半导体照明的历史、现状与展望

 

罗毅

清华大学电子工程系

集成光电子学国家重点实验室2003 年6月9日

报告提纲

              •什么是半导体照明

              •LED的发展与半导体照明

              •实现半导体照明的关键

              •半导体照明的关键技术

              –高效、高可靠的材料外延技术

              –芯片制作技术

              –封装与应用技术

              •各国半导体照明的相关计划

 

 

照明技术发展史

FIRE   TorchesThousands of centuries before written history

OIL LAMPS

Terra-cotta lamps Mesopotamian plains8000-7000BC

Copper and Bronze lamps Egypt, Persia2700 BC

Wick vegetable fiber in vessel of olive or nut oil1000 BC

Horn lantern Rome100 BC

DaVinci oil lamp cylindrical glass chimney1490 AD

GAS LIGHTNatural gas China (long before), England1664 AD

CANDLESSpermaceti candlesWhaling industry1700 AD

ARC LAMPSElectric arc between electrodes France, Russia1800 AD

Incandescent Lamp

Thomas Edison

1870

Tungsten filaments

early 1900s

Lifetime > 1000 hours

Tungsten-halogen lamp

1970s

a small amount of Hg reduces

migration of W,

allows operation at higher T,

produces whiter light

 

http://science.howstuffworks.com/incandesent-lamp2.htm

 

 

Black BodyRadiation黑体辐射

 

Incandescent lamps follow the black-body radiation characteristics.

Their color and brightness depends on the temperature of the filament

白炽灯符合黑体辐射特征，其色彩和亮度取决于灯丝温度

White Light: T= 5500K

The spectrum of white light is that of solar radiation,

corresponding to black body radiation at 5500K

太阳白光辐射的光谱，相当于5500K的黑体辐射

The Fluorescent Lamp

荧光灯

http://science.howstuffworks.com/fluorescent-lamp2.htm

The ultraviolet radiation of mercury is converted into visible

by phosphor deposited inside the glass-tube envelope

由沉积在玻璃管内层上的磷将汞的紫外辐射转化为可见光。

Earth at Night夜间的地球

Acquired by NASA, Nov 2001

Night-time satellite image of the world.

The use of light at night appears to be directly related to wealth and prosperity. The lights also reflect trends in population and energy consumption.夜间，光的应用好像直接与财富与繁荣相关，光也反映出人口和能源消耗趋势。

Solid State Lighting:固态照明

The Light Emitting Diode发光二极管

F. A. Ponce and D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997)

InGaN multiple quantum well laser diode

InGaN多量子井激光二极管

(Nichia 1996)

F. A. Ponce and D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997)

Compound semiconductors used in visible light emitters

复合半导体应用于可见光发射器

 

F. A. Ponce and D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997)

LEDs based on InGaN Quantum Wells

基于InGaN量子井的LEDs

Evolution of Visible LEDs

白光LED的制作原理——实现白光LED的三种方法

Chromaticity Diagram配色图

全球半导体照明行业发展概况

截至2003年初，最高水平的GaN基大功率高亮度照明用白光LED 可达“1 W/chip”（电功率）的水平，光电转换效率约为40 lm/W

LED光源历史发展简介（一）

 

图1. Haitz’s定律指出：封装后的LED 发光光通量每过18 ～24 个月翻一番

国外半导体照明光源代表性发展规划

表2. 美国（OIDA，Optoelectronics Industry Development Association）和日本（21stCentury Lighting）半导体照明发展规划示意图

背景

——大功率白光LED遇到的挑战

全球半导体照明行业发展现状

目前半导体白光LED照明光源大规模产业化的Bottle-neck

electrical power

–外量子效率ηe光电效率lm/W

–器件成本$/chiplm 成本$/lm

短期内白炽灯和荧光灯仍将占居白光照明行业的主流

半导体器件在特殊照明行业占居优势

白光LED的制作原理

——大功率照明用白光LED的效率

白光LED的流明效率

芯片的功率效率：Wall-Plug-Efficiency＝optical power out / electric power in

白光的光谱流明效率= Luminous efficacy of phosphor/LED blend

荧光粉的量子缺陷(Quantum deficit in pumping phosphor)

荧光粉的量子效率(Phosphor quantum efficiency)，荧光粉的量子效率和温度有关，随温度升高，荧光粉的量子效率下降

封装效率(Package Efficiency) 包括封装材料的损耗，荧光粉加入后带来的散射，再吸收等损耗，对三色合成LED指混色损耗

白光LED的制作原理

——三种方法的比较

流明效率要达到150lm/W和200lm/W分别给三种方法的带来的要求

Nitride Semiconductors for Light Emitters

用于光发射器的氮化物半导体

Degree of Difficulty

The Luminous Efficiency Challenge

向发光效率挑战

Courtesy of Dr. D. P. Bour

•The internal quantum efficiencies are significantly below the values for other conventional III-V compounds

内部量子效率明显低于其他传统III-V化合物

•Engineering approach seems not to be sufficient.工程进展好像不太有效。

•What are the fundamental obstacles?基础的阻碍在哪里？

大功率白光LED最新进展和存在的问题

——芯片的进展

倒装焊芯片的优势：

外量子效率比正面出光的芯片提高了1.6倍散热良好，利于大功率工作厚P电极使电流扩散容易，减小了电阻

大功率白光LED最新进展和存在的问题

——存在的问题

2 色度不够好

怎么改进色温和显色指数？

依赖新的荧光粉blue LED+two phosphors

              •YAG+red enhanced phosphor SCESN

 (europium activated trontium-calcium-silicon-nitride)

              •Ga2S4:Eu2+-green和SrS:Eu2+-red

3 色度均匀性不好：单颗LED角向色温差异很大(800K)

人眼能分辨的色温差异：50-100K荧光粉浓度一定时，蓝光被转换成黄光的几率与蓝光出射过程中遇到的荧光粉厚度成正比

满足使用要求的光学系统设计

              􀂙 常规灯泡发出的光发散到全空间立体角内；

              􀂙 照明LED相对于常规灯泡的优点之一就在于其光束的方向可控；

              􀂙 对于投射照明，需要的光束角较窄；对于大面积照明，则需要有较宽的光束角，并且能够满足特定的光强远场分布要求；

              􀂙 背光源应用则要求均匀度在90％以上的面光源。

              􀂙 对照明LED光强远场分布的模拟以及相应光学系统的研究，是半导体照明应用中的重要环节。

做LCD显示器背照明

国外已实现商用化的有关产品

户内外装饰照明    汽车头灯、尾灯        道路路况照明

特殊照明要求：

1）长寿命、高亮度、易集成等共性；

2）时尚潮流、耐恶劣环境等特殊要求。