显微镜内置LED光源和插拔式卤素灯光源好在哪

2022-06-09 15:18:56 admin 2


过去几十年带来了一系列持续且迅速发展的技术革命,尤其是在数字领域,它极大地改变了我们日常生活的许多方面。发光二极管 ( LED ) 制造商之间不断发展的竞赛有望产生迄今为止最明显、影响最深远的过渡。这些微型半导体器件的设计和制造的最新进展可能会导致普通灯泡过时,这可能是现代社会使用的最普遍的器件。

白炽灯是托马斯·爱迪生的主要发明中最著名的,也是唯一一个一直使用到现在(并且几乎是其原始形式)的灯,距其推出已有一个多世纪。在过去的几十年里,留声机、纸带和油印机已经被数字技术所取代,最近,全光谱发光二极管设备变得越来越普遍,可能会迫使白炽灯和荧光灯熄灭。虽然 LED 技术的某些应用可能就像用另一个灯泡替换一个灯泡一样简单,但更具远见的变化可能涉及利用光的戏剧性新机制。由于预测的演变,墙壁、天花板甚至整个建筑物都可能成为专门照明场景的目标,室内设计的改变可以通过照明效果来完成,而不是通过重新粉刷或翻新。至少,从白炽灯到 LED 照明的广泛变化将带来巨大的能源节约。

尽管发光二极管在我们身边随处可见,例如在录像机、时钟收音机和微波炉中,但它们的使用主要限于电子设备上的显示功能。计算机和其他设备上微小的红色和绿色指示灯非常熟悉,第一个 LED 仅限于暗红色输出这一事实可能并未得到广泛认可。事实上,即使是绿色发光二极管的可用性也代表了该技术的重要发展步骤。在过去 15 年左右的时间里,LED 变得更加强大,并且有多种颜色可供选择。在 1990 年代初期,一项突破使第一颗蓝色 LED 得以制造,在可见光谱的另一端发出与红色相反的光,开辟了创造几乎任何颜色光的可能性。更重要的是,这一发现使得从微型半导体器件产生白光在技术上是可行的。廉价、大众市场版本的白光 LED 是研究人员和制造商最追捧的目标,也是最有可能结束一百年来对低效白炽灯依赖的设备。

二极管器件在普通照明中的广泛应用还有几年的时间,但 LED 开始在许多应用中取代白炽灯。用现代半导体替代品替代传统的白炽光源有很多原因。发光二极管在将电能转换为可见光方面比白炽灯泡效率更高,它们坚固而紧凑,通常可以使用 100,000 小时,或比白炽灯泡长约 100 倍。LED 基本上是单色发射器,在当前这一代改进设备中,需要高亮度、单色灯的应用正在经历最多的应用。LED 在汽车尾灯、转向信号灯和侧标志灯中的使用正在增加。作为最早的汽车应用之一,汽车和卡车上的高位刹车灯是集成 LED 的特别有吸引力的位置。较长的 LED 使用寿命使制造商可以更自由地将刹车灯集成到车辆设计中,而无需像使用白炽灯泡时那样频繁(且容易)更换。

现在,美国大约 10% 的红色交通信号灯已被 LED 灯取代。LED 较高的初始成本可以在短短一年内收回,因为它们产生红光的效率更高,无需过滤即可完成。红色交通灯中的 LED 消耗大约 10 到 25 瓦,而类似亮度的经过红色过滤的白炽灯消耗 50 到 150 瓦。LED 的使用寿命在减少昂贵的信号维护方面是一个明显的优势。单色 LED 还被用作机场的跑道灯以及广播和电视传输塔的警示灯。

随着制造效率的提高以及生产几乎任何输出颜色的发光二极管的能力,研究人员和工业界的主要关注点已成为白光二极管。两种主要机制被用于从基本为单色的设备中产生白光,这两种技术很可能会继续用于不同的应用。一种方法涉及混合来自多个 LED 的不同颜色的光,或来自单个 LED 中的不同材料的光,其比例使光呈现白色。第二种技术依赖于使用 LED 发射(通常是不可见的紫外线)来为激发另一种物质(例如磷光体)提供能量,从而产生白光。

半导体二极管的基础知识

在随后的讨论中介绍了发光二极管功能背后的基本过程的详细信息,以及在其构造中使用的材料。然而,可以通过简单的概念描述来概括 LED 发光的基本机制。熟悉的灯泡依靠温度通过称为白炽灯的过程发出可见光(以及更多以热量形式的不可见辐射)。相反,发光二极管采用一种电致发光形式,它是由半导体材料的电子激发产生的。基本的 LED 由一个在两种不同的半导体材料之间(如图 2 所示),其中施加的电压会产生电流,并伴随着当注入结的电荷载流子重新组合时的光发射。

LED 的基本元件是一个半导体芯片(类似于集成电路),它安装在一个反射杯中,该反射杯由连接两条电线的引线框架支撑,然后嵌入固体环氧树脂透镜中(见图 1)。构成芯片结的两个半导体区域之一由负电荷主导(n 型区域;图 2)),另一个由正电荷主导(p 型区域)。当向电引线施加足够的电压时,电流会流动,电子会通过结从n区域移动到p带负电的电子与正电荷结合的区域。每种电荷组合都与能级降低相关联,该能级降低可能会以光子的形式释放一定量的电磁能。发射光子的频率和感知颜色是半导体材料的特性,因此,通过改变芯片的半导体成分可以实现不同的颜色。

发光二极管的功能细节基于具有可变传导特性的半导体材料(例如硅)的共同特性。为了使固体导电,它的电阻必须足够低,以使电子在整个材料中或多或少地自由移动。半导体的电阻值介于导体和绝缘体之间,它们的行为可以根据固体的能带理论来建模。在结晶固体中,组成原子的电子占据了大量的能级,这些能级在能量或量子数上的差异可能很小。广泛的能级倾向于组合成几乎连续的能带,

在逐渐更高的能级上,从原子核向外延伸,可以定义两个不同的能带,称为价带导带(图 3)。价带由比内部电子更高能级的电子组成,它们具有一定的自由度,可以成对相互作用,在固体原子之间形成一种局部键。在更高的能级下,导带电子的行为与单个原子或分子中的电子相似,这些电子在基态以上被激发,具有很高的在固体内移动的自由度。价带和导带之间的能量差定义为特定材料的带隙。

在导体中,价带和导带在能量上部分重叠(见图 3),因此一部分价电子始终位于导带中。这些材料的带隙基本上为零,并且随着部分价电子自由移动到导带中,空位或空穴出现在价带中。电子以很少的能量输入移动到相邻原子带中的空穴中,并且空穴沿相反方向自由迁移。与这些材料相比,绝缘体具有完全占据价带和更大的带隙,并且电子可以在原子之间移动的唯一机制是价电子被置换到导带中,需要大量能量消耗。

半导体的带隙虽小但有限,在常温下,热搅动足以将一些电子移动到导带中,从而有助于导电。可以通过提高温度来降低电阻,但是许多半导体器件的设计方式是施加电压会在价带和导带之间产生所需的电子分布变化,从而使电流能够流动。尽管所有半导体的能带排列相似,但在特定温度条件下,带隙(以及能带之间的电子分布)存在很大差异。

元素硅是最简单的本征半导体,经常被用作描述这些材料行为的模型。在其纯形式中,硅没有足够的电荷载流子或适当的带隙结构,无法用于发光二极管构造,但被广泛用于制造其他半导体器件。硅(和其他半导体)的传导特性可以通过向晶体中引入少量杂质来改善,这些杂质用于在结构中提供额外的电子或空位(空穴)。通过这个被称为掺杂的过程,集成电路生产商已经开发出相当大的能力来定制半导体的特性以适应特定的应用。

考虑到相对简单的硅晶体结构,最容易理解掺杂以改变半导体电子特性的过程。硅是元素周期表的第四族成员,具有四个电子,可以参与与固体中相邻原子的键合。在纯粹的形式中,每个硅原子与四个邻居共享电子,除了晶体结构所需的电子之外,没有任何不足或多余的电子。如果少量的第 III 组元素(在其最外层能级具有三个电子的元素)添加到硅结构中,存在的电子数量不足以满足键合要求。电子缺陷在结构中产生空位或空穴,由此产生的正电特性将材料归类为 p 型。硼是通常用于掺杂纯硅以实现 p 型特性的元素之一。

掺杂以产生具有负总电荷特征(n 型)的相反类型的材料,是通过添加V族元素(例如磷)来实现的,这些元素在其最外层能级中具有“额外”电子。得到的半导体结构具有超过共价硅键合所需数量的可用电子,这赋予了充当电子供体的能力(n型材料的特性)。

尽管在半导体制造中通常使用硅和锗,但这两种材料都不适用于发光二极管结构,因为使用这些元素的结会产生大量的热量,但只会产生少量的红外或可见光发射。光子发射二极管pn结通常基于 III 族和 V 族元素的混合物,例如砷化镓、磷化砷化镓和磷化镓。仔细控制这些化合物以及其他掺入铝和铟的化合物的相对比例,以及添加碲和镁等掺杂剂,使制造商和研究人员能够生产出发射红光、橙光、黄光或绿光的二极管。最近,碳化硅和氮化镓的使用允许引入蓝色发光二极管,并且以各种组合将几种颜色组合起来提供了产生白光的机制。包含器件结的 p 型和 n 型侧的材料的性质,以及由此产生的能带结构,决定了结区电荷复合过程中可用的能级,因此决定了作为光子释放的能量量子的大小。因此,特定二极管发出的光的颜色取决于 pn 结的结构和成分。

控制固态电子器件特性的基本关键是 pn 结的性质。当不同的掺杂材料相互接触时,结区域中的电流流动与单独使用两种材料中的任何一种不同。电流很容易沿一个方向流过结,但不会沿另一个方向流过,构成了基本的二极管配置。这种行为可以根据两种材料类型中的电子和空穴的移动以及穿过结的移动来理解。n 型材料中的额外自由电子倾向于从带负电的区域移动到带正电的区域,或向 p 型材料移动。在具有空电子位点(空穴)的 p 型区域中,晶格电子可以从一个空穴跳到另一个空穴,并且会倾向于远离带负电荷的区域。这种迁移的结果是空穴似乎向相反的方向移动,或远离带正电的区域并朝向带负电的区域移动(图 4)。来自 n 型区域的电子和来自 p 型区域的空穴在结附近复合形成耗尽区(或层),其中没有电荷载流子。在耗尽区,建立了一个静电荷,抑制任何额外的电子转移,除非有外部偏置电压的辅助,否则没有明显的电荷可以流过结。

在二极管配置中,器件两端的电极能够以能够克服耗尽区效应的方式施加电压。将二极管的 n 型区域连接到电路的负侧,将 p 型区域连接到正侧将导致电子从 n 型材料向 p 型移动,并且空穴移动进入相反的方向。通过施加足够高的电压,耗尽区中的电子能量升高以与空穴分离,并再次开始自由移动。使用此电路极性操作,称为正向偏置在 pn 结处,耗尽区消失,电荷可以通过二极管移动。空穴从 p 型材料驱动到结,电子从 n 型材料驱动到结。结处空穴和电子的组合允许在二极管上保持连续电流。

如果电路极性相对于 p 型和 n 型区域反转,则电子和空穴将被拉向相反的方向,伴随着结处的耗尽区变宽。在反向偏置的pn 结中不会出现连续电流,尽管最初会随着电子和空穴被拉离结而产生瞬态电流。一旦不断增长的耗尽区产生等于施加电压的电势,电流就会停止。

发光二极管结构

在 pn 结处控制电子和空穴之间的相互作用是所有半导体器件设计的基础,对于发光二极管,主要设计目标是高效地产生光。穿过 pn 结的载流子注入伴随着电子能级从导带到较低轨道的下降。该过程发生在任何二极管中,但仅在具有特定材料成分的二极管中产生可见光光子。在标准的硅二极管中,能级差异相对较小,并且仅发生低频发射,主要在光谱的红外区域。红外二极管可用于许多设备,包括遥控器、但是可见光发射二极管的设计需要使用在导带和价带轨道之间表现出更宽间隙的材料进行制造。所有半导体二极管都会释放某种形式的光,但大部分能量都被二极管材料本身吸收,除非该器件专门设计用于从外部释放光子。此外,为了用作光源,二极管必须将光发射集中在特定方向。半导体芯片的组成和结构,以及 LED 外壳的设计,都对器件能量发射的性质和效率做出了贡献。但大部分能量被吸收到二极管材料本身,除非该设备专门设计用于从外部释放光子。此外,为了用作光源,二极管必须将光发射集中在特定方向。半导体芯片的组成和结构,以及 LED 外壳的设计,都对器件能量发射的性质和效率做出了贡献。但大部分能量被吸收到二极管材料本身,除非该设备专门设计用于从外部释放光子。此外,为了用作光源,二极管必须将光发射集中在特定方向。半导体芯片的组成和结构,以及 LED 外壳的设计,都对器件能量发射的性质和效率做出了贡献。

发光二极管的基本结构由半导体材料(通常称为裸片)、放置裸片的引线框架和围绕组件的封装环氧树脂组成(见图 1)。LED 半导体芯片由一个反射杯支撑在一个电极(阴极)的末端,并且在典型配置中,芯片的顶面通过金键合线连接到第二个电极(阳极)。几种结结构设计需要两根键合线,每个电极一根。不同 LED 的辐射波长除了有明显的变化外,在形状、尺寸和辐射模式上也存在差异。典型的 LED 半导体芯片尺寸约为 0.25 平方毫米,环氧树脂主体的直径范围为 2 至约 10 毫米。最常见的是,LED 的主体是圆形的,但它们可能是矩形、正方形或三角形。

尽管从半导体管芯发出的光的颜色取决于芯片材料的组合以及它们的组装方式,但 LED 的某些光学特性可以通过芯片封装中的其他变量来控制。光束角可窄可宽(见图 5),取决于反射杯的形状、LED 芯片的尺寸、芯片到环氧树脂外壳或透镜顶部的距离以及光罩的几何形状。环氧树脂镜片。环氧树脂透镜的色调并不能决定 LED 的发光颜色,但通常用作灯在不活动时的颜色的方便指示器。用于需要高强度且在关闭状态下无颜色的应用的 LED 具有透明的透镜,没有色调或漫射。这种类型产生最大的光输出,并且可以设计成具有最窄的光束或视角。非漫射透镜通常具有正负 10 到 12 度的视角(图 5)。它们的强度使它们能够用于背光应用,例如电子设备上显示面板的照明。

为了创建漫射 LED 透镜,将微小的玻璃颗粒嵌入封装环氧树脂中。通过包含玻璃产生的扩散扩散二极管发出的光,在中心轴的两侧产生大约 35 度的视角。这种透镜样式通常用于直接观察 LED 的应用中,例如设备面板上的指示灯。

LED 结构中材料系统和制造技术的选择以两个主要目标为指导——最大化芯片材料中的光产生,以及有效提取所产生的光。在正向偏置的 pn 结中,空穴从 p 区穿过结注入到 n 区,电子从 n 区注入到 p 区。这种注入过程改变了材料中的平衡电荷载流子分布,称为少数载流子注入。少数载流子与多数载流子的复合发生以重新建立热平衡,并且持续的电流流动维持少数载流子注入。当复合率等于注入率时,建立了稳态载流子分布。少数载流子复合可以以辐射方式发生,发射光子,但要发生这种情况,必须为能量和动量守恒建立适当的条件。满足这些条件不是一个瞬间的过程,并且在注入的少数载流子的辐射复合发生之前会产生时间延迟。这种延迟,即少数载流子寿命,是 LED 材料设计中必须考虑的主要变量之一。

虽然辐射复合过程在 LED 设计中是可取的,但它并不是半导体中唯一可能的复合机制。如果没有一些杂质、结构位错和其他晶体缺陷,就无法生产半导体材料,这些都可以捕获注入的少数载流子。这种类型的重组可能会或可能不会产生光子。不产生辐射的复合会因载流子扩散到合适的位置而减慢,并且其特征在于非辐射过程寿命,可以与辐射过程寿命进行比较。

考虑到刚才描述的因素,LED 设计的一个明显目标是最大化电荷载流子相对于非辐射的辐射复合。这两个过程的相对效率决定了注入的电荷载流子与注入的总数相比辐射结合的比例,这可以表示为材料系统的内量子效率。LED 制造材料的选择取决于对半导体能带结构的理解以及可以选择或操纵能级以产生有利的量子效率值的方法。有趣的是,某些 III-V 族化合物的内量子效率接近 100%,而半导体中使用的其他化合物的内量子效率可能低至 1%。

特定半导体的辐射寿命在很大程度上决定了辐射复合是否发生在非辐射之前。大多数半导体具有类似的简单价带结构,其能量峰位于特定结晶方向周围,但导带结构的变化更大。能量谷存在于导带中,占据最低能量谷的电子更容易参与与价带中少数载流子的复合。半导体可分为直接间接取决于导带能谷的相对位置和价带在能量/动量空间中的能量顶点。直接半导体的空穴和电子在相同的动量坐标上直接相邻,因此电子和空穴可以相对容易地复合,同时保持动量守恒。在间接半导体中,允许动量守恒的导带能谷和空穴之间的匹配是不利的,大多数跃迁是被禁止的,并且由此产生的辐射寿命很长。

硅和锗是间接半导体的例子,其中注入载流子的辐射复合极不可能。这种材料的辐射寿命在几秒范围内,几乎所有注入的载流子都通过晶体中的缺陷以非辐射方式结合。直接半导体,例如氮化镓或砷化镓,具有较短的辐射寿命(大约 1 到 100 纳秒),并且可以生产具有足够低缺陷密度的材料,以至于辐射过程与非辐射过程一样可能。对于间接间隙材料中发生的复合事件,电子必须在与空穴结合之前改变其动量,从而导致发生带间跃迁的复合概率显着降低。由两种半导体材料构成的 LED 所表现出的量子效率清楚地反映了这一事实。氮化镓 LED 的量子效率高达 12%,而碳化硅 LED 的典型量子效率为 0.02%。图 6 显示了直接带隙 GaN 和间接带隙 SiC 的能带图,说明了这两种材料的带间能量跃迁的性质。

在穿过 pn 结注入的载流子的辐射复合中发射的光的波长(和颜色)由价带和导带的复合电子-空穴对之间的能量差决定。由于电子和空穴在这些能级处平衡的趋势,载流子的近似能量对应于价带的上能级和导带的最低能级。因此,发射光子的波长 ( λ ) 近似为以下表达式:

λ = hc / E bg

其中h代表普朗克常数,c是光速,E(bg)是带隙能量。为了改变发射辐射的波长,必须改变用于制造 LED 的半导体材料的带隙。砷化镓是一种常见的二极管材料,可以用作示例,说明可以改变半导体能带结构以改变器件发射波长的方式。砷化镓的带隙约为 1.4 电子伏特,发射波长为 900 纳米的红外线。为了增加发射到可见红色区域(约 650 纳米)的频率,必须将带隙增加到约 1.9 电子伏特。这可以通过将砷化镓与具有更大带隙的兼容材料混合来实现。磷化镓,带隙为 2.3 电子伏特,是这种混合物最有可能的候选者。用该化合物生产的 LED通过调整砷与磷的含量,可以定制GaAsP(磷化砷化镓)以产生 1.4 到 2.3 电子伏特之间任何值的带隙。

如前所述,在二极管半导体材料中最大限度地产生光是 LED 制造中的主要设计目标。另一个要求是从芯片中有效提取光。由于全内反射,在半导体芯片内各向同性地产生的光中只有一小部分可以逃逸到外部。根据斯涅尔定律,只有当光以小于临界角的角度与两种介质的界面相交时,光才能从折射率较高的介质传播到折射率较低的介质中为两家媒体。在具有立方体形状的典型发光半导体中,只有大约 1% 到 2% 的生成光通过 LED 的顶部表面逸出(取决于特定的芯片和 pn 结几何形状),其余的被半导体材料吸收。

图 7 说明了光从折射率为n(s)的分层半导体芯片逃逸到较低折射率 ( n(e) ) 的环氧树脂中。逃逸锥所对的角度由两种材料的临界角θ(c)定义。以小于θ(c)的角度从 LED 射出的光线以最小的反射损失逃逸到环氧树脂中(光线虚线),而以大于θ(c)的角度传播的光线在边界处发生全内反射,并且不能直接逃离芯片。由于环氧树脂圆顶的曲率,大多数离开半导体材料的光线几乎以直角与环氧树脂/空气界面相遇,并以很少的反射损失从外壳射出。

从 LED 芯片发射到周围环境中的光的比例取决于可以发射光的表面的数量,以及在每个表面上发射的效率如何。几乎所有的 LED 结构都依赖于某种形式的分层排列,其中利用外延生长工艺将几种晶格匹配的材料沉积在彼此的顶部,以调整芯片的特性。采用了多种结构,每种材料系统都需要不同的层结构以优化性能。

大多数 LED 结构布置依赖于二次生长步骤,以在单晶块状生长衬底材料的顶部沉积单晶层。这种多层方法使设计人员能够满足看似矛盾或不一致的要求。所有结构类型的一个共同特征是,发生光发射的 pn 结几乎从不位于块体生长的衬底晶体中。其原因之一是块状生长材料通常具有高缺陷密度,这会降低发光效率。此外,最常见的大块生长材料,包括砷化镓、磷化镓和磷化铟,对于所需的发射波长没有合适的带隙。

外延晶体生长技术涉及一种材料在另一种材料上的沉积,其在原子晶格常数和热膨胀系数方面密切匹配,以减少层状材料中的缺陷。使用多种技术来生产外延层。其中包括液相外延 ( LPE )、气相外延 ( VPE )、金属有机外延化学气相沉积 ( MOCVD ) 和分子束外延 ( MBE )。每种生长技术在特定的材料系统或生产环境中都有优势,这些因素在文献中得到了广泛的讨论。

LED 制造中采用的各种外延结构的细节在这里没有介绍,但在许多出版物中都有讨论。然而,一般来说,此类结构的最常见类别是生长扩散的同质结,以及单限制双限制异质结各种层排列应用背后的策略有很多。这些包括pn的结构区域和反射层以提高系统的内部量子效率,渐变成分缓冲层以克服层之间的晶格失配,局部变化的能带隙以实现载流子限制,以及载流子注入的横向约束以控制发光区域或准直排放。

即使它通常不包含 pn 结区域,LED 基板材料也成为功能的组成部分,并且被选择为适合于所需外延层的沉积,以及它的透光率和其他特性。如前所述,实际从 LED 芯片发出的生成光的比例是有效透射光的表面数量的函数。大多数 LED 芯片被归类为吸收衬底AS ) 器件,其中衬底材料具有窄带隙并吸收能量大于带隙的所有发射。因此,向侧面或向下传播的光被吸收,这种芯片只能通过其顶面发光。

透明基板TS) 芯片旨在通过结合对发射光的波长透明的基板来增加光提取。在一些系统中,上部外延层的透明度将允许在特定角度内向侧面传输的光也被提取。还使用了具有介于 AS 和 TS 器件之间的衬底特性的混合设计,并且可以通过采用从 LED 芯片到空气的折射率梯度变化来显着提高提取效率。LED 结构中仍有许多其他吸收机制会减少发射且难以克服,例如芯片上的正面和背面触点以及晶体缺陷。然而,在透明上制成的芯片,而不是吸收,

多种LED颜色的开发

1960 年代开发的第一个商用发光二极管利用主要成分镓、砷和磷来产生红光(655 纳米波长)。另一种红色发光材料,磷化镓,后来被用来生产发光 700 纳米光的二极管。后一种版本尽管效率很高,但由于人眼在该光谱区域内相对不敏感而导致表观亮度低,因此应用有限。在整个 1970 年代,技术发展使更多的二极管颜色得以引入,生产改进提高了设备的质量控制和可靠性。

元素比例、掺杂和基板材料的变化导致了砷化镓磷 ( GaAsP ) 二极管的开发,该二极管产生橙色和黄色发射,以及更高效率的红色发射器。还开发了基于GaP芯片的绿色二极管。砷化镓铝(GaAlAs )用途的介绍与细化),在 1980 年代,导致发光二极管的应用数量快速增长,这主要是由于与以前的设备相比,亮度提高了一个数量级。这种性能提升是通过在芯片制造中使用多层异质结结构来实现的,尽管这些 GaAlAs 二极管仅限于发射红色(660 纳米),但它们开始用于户外标志、条形码扫描仪、医疗设备, 和光纤数据传输。

发光二极管颜色变化
颜色名称波长
(纳米)
半导体
成分
红外线的880砷化镓/砷化镓
超红660GaAlAs / GaAlAs
超级红633铝镓磷
超级橙色612铝镓磷
橙子605砷化镓/砷化镓
黄色585砷化镓/砷化镓
白炽
4500K (CT)InGaN/SiC
淡白色6500K (CT)InGaN/SiC
冷白8000K (CT)InGaN/SiC
纯绿色555间隙/间隙
超级蓝470氮化镓/碳化硅
紫罗兰色430氮化镓/碳化硅
紫外线395InGaN/SiC
表格1

1980 年代后期发生了重大发展,当时 LED 设计人员借鉴了快速发展的激光二极管行业的技术,导致生产基于磷化铟镓铝 ( AlGaInP ) 系统的高亮度可见光二极管。这种材料可以通过调整带隙来改变发射颜色。因此,可以采用相同的生产技术来生产红色、橙色、黄色和绿色 LED。表 1 列出了许多常见的 LED 芯片材料(外延层,在某些情况下,基板)及其发射波长(或白光 LED 的相应色温)。

最近,基于氮化镓和碳化硅材料开发了蓝色 LED。在这种波长较短、能量更高的可见光谱区域中产生光,对于 LED 的设计者来说一直是难以捉摸的。高光子能量通常会增加半导体器件的故障率,而人眼对蓝光的低敏感性增加了对有用蓝色二极管的亮度要求。蓝光发光二极管最重要的方面之一是它完善了红、绿和蓝 ( RGB ) 原色系列,通过混合这些成分颜色提供产生固态白光的额外机制。

自从开发出第一批发光二极管以来,固态研究人员一直在寻求开发一种明亮的蓝色光源。虽然使用碳化硅的 LED 可以产生蓝光,但它们的发光效率极低,无法产生实际应用所需的亮度。基于 III 族氮化物的半导体的最新发展导致了二极管技术的革命。特别是氮化镓铟(GaInN) 系统已成为生产蓝光 LED 的主要候选材料,也是发展中的白光 LED 市场的主要材料。GaInN 材料体系在 1990 年代发展,实现了在 GaN 中的 p 型掺杂,随后利用 GaInN/GaN 双异质结构制造 LED,然后高亮度蓝色和绿色 GaInN LED 在1990 年代后期。

白光 LED

氮化镓铟半导体材料体系的作用延伸到白光二极管的发展。在早期开发的红色和绿色设备中添加明亮的蓝色发光 LED 可以使用三个 LED,调整到适当的输出电平,以产生可见光谱中的任何颜色,包括白色。使用单个设备产生白光的其他可能方法是基于磷光体染料波长转换器或半导体波长转换器。由于固态器件的可靠性,以及与传统白炽灯和荧光灯相比具有非常高的发光效率的潜力,白光 LED 的概念对于普通照明特别有吸引力。

传统光源的平均输出为每瓦 15 至 100 流明,而白光 LED 的效率预计将通过持续发展达到每瓦 300 多流明。图 8 显示了多种 LED 类型和传统光源的发光效率值,包括可见光波长范围的CIE(国际照明委员会)光度曲线。该曲线表示人眼对 100% 效率的发射器的响应。当前的一些 LED 材料系统表现出比大多数传统光源更高的发光性能,很快发光二极管有望成为最有效的发射器。

白光 LED 肯定适用于显示和标牌应用,但为了用于一般照明(如所希望的那样),以及要求准确和美观的显色性(包括光学显微镜照明)的应用,“白色”的方式光是实现必须认真考虑。如果位于视网膜中的三种感光视锥细胞以特定的比例受到刺激,人眼会将光感知为白色。三种锥体类型的响应曲线在代表红色、绿色和蓝色的波长处达到灵敏度峰值,并且响应信号的组合在大脑中产生各种颜色感觉。多种不同的颜色混合物能够产生相似的感知颜色,尤其是在白色的情况下,

色度图是表示从混合颜色获得的结果的图形方式。单色出现在图表的外围,一系列代表白色的混合物位于图表的中心区域(见图 9)。被感知为白色的光可以通过不同的机制产生。一种方法是以适当的功率比组合两种互补色的光。在视网膜中产生三刺激反应(导致白色感知)的比率因不同的颜色组合而异。表 2 列出了选择的互补波长,以及每对产生指定为D(65)的标准光源色度坐标的功率比由国际照明委员会 (CIE, Commission Internationale de l'Eclairage)。

产生白光的另一种方法是组合三种颜色的发射,当它们以适当的功率比组合时会产生白光的感觉。白光也可以通过在可见光谱的大范围内发射的物质的宽带发射产生。这种类型的发射近似于阳光,并被感知为白色。此外,宽带发射可以与离散光谱线的发射相结合,以产生可感知的白色,其可能具有与其他技术产生的白光不同的特别理想的颜色特性。

将红色、绿色和蓝色二极管芯片组合到一个分立封装中,或在包含一组二极管的灯组件中,通过利用独立驱动三个二极管的电路,可以产生白光或 256 种颜色中的任何一种。在需要来自单点光源的全光谱颜色的应用中,这种类型的 RGB 二极管格式是首选技术。

大多数白光二极管采用发射短波长(蓝色、紫色或紫外线)的半导体芯片和波长转换器,该波长转换器吸收来自二极管的光并以较长波长进行二次发射。因此,这种二极管会发出两种或多种波长的光,当它们组合时,会显示为白色。组合发射的质量和光谱特性随着可能的不同设计变化而变化。最常见的波长转换器材料称为磷光体,当它们从另一个辐射源吸收能量时会发光。通常使用的磷光体由含有光学活性掺杂剂的无机主体物质组成。钇铝石榴石(YAG) 是一种常见的主体材料,对于二极管应用,它通常掺杂有一种稀土元素或一种稀土化合物。铈是设计用于白光发光二极管的 YAG 荧光粉中的常见掺杂剂元素。

互补色波长
互补波长功率比
λ 1 (纳米)λ 2 (纳米)P(λ 2 ) / P(λ 1 )
390560.90.00955
410561.30.356
430562.21.42
450564.01.79
470570.41.09
480584.60.562
484602.10.440
486629.60.668
表 2

第一个市售的白光 LED(由 Nichia Corporation 制造和分销)是基于蓝色发光的氮化镓铟 ( GaInN)) 被黄色荧光粉包围的半导体器件。图 1 说明了该装置的横截面结构。荧光粉是掺铈的 YAG,以粉末形式生产并悬浮在用于封装管芯的环氧树脂中。荧光粉-环氧树脂混合物填充了支撑引线框架上的管芯的反射杯,来自芯片的一部分蓝色发射被荧光粉吸收并以较长的磷光波长重新发射。蓝色照明下黄色光激发的组合是理想的,因为只需要一种转换器种类。互补的蓝色和黄色波长通过加法混合结合产生所需的白光。得到的 LED 发射光谱(图 10)代表荧光粉发射的组合,

可以修改两个发射带的相对贡献以优化 LED 的发光效率和总发射的颜色特性。这些调整可以通过改变管芯周围含荧光粉的环氧树脂的厚度,或通过改变悬浮在环氧树脂中的荧光粉的浓度来实现。二极管发出的蓝白色发射实际上是通过加色混合合成的,其色度特性由 CIE 色度图上的中心位置 (0.25, 0.25) 表示(图 9;蓝白色 LED)。

白光二极管可以通过另一种机制产生发射,利用由紫外线辐射光学激发的广谱磷光体。在此类设备中,采用紫外发光二极管将能量传递给磷光体,并且整个可见光发射由磷光体产生。荧光粉在很宽的波长范围内发射,产生白光,作为荧光灯和阴极射线管制造中使用的材料很容易获得。虽然荧光灯管的紫外线发射来自气体放电过程,但产生白光输出的荧光粉发射阶段与紫外线泵浦白色二极管中的相同。磷光体具有众所周知的颜色特性,并且这种类型的二极管的优点是它们可以设计用于需要关键显色性的应用。然而,紫外泵浦二极管的一个显着缺点是,与采用蓝光激发荧光粉的白色二极管相比,它们的发光效率较低。这是由于在将紫外光下转换为更长的可见光波长的过程中能量损失相对较高。

染料是另一种适用于白色二极管应用的波长转换器类型,可掺入环氧树脂密封剂或透明聚合物中。市售染料通常是有机化合物,根据其吸收和发射光谱选择特定的 LED 设计。二极管产生的光必须与转换染料的吸收分布相匹配,而转换染料又会发出所需的更长波长的光。染料的量子效率可以接近 100%,就像在荧光粉转换中一样,但它们的缺点是长期操作稳定性比荧光粉差。这是一个严重的缺点,因为染料的分子不稳定性导致它们在有限数量的吸收跃迁后失去光学活性,

基于半导体波长转换器的白光 LED 已被证明在原理上与磷光体转换类型相似,但它采用了第二种半导体材料,该第二种半导体材料响应于来自主源晶片的发射而发射不同的波长。这些设备被称为光子回收半导体(或PRS-LED)),并将一个蓝色发光 LED 芯片结合到另一个芯片上,该芯片通过发射互补波长的光来响应蓝光。然后这两种波长结合产生白色。这种类型的器件的一种可能结构使用 GaInN 二极管作为耦合到 AlGaInP 光激发有源区的电流注入有源区。初级光源发出的蓝光被次级有源区部分吸收,并被“回收”为低能量的再发射光子。图 11 示意性地说明了光子循环半导体的结构。为了使组合发射产生白光,两个光源的强度比必须具有特定值,该值可以针对特定的二色性分量进行计算。

由于白光可以通过几种不同的机制产生,因此在特定应用中使用白光 LED 需要考虑用于产生光的方法的适用性。尽管各种技术发出的光的感知颜色可能相似,但其对显色性的影响或光过滤的结果可能完全不同。通过宽带发射产生的白光,通过在二色光源中混合两种互补色,或通过在三色光源中混合三种颜色,可以位于色度图上的不同坐标处,并且相对于指定为的光源具有不同的色温CIE 标准。然而,重要的是要认识到,即使不同的光源具有相同的色度坐标,

LED效率和显色指数
LED 类型发光
效率 (lm/W)
色度
坐标 (x,y)
一般显色指数

双色 LED


336(0.31, 0.32)10
加宽输出双色 LED306(0.31, 0.32)26

三基色 LED


283(0.31, 0.32)60
基于荧光粉的 LED280(0.31, 0.32)57
表3

前面提到的两个因素在评估 LED 产生的白光时非常重要:发光效率和显色能力。一种称为显色指数(CRI) 在光度测量中用于比较光源,并定义为光源相对于标准参考照明光源的显色能力。可以证明,发光器件的发光效率和显色能力之间存在基本的权衡,如表 3 中的值所示。对于利用单色光块的标牌等应用,发光效率是最重要的,而显色指数无关紧要。对于一般照明,必须优化这两个因素。

设备发出的照明的光谱特性对其显色能力有深远的影响。虽然通过混合两种单色补色可以获得尽可能高的发光效率,但这种双色光源具有低显色指数。在实际意义上,如果一个红色物体被一个二极管照亮,该二极管发出仅由蓝色和黄色光组合而成的白光,那么红色物体的外观就不会很讨人喜欢,这是合乎逻辑的。然而,同样的二极管非常适合为透明或白色面板提供背光。模拟太阳可见光谱的广谱白光源具有最高的显色指数,但不具有双色发射器的发光效率。

基于磷光体的 LED 可以将蓝色发射波长与较长波长的磷光色相结合,或者仅通过磷光体发射产生光(如紫外泵浦 LED),可以设计为具有相当高的显色能力。它们具有在许多方面与荧光灯管相似的颜色特征。GaInN LED 利用半导体发出的蓝光来激发荧光粉,并提供冷白、淡白和白炽白版本,这些版本在芯片周围加入了不同数量的荧光粉。冷白色是最亮的,使用最少的荧光粉,并产生最蓝的光。白炽灯白色版本围绕着荧光粉最多的蓝色发射芯片,输出最暗,颜色最黄(最暖)。

期待已久的白光 LED 的可用性引起了人们对将这些设备应用于一般照明要求的极大兴趣。随着照明设计师逐渐熟悉新设备的特性,必须消除一些误解。其中之一是来自白色 LED 的光可用于照亮任何颜色的镜头或滤光片,并保持颜色的准确性和饱和度。在许多版本的白色 LED 中,白色输出中不存在红色成分,或者光谱中存在其他不连续性。这些 LED 不能用作为多色显示面板或彩色透镜提供背光的通用光源,尽管它们在透明或白色面板后面工作得很好。如果在红色透镜后面使用基于蓝色的 GaInN 白色 LED,则透射的光将为粉红色。同样,橙色镜头或滤光片在使用相同的 LED 照明时会呈现黄色。尽管 LED 在应用中的潜在好处是巨大的,但在将这些设备整合到照明方案中以代替更熟悉的传统光源时,必须考虑它们的独特特性。