活红、绿、蓝三种荧光粉来复合白光LED。据报道，这种LED封装器件的显色指数可达90以上，色温可控性好，可满足绝大部分照明领域的需求。但是到目前为止，这种白光LED器件的技术还不够成熟，还有一些关键技术有待解决。例如，紫光或紫外光芯片的发光效率较低，生产的LED器件的功率不大，三基色荧光粉的种类和性能有待进一步提高。
3．蓝光芯片激发黄光荧光粉复合白光LED
1996年，日本科学家Nakamura使用InGaN蓝光芯片作为泵浦光源与铈离子掺杂的黄光荧光粉复合从而获得了白光发射。目前，商用LED器件依然是这种类型。经过20多年的发展，蓝光芯片激发黄光荧光粉复合白光LED器件的光效从最初的10lm/W提高到了如今的200lm/W，性能明显提高。这类LED产品占据了照明市场60%以上的份额。
1.3.4 白光LED的研究意义
据估算，到2030年，照明领域每年将节约200亿千瓦时的能耗，节约的能耗占总能耗的20%。基于LED技术的照明器件已经逐步代替传统的照明光源。2014年，我国共生产了17亿只LED相关产品，其中商业LED呈现井喷式增长，约占总产量的45%。随着LED在公共照明和家居照明领域的迅猛发展，LED照明产品所占的照明市场份额已经上升至16.4%，相对于2013年所占的8.9%，市场占有率的增长幅度达到84%。据统计，LED的光效在2016年就已超过200lm/W。据估计，到2020年底，照明领域中LED器件产品所占的份额将达到66%以上。
目前，世界照明巨头飞利浦公司已经成功研发了一种陶瓷荧光板技术，这项技术可将LED器件的色温降低到荧光粉涂覆LED器件的1/4，减少了各LED器件间的色温不均匀现象，简化了LED器件的制造工艺。另外，住田光学与丰田合成共同开发了玻璃封装的白光LED，并将该产品在世界博览会上展出。该产品与现有的环氧树脂封装LED器件相比，其老化性能、寿命和热稳定性都有所提高，可实现高功率、高亮度的照明[23，24]。由此可见，白光LED器件不仅需求量大，而且已经成为目前国内外照明领域的主流器件，因此开展白光LED的研究具有重要的理论意义与市场价值。