半导体照明光源技术问题大讨论(一)

2013-05-25 20:32:35来源: 互联网
 半导体照明光源现已批量进入照明领域,但出现不少问题,主要是效能、可靠性、光色质量以及成本等问题,有关效能和光色质量所涉及的内容很丰富,如视觉舒适 度、智能化调光控制等,在此暂不描述。本文将讨论急需解决的主要技术问题,归结为“三高一低”,即高光效、高显色性、高可靠和低成本的技术问题,实现低成 本其实质也是技术问题。解决这四大技术问题,需要在半导体照明产业链各个环节上采取一系列措施,比如采用新技术、新结构、新工艺、新材料等,这里只提及应 该采取的技术路线和方向,希望对LED企业的产品创新有所帮助。 主要解决方案是:采用新技术、新工艺、新结构、新材料等措施实现半导体照明的高光效;进行智能化调光控制,减少电能损耗,提高节能效果。

  一、实现高显色性

  白光LED的光色质量内容很多,包括色温、显色性、光色保真度、光色自然度、色调识别度、视觉舒适度等[3]。美国SSL计划提出,LED照明产品的光谱 分布要达到类似太阳光的光谱分布。要达到上述这些要求是很难的,要做很多基础研究工作,将来一定会实现。这里只讨论目前急需解决的色温和显色性问题。美国 能源之星标准规定,室内照明的显色指数CRI≥80,但在一些高端的应用场合要求CRI≥90。制作高显色性LED光源,会损失较多的光效,所以在设计时 要照顾这两方面因素。

  在此有必要说明一下有关显色指数CRI的评价问题[4],CIE(TC1-62)技术报告177的结论:“CIE的CRI不适合用于表示白光LED光源的 显色范围”。现在有很多种针对CRI定标提出的修正办法,如CQS色品质度、GAI全色域指数、RF夫勒特利指数、CPI颜色偏爱指数、CDI色分辨指数 等,目前CIE要采用哪一种修正尚未定论。美国NIST(国家标准研究院)提出采用CQS来评价光源颜色的质量,将测试样品扩大到15种,包含部分高色饱 和度的样品,这样就好得多,很多人给予认同。要提高显色性,原则上要考虑RGB三基色组合来实现,目前有三种办法。

  (1)多基色荧光粉

  LED光源采用LED蓝光芯片加铝酸盐黄粉和氮化物红粉、绿粉组合成LED白光,其显色指数CRI可达80~90。据有关报道,如采用RGBY荧光粉有效组合,其CRI可达98。

  (2)RGB多芯片组合

  采用RGB多芯片有效组合的LED白光,显色指数CRI也可达80~90,可能由于驱动方式和成本等因素,目前较少应用。

(3)荧光粉加芯片

  LED光源采用蓝光芯片加铝酸盐黄粉加红色芯片,有效组合LED白光,其显色指数可达80以上,光效较高,成本尚可,是目前普遍采用的组合方式。

  二、如何实现高光效

  半导体照明的光效,或者说能效,是节能效果的重要指标。目前LED器件光效产业化水平可达120~140lm/W,作成照明灯具总的能效可大于100lm /W。这还是不高,节能效果不明显,离半导体器件光效理论值250lm/W还有很大距离。真正要做到高光效,要从产业链各个环节上解决相关的技术问题,主 要是提高内量子效率、外量子效率、封装出光效率和灯具效率,本文将针对外延、芯片,封装,灯具等几个环节要解决的技术问题探讨。

  1.提高内量子效率和外量子效率

  主要采取以下几点措施来提高内量子效率和外量子效率。

  (1)衬底表面粗化及非极性衬底

  采用纳米级图型衬底、“取向型”图型衬底或非极性、半极性衬底生长GaN,减少位错和缺陷密度及极性场影响,提高内量子效率[1]。

  (2)广义同质衬底

  采用HVPE(氢化物液相外延)在Al2O3蓝宝石衬底上生长GaN,作为混合同质衬底GaN/Al2O3,在此基础上外延生长GaN,可极大地降低位错密度达106~107cm-2,并较大地提高内量子效率。日亚、Cree及我国北大均在研发之中[2]。

  (3)改进量子阱结构

  控制In组分的变化方式和变化量、优化量子阱结构提高电子和空穴交叠几率,增加幅射复合几率以及调节非平衡载流子的输运等,提高内量子效率。

  (4)采用新结构的芯片

  采用新结构要求芯片六面出光,在芯片界面上采用新技术进行多种表面粗化方式,减少光子在芯片界面上反射几率,并增加表面透光率,以提高芯片的外量子效率。

  2.提高封装出光效率及降低结温

  (1)荧光粉效率及涂覆工艺

  荧光粉的光激发效率目前还不高,黄粉可达70%左右,红粉和绿粉的效率较低,有待进一步提高。另外,荧光粉的涂覆工艺非常重要,有报道称在芯片表面均匀涂复60微米厚度的荧光粉,激发效率较高。

  (2)COB封装

  当前半导体照明的光源采用各种形式COB封装,提高COB封装的出光效率是当务之急,有报道称,采用第二代(有的称第三代)COB矩阵式结构封装,其光效可达120lm/W以上。如果采用倒装芯片和六面发光体进行全反射的结构,光效可达160lm/W以上。

  (3)降低结温

  据有关报道,结温为25℃时的发光量设为100%,当结温上升至60℃时其发光量只有90%,当上升至140℃时只有70%,所以在封装时要加大散热措施,保持较低结温,维持较高的发光效率。

  3.提高灯具的取光效率

  不同LED灯具的效率相差很大,一般LED灯具效率大于80%,有一部分可大于90%。要根据LED光源的特点以及不同的应用场合,对灯具进行精细的二次光学设计,也要考虑灯具散热和眩光问题,提高LED灯具的取光效率。

关键字:半导体  照明光源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0525/article_18594.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
半导体
照明光源

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved