以LED为载体迈向光电显示技术

一、引言

(一) 光源发展史

发光二极管 (Light Emitting Diode, LED) , 它是由半导体材料组成的发光器件, 本质上是一种固态光源。图1显示了光源的发展历程, 关于光源的历史最早可以追溯到18世纪末, 自1879年爱迪生发明了白炽灯之后, 人类开始拥有了真正属于自己的光, 进而开始了对光更深一步地探索和追求。照明灯具的发展一共经历了四个阶段:从白炽灯到霓虹灯, 再到气体放电灯[1], 以及当前的LED固态半导体灯时期。作为第四代LED光源, 由于其具有体积小, 寿命长和环保无毒等突出优点, 近年来发展迅猛, 受到行业工作者的广泛关注。基于LED光源提出的“绿色照明”、“健康照明”理念已经深入人心, 逐渐走入人们的生活。

关于LED的研究最早开始于1907年, 英国科学界马可尼第一次发现半导体材料可以发光时[2], 当时引起了广大科研工作者的极大兴趣。之后, 众多科学家们开始了对发光半导体的研究。直到20世纪50年代, 第一只以磷砷化镓 (GaAsP) [3]为发光材料的红色LED诞生, 迎来了LED技术发展的高潮, 标志着LED的发展进入了一个新的时期。到1993年, 日本科学家中村修二[4]发明了以氮化镓 (GaN) 为基础的蓝光LED, 弥补了此前LED研究史上蓝光LED的空白, 使得白光LED的发展得到了质的飞跃。

(二) LED的发展现状

随着科技的不断发展, LED技术也随之不断进步。LED逐渐占据着光源的主导地位, 各个国家也开始围绕LED技术制定各种各样计划:例如, 美国推出了“下一代照明计划、日本推出了“21世纪照明计划、欧洲推出了“彩虹计划、韩国推出了“固态照明计划”以及我国推出的“国家半导体照明工程”[8]等。

现在LED应用范围非常广泛, 高端的应用有LED绿色光伏照明[9]和LED显示屏, 例如, 深圳硕日新能源科技有限公司的太阳路灯、PHILIPS的植物照明和深圳科维光电的LED全彩显示屏。传统应用包括普通家用灯具, 汽车照明、指示灯等, 如亿光、今台、东贝等LED封装的厂家, 其产品的应用已经深入到人们生活中的方方面面。

LED产业包括上、中、下游。上、中游负责衬底和外延材料的制备, 而下游则负责对LED芯片封装, 如图2 (a) 。现在我国大部分都处于下游, 而上、中游的技术则被日本、美国等国家掌控。如图2 (b) , 上、中游在40%以上, 净利润在25%以上, 下游毛利率在30%, 净利润在10%-25%[10]。因此70%利润都在上、中游, 剩下的30%在下游。我国LED产业虽然具有庞大的市场, 但产业低端产品权重较大, 竞争力不足, 仍需要我们去进一步发展。这就需要国家提高对LED领域的投入, 多鼓励创业创新, 加快制定行业的标准[11]。

二、LED的结构及发光原理

(一) LED的结构

LED的基本结构如图3, 包括LED环氧树脂封装、LED芯片、有发射碗的阴极杆、阳极杆、楔形支架和引线架。实质就是通过环氧树脂包裹起LED芯片, 再由金线从引线架引入的外部电流传输到LED芯片。

环氧树脂是目前LED封装材料最为普遍的材料, 具有高透光率、高折射率、良好耐热性、抗湿性、绝缘性、高机械强度与化学稳定性等优点, 起到了决定光分布、降低LED芯片与空气之间折射率以增加光输出、提供LED保护等作用。

LED芯片是LED最关键的部分, 其本质上是一个包含PN结的固态半导体器件。一个半导体晶片, 晶片的一端附在一个支架上, 一端连接负极, 另一端连接正极, 整个晶片被环氧树脂封装起来。

(二) LED的发光原理

LED发光实质上是PN结的电子和空穴的复合过程, 所谓的PN结是指P型半导体和N型半导体的过渡层, 在P区内有大量空穴, N区内有大量电子。如图4, LED的发光过程描述如下, 当给PN结施加一个正向电压时, P区的空穴会流向N区, 而N区的电子会流向P区, PN结中的空间电荷区变窄, 于是在PN结稍微偏向于P区的地方, 处于高能态的电子会与空穴复合, 从而以光子的形式释放出能量, 即表现为发光。反之, 如果给PN结加上一个反向电压, 空间电荷区变宽, 电子和空穴难以符合, 从而无法发发光。[12]

三、白光LED技术

白光LED在日常生活中随处可见, 现在较为成熟地、已产业化的白光技术即是在LED芯片上涂敷荧光粉, 从而实现白光发射。目前采用荧光粉实现LED白光主要有如下三种技术: (1) 蓝光LED芯片+黄色荧光粉 (YAG) ; (2) 蓝光LED芯片+红色LED芯片+绿色LED芯片; (3) 紫外光LED芯片+能被紫外LED有效激发的荧光粉。

(一) 蓝光LED+黄色荧光粉

这一种是最常见的实现白光的技术, 占据主导地位。该技术主要被日本Nichia公司垄断, 主要利用运用蓝光LED激发黄色荧光粉, 发射波长在550-580nm的黄光, 得到的黄光和剩下的蓝光结合成白光[13]。其优点是技术相对简单、成本较低;但是, 黄色荧光体中的 (Ce3+) 离子的发射光谱不具有连续性, 显色性较差, 难以满足低色温照明的要求, 此外, 其发光效率也不够高。

(二) 蓝光LED芯片+红色LED芯片+绿色LED芯片

这种方法将蓝色LED、红色LED和绿色LED芯片组合成一个像素, 通过调节不同芯片的发光比例来实现白光。实验最佳数据表示, 蓝光LED发光效率在30lm/W, 红光LED在100lm/W, 绿光LED在43lm/W的条件下, 产生白光的平均效率能够达到80lm/W以上。但是这一种方法缺点在于成本太高, 安装起来过于复杂, 并且三种颜色LED的量子效率都不相同, 导致会随着温度和电流大小改变, 老化速度也会各不相同, 红、绿、蓝LED衰减效率依次下降[14]。所以这项技术仍没有运用得很普遍。

(三) 紫外光LED芯片+能被紫外LED有效激发的荧光粉

该种技术的原理是通过紫外LED (UVLED) 激发RGB三种荧光粉来获取白光, 因此, 需要调节三色荧光粉的搭配比例[14]。这样就增加了高效荧光体的选择性, 并且发光颜色是由荧光粉比例决定的, 方便调节光色。显色指数也明显高于蓝光LED激发黄色荧光粉的方法, 高达90以上。这种方法缺点在于紫外LED放光效率低下, 明显低于蓝光LED激发黄色荧光粉的发光效率。例如LED衬底和材料会对紫外光有一点的吸收[15], SiC衬底和蓝宝石上的GaN都会对紫外光有吸收, 会导致LED的光提取效率降低。若想提高紫外LED效率, 就需要对衬底材料的选择和结构进行进一步研究。

四、LED散热处理

LED的温度是通常以结温来衡量, 所谓结温即PN结温度。当结温升高时, LED各方面的性能都会下降, LED寿命就会减少。研究表明, 结温在100oC时, 波长会朝红色光谱移动4-9nm, 使得YAG吸收率下降, 从而白光LED的发光强度下降。经实验计算, 在室温下, 每当温度上升1oC, LED发光强度就会下降1%, 若温度达到120。C时, 光衰达到35%[17]。因此, LED的散热处理变得尤为关键。

LED中采用的散热主要有三种原理:热传导、热对流和热辐射。

(1) 热传导:固体间热量传递的方式就是热传导, 高温物体会向低温物体传递热量。

(2) 热对流:固体与接触流体 (液体、气体) 之间进行热量传递。

(3) 热辐射:热物体通过通过电磁波向外散发热量, 而且热辐射在散发过程中并不需要介质[17]。当温度越高时, 热辐射越剧烈, 例如太阳光热量传递到地球就属于热辐射。

下面介绍几种常用的散热方式:

(一) 风冷

风冷散热通过热传导、对流方式, 首先把热量传到到基板再到外部散热器, 最后把热量传递到空气中。这种方法是最为普遍的, 因为其技术要求不高, 成本低, 是首选的散热方法。

被动式散热属于热传导, 为了增大热传导效率, 就应该对LED结构、及其材料进行完善。LED芯片的倒装结构就是对其结构进行改变而达到散热, 还有对材料也试用方面, 银、铜、铝都是良好的导热材料, 对比这三种材料用铝合金作为散热器是性价比最优的, 银虽然导热率最高, 但成本贵, 铜则是容易损坏。作为衬底材料可选用薄膜陶瓷材料, 这方面材料也是耐热和导热性能都较为强, 可以加快散热速率。

主动式散热主要运用到风扇和翅片的组合, 毕竟风扇的作用为了增大空气流动速度, 所以扩大受风面积, 就需要通过改变翅片结构也能达到其效果, 实验验证翅片厚度的影响不及长度、高度[18], 翅片密集程度也会对影响翅片间隙, 从而影响空气流动[19], 对翅片的改造尽量围绕长度、高度及密集方面来设计, 可以节省更多的研究时间。但是散热器因为有风扇很难做到静音效果, 这也是其中不足的地方。

(二) 液冷

热对流也是液冷散热的基本形式, 液冷散热不同于风冷散热于它是靠液体流动来进行热量传递。LED产生的热量传递到底部, 底部再将热量传给的递微通道中, 微通道液体吸收热量, 通过水泵运转流动到散热器, 最后经由散热器散发掉。并且微通道结构越长, 散热效果更佳, 微通道液体一旦冷却完毕后又可以继续使用, 不停循环。这种散热方式往往需要更高技术, 因为一定要做到密封, 不能漏水, 而且冷却液类型不同对热量吸收率也相应不同, 成本也就越高。

此外, 还有其他一些散热方式如热管技术、电热制冷等。

五、结论

本文从器件结构、发光原理、封装技术、白光技术、散热方式等几个方面对LED进行了全面地介绍。其中重点介绍了白光LED技术及其实现方案。针对LED普遍存在的问题--散热问题, 详细介绍了散热原理及几种常见的散热方法。散热问题一直是影响LED发光效率和寿命的关键问题, 必须对其进行重点研究并加以解决, 才得以让LED走得更加长远。目前关于LED的未来发展主要集中在两个方向: (1) 健康化:即减低甚至消除LED的蓝光对人的负面效应, 在此基础上, 根据不同的应用场合设计具有不同光照强度的光源照具, 以最终实现“绿色照明”、“健康照明”; (2) 微型化:Micro-LED是基于LED技术衍生出来的新技术, 其具有高亮度、高发光效率以及低功耗等优点, 尤其在近年电子行业巨头苹果公司重新开始Micro-LED技术研究之后, 学术界和企业界均引起了足够重视并开展大量研究, 当前已取得显著进展, 相信在不久的将来, Micro-LED将突破现有的技术避垒, 走近人们的生活。相信在众多科研工作者的不懈努力下, LED光源会更加健康化, Micro-LED显示也将会让我们的生活更加炫丽多彩!

摘要：光电显示技术是普通高等学校光电技术专业的专业课程, 其中LED技术是光电显示技术的重要内容。本文以LED为载体详细介绍LED技术, 以期唤起同学们对光电显示技术的学习兴趣。首先简单介绍了光源的发展史;接着介绍了LED技术的基本原理和几种常见的器件结构;随后介绍了LED芯片的封装及实现白光LED的几种技术;接着针对LED技术至今尚存在的问题——散热问题, 重点探讨了改善和提升散热系统的方案;最后总结了LED技术的近年来的发展情况及对LED未来的展望。

关键词：LED,封装,荧光粉,散热

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