大功率LED器件的光学

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大功率,LED,器件中的光学问题,提 纲,发光原理,主要光学指标,白光的实现,光效的提高,产业化现状,发光原理,发光二极管的核心部分是由,p,型半导体和,n,型半导体组成的晶片，在,p,型半导体和,n,型半导体之间有一个过渡层，称为,p-n,结。在某些,半导体材料,的,PN,结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称,LED,。,发光原理,发光波长与半导体禁带宽度和晶格常数之间的关系,第三代半导体材料,_,氮化镓,1.,宽带隙，通过掺杂，可实现从紫外到红外的发光。,2.,耐温性好，可制成大功率器件。,3.,导热性好。,4.,化学稳定好。,5.,抗辐射能力强。,大功率,LED,器件得以实现的主要原因：,1.,蓝宝石单晶衬底材料的获得。,2.,耐温,GaN,材料的开发。,3.,人工超晶格,_,多量子阱结构的研究，极大,地提高了,LED,器件的内量子发光效率。,4.MOCVD,外延生长工艺的开发成功。,主要光学指标,亮度,发光效率,出光均匀性,显色指数,色温（色坐标）,光衰（寿命）,。,LED,器件光电性能综合测试系统,光辐射安全标准检测设备,LED,器件的发光光谱,色坐标与色温,光强分布曲线,不同色温下物体的颜色,显色指数,白光的实现,目前实现白光,LED,照明的为两大主流技术：,1.,利用荧光粉将蓝光,LED,或紫外,UV-LED,所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长,(Dichromatic),或三波长,(Trichromatic),白光，称之为荧光粉转换白光,LED(Phosphor Converted-LED),。,2.,多芯片型白光,LED,，经由组合两种,(,或以上,),不同色光的,LED,组合以形成白光。器件成本高，但显色指数高，色温连续可调，多用于室内照明和艺术照明。,目前白光,LED,商品以蓝光,LED,芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，主要应用于汽车照明与,手机,面板等领域，以目前白光,LED,产品市场分析，荧光粉转换白光,LED,可谓主流。红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差，光效低，光衰较大。,LED,专用荧光粉,Tb3Al5O12:Ce,掺铈铝酸铽,光学效率的提高,LED,芯片设计与制造,内封装,外封装,光学增透,荧光粉,光学透镜,反射,灯罩,器件结构,LED,路灯,三名年轻的多伦多大学毕业生，成立初创企业制造出声称是“史上最省电纳米,LED,灯泡”，被李嘉诚注资发展。点灯成金。,荧光粉胶水,环氧树脂,密封防潮性好，价廉。易光老化，热裂。,有机硅树脂,密封性防潮好，较贵。耐热性好、耐候性佳、透光性好。附着力欠佳。,荧光粉与胶水的选配,荧光粉的粒径、形状、配比浓度以及与胶水折射率大小的匹配度，决定了荧光粉层透光性的大小。其中，折射率的匹配，最难解决。以黄色荧光粉,YAG,（,钇铝石榴石,）为例，其折射率为,1.82,，而一般的有机胶水折射率较低。有机硅树脂的折射率仅为,1.41,。可能过改性提高其折射率。,荧光粉胶水的折射率,环氧树脂：,有机硅树脂：,YAG,荧光粉的,SEM,照片,光的背向散射,荧光粉层直接与芯片接触，芯片的高温导致荧光粉层过热，荧光粉会发生温度淬灭及温漂等现象。,芯片散热不良。胶层因热应力易导致裂纹。,胶层厚度、形状不易精确控制，导致混光效果不均匀，产品批次重复性不好。,荧光粉对入射光会有较强的反向光散射，导致取光效率不高。,荧光粉与胶水之间的相对折射率和透光性、扩散性的关系,数据来源：,2008,级应用物理，严启臻（留学德国）,远程荧光粉技术：将荧光粉与,LED,芯片分离，把荧光粉层反向散射的光再反射出去，提高光效。还可解决荧光粉受热光衰的问题。因荧光粉昂贵，不常采用。,据猜测，飞利浦公司（,2009,年，首届）与,GE(2011,年，第二届,),的参加美国能源部,L,大奖的参赛作品采用了远程荧光板技术。,光学增透技术,光子在,GaN,材料中产生，为四面发散光，后向光子经布喇格反射层反射前向射出。,在各个光学层及光学界面上，光被吸收、散射，光最终出射时，大部分光因全反射而无法射出。,窗口层,p,型限制层,有源层,n,型限制层,布拉格反射层,n-GaAs,衬底,表面粗化（致绒）技术,为了打破全反射条件，可以在出光面采用物理和化学的方法，将,GaN,材料表面纳米级粗化，可提 高取光效率近,1,倍。,光子晶体的使用,采用纳米微球模板刻蚀工艺，或者采用物理镀膜的方法，在,GaN,表面制作纳米柱、纳米金字塔形的亚波长结构，并经严格的光学设计，可进一步提高取光效率。,其物理本质是利用折射率渐变来实现广角增透（前面已有介绍）。,防眩光灯罩,发明专利：一种防眩光低光损扩散板及其制备方法和应用，,2012,年授权,体散射聚合物导光板及其注塑母料的制备方法，,2010,年授权,广东,2015,年成为全球最大生产基地,国家发改委：,2016,年,10,月,1,日禁止生产销售白炽灯。,2010,年，全省,LED,总产值,853,亿元。企业,3000,多家。居全国第一。产值占全国,70%.,2012,年，全省,LED,总产值达,1200,亿元。,2015,年超,3000,亿元。,2015,年,LED,省内,LED,产值预计：,LED,显示屏,750,亿，,LED,背光源,450,亿，室外照 明,700,亿，室内照明,100,亿。,著名企业：东莞勤上光电，花都鸿利光电、广州南科、南沙晶科、深圳雷曼光电、洲明电子、珠海德豪润达，江门金威光光电、佛山国星光电。,广东省新光源产业基地：南海罗村、广州化龙镇、中山古 镇。,