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奥林巴斯显微镜LED光源发光原理

2014-11-06  发布者:admin 

在过去的几十年中都带来了持续和快速发展的技术革命的顺序,特别是在数字领域,这极大地改变了我们的日常生活的许多方面。发光二极管(制造商之间的发展竞赛发光二极管),有望产生,从字面上看,最明显和最深远的过渡日期。在设计和制造这些小型半导体器件的最新进展,可能会导致在普通的电灯泡的报废,或许通过现代社会中使用的最普遍的装置。

白炽灯是最有名的托马斯·爱迪生的主要发明的,也是唯一一个已经坚持使用(并在近其原始形式)到今天,现在比它的介绍后,一个世纪以上。留声机,纸条,并且油印机器已经被替换为数字技术在过去的几十年中,并且最近,全光谱的发光二极管器件正变得普遍,并且可能迫使白炽灯和荧光灯被灭绝。而LED技术的一些应用可以是直截了当的,与另一个替换一个灯泡,更有远见的变化可能涉及利用光引人注目的新机制。如所预测的进化的结果,墙壁,天花板,甚至是整个建筑物可能成为专门的照明场景的目标,和室内设计的变化可能会通过照明效果,而不是通过重新油漆或refurnishing来完成。最起码,从白炽灯广泛变化到LED照明将导致巨大的节能效果。

虽然发光二极管在操作中我们周围的盒式磁带录像机,时钟收音机和微波炉,例如,它们的使用受到了限制主要是为了对电子设备显示功能。计算机和其他设备上的微小的红色和绿色的指示灯都是那么的熟悉,但事实上,第一个LED被限制在一个昏暗的红色输出可能是没有得到广泛的认可。事实上,绿色发光二极管,即使可用性表示在技术显著发育步骤。在过去的15年左右的时间,LED已经变得更加强大,并且可以在很宽的颜色范围。一个突破,使第一个蓝色在90年代初的LED制造,在可见光谱的红光的另一端发光,开辟了创建几乎任何光线颜色的可能性。更重要的是,该发现使得它在技术上可行,从微小的半导体器件产生白光。一种廉价的,面向大众市场的白光LED的版本是研究人员和厂商的最抢手的目标,是设备最有可能结束于低效的白炽灯一百年的依赖。

普通照明二极管器件的广泛运用还是有些年的时间,但是LED指示灯会开始取代白炽灯在许多应用中。有许多的原因,与现代半导体的替代品替代常规白炽灯的光源。发光二极管远比白炽灯更高效的转换电能转化为可见光,它们坚固耐用,结构紧凑,而且可以经常过去100000小时使用,或约100倍,比白炽灯泡长。LED是从根本上单色发射器和应用程序需要高亮度,单色灯正在经历的一代提高了设备内的应用程序数量最多。LED的使用正在增加用于汽车尾灯,转向灯和侧标志灯。作为第一汽车应用之一,在汽车和卡车的高安装刹车灯是一个特别有吸引力的位置,结合LED灯。长的LED寿命允许制造更自由地制动灯集成到车辆的设计,而不提供对常见的(易)更换的必要性,当白炽灯被用作是必需的。

近似的红色交通灯在美国10%的人现在被替换为基于LED的灯。LED的高初始成本可以回收在短短的一年由于生产红光,这是完成的,而不需要过滤他们的更高的效率。在一个红色交通灯的LED的消耗约10至25瓦,50至150为相似亮度的红色滤白炽灯相比较。LED的寿命是降低昂贵的维护信号的一个明显的优点。单色LED也被用作跑道灯在机场和作为警示灯在广播和电视发射塔。

作为改进已经进行了制造效率和朝向,以产生光的发光二极管与几乎所有的输出颜色,研究的主要焦点和产业的能力已成为白色光的二极管。两种主要机理被用来从该基本上是单色的设备产生白光,并且这两种技术很可能将继续被用于不同的应用。一种方法包括混合不同颜色的光从多个发光二极管,或由不同的材料在一个单一的LED的,特别是造成在显示白色的光的比例。第二技术依赖于使用的LED发射(通常不可见的紫外线),以对激发另一种物质,如荧光体,这反过来又产生白光提供能量。每种方法都有其优势和缺点,很可能是在不断变化中发生的LED技术的进一步发展。

半导体二极管(LED)的基本原理

发光二极管的功能所依据的基本流程,并且在它们的结构中使用的材料的细节,都在随后的讨论中。由发光二极管产生光的基本机制然而,可以概括,通过一个简单的概念性描述。熟悉的灯泡依靠温度通过称为白炽一个过程以发射可见光(和以热的形式显著更不可见辐射)。与此相反,发光二极管采用电致发光的形式,这是由于半导体材料的电子激发。基本的LED由一个的交界处两个不同的半导体材料之间(在图2中示出),其中所施加的电压产生的电流,伴随着光的发光时穿过结注入的电荷载流子重新结合。

LED的基本元件是一个半导体芯片(类似于集成电路),其被安装在由连接到两个电引线的引线框架支承的反射杯,然后嵌在固体的环氧树脂透镜(见图1)。一个包括在所述芯片接合两个半导体区域由负电荷为主的(n型区域;图2)),而另一个是由正电荷(支配p型区域)。当足够的电压施加到电引线,电流和电子跨过该结移动从Ñ区到P区,其中所述带负电荷的电子结合正电荷。收费每一种组合都与可能释放的电磁能量量子的光的光子的形式的能量水平下降有关。的频率,以及感知的颜色,发射的光子的半导体材料的特性,因此,不同的颜色通过改变在该芯片的半导体组合物来实现的。

发光二极管的功能细节是基于共同的半导体材料,如硅,其具有可变的导通特性的特性。为了使固体进行发电,其电阻必须足够低,使电子在整个批量的材料的更多或更少的自由移动。半导体显示出电阻值的那些的导体和绝缘体之间的中间,并且它们的行为所用的带理论为固体计进行建模。在结晶固体中,构成原子的电子占据了大量的能量水平可以相差很小或者在能量或在量子数。能级的宽光谱往往组在一起成为几乎连续的能带,其中有很大不同对于不同的材料和条件的宽度和间距。

在逐渐升高的能量水平,从细胞核出发向外,两个不同的能带可以被定义,这被称为在价带导带(图3)。价带中的电子由以比内层电子较高的能级,而这些有一定的自由度对相互作用以形成固体的原子之间的一种类型的局部粘结的。在静止更高的能量水平,导带的电子的行为类似于在单个原子或分子的电子已被激发的地面以上的状态,与自由的高度内的固体移动。在价带和导带之间的能量差被定义为带隙的特定材料。

在导体的价带和导带部 分重叠的能量(参见图3),从而使价电子的一部分总是驻留在导带中。带隙基本上为零对这些材料,并且与价电子自由移动到导带的一部分,空缺或发生在价带中。电子移动,用很少的输入能量,进入孔中相邻原子的频段,并且所述孔在相反方向上自由地迁移。相对于这些材料,绝缘体具有全满价带和较大的带隙,并且通过电子可以从原子移动到原子是一个价电子可位移到导带中,需要大的能量消耗的唯一机制。

半导体具有带隙,其体积小但有限的,并且在常温下,热搅动足以一些电子移动到导带,他们可以向电传导。性可通过提高温度来减轻,但许多半导体器件的设计中,一个电压的施加产生的价带和导带之间的电子分布所要求的变化,使电流流动的方式。虽然带布置是类似的所有半导体器件,有在带隙(和在电子的频带中的分配),在特定温度条件下的大的差异。

元素硅是最简单的本征半导 体,以及通常用作一个模型,用于描述这些材料的行为。在其纯的形式存在,硅不具有足够的电荷载体,或适当的带隙结构,是在发光二极管结构是有用的,但被广泛用于制造其它半导体器件。硅(和其他半导体)的传导特性可以通过在少量晶体,其用于提供任何额外的电子或空位(空穴)在结构中引入杂质来改善。通过这个过程,被称为掺杂,集成电路生产商已开发了定制半导体的性质以适合特定应用相当大的能力。

掺杂修改半导体的电子性能的方法是最容易通过考虑相对简单的硅晶体结构的理解。硅是一种Ⅳ族元素周期表的部件,具有四个电子可能参与键合与相邻原子中的固体。以纯的形式中,每个硅原子共用电子与四个相邻,具有超出在晶体结构中所需的电子的无赤字或过量。如果少量的Ⅲ族元素(那些具有3电子在其最外面的能量电平)被添加到硅结构,电子的数量不足存在满足粘接要求。电子不足造成一个空缺,或孔,在结构上,将得到的正极的电性质的材料作为p型进行分类。硼是通常用于掺杂纯硅,实现p型特性的元素之一。

掺杂,以产生材料相反的类型,具有负的总电荷的字符(n型),通过添加来实现的V族元素,如磷,其具有在其最外能级一个“额外”的电子。所得到的半导体结构具有过量所需的共价键合的硅的数量,这赋予充当电子供体(n型材料的特征)的能力,可用的电子。

虽然硅和锗,通常用于半导体制造中,既不材料适合于发光二极管结构,因为结采用这些元件产生一个显著量的热量,但只有少量的红外线或可见光发射。光子的发光二极管的pn结通常是基于第III族和V族元素,如砷化镓,磷砷化镓,磷化镓的混合物。小心控制这些化合物的相对比例,以及其他掺入铝和铟,以及在加入的掺杂剂,如碲,镁,使制造商和研究人员产生二极管发射的红色,橙色,黄色或绿色的光。最近的使用碳化硅和氮化镓已准许的蓝色发射被引入二极管,并以各种组合结合了多种颜色提供,以产生白色光的机构。的材料,包括该装置结的p型和n型侧,并将得到的能带结构的性质,决定了能量水平是在在该结区电荷重组可用,并且因此,能量子的大小释放为光子。其结果是,光通过一个特定的二极管发出的光的颜色取决于pn结的结构和组成。

基本键操作的固态电子器件的性能是pn结的性质。当不同的掺杂材料被放置在彼此接触,电流的交界的区域中的流动是不同的比在单独使用这两种材料。电流将容易地在一个方向跨过该结流动,而不在其他中,构成了基本的二极管结构。这种行为可以理解电子和空穴两者的材料类型和穿过结的运动方面。额外的自由电子在n型材料倾向于从带正电荷的区域,或向p型材料中的带负电荷的区域移动。在p型区域,它具有悬空的电子位点(孔),晶格的电子可从孔跳转到孔中,并且将趋向于远离所述带负电荷的区域。这种迁移的结果是,该孔出现移动在相反的方向,或远离正电荷区和朝向带负电荷的区域(图4)。从p型区的n型区和空穴的电子重新结合在结附近形成一个耗尽区(或层),其中没有电荷载流子保持。在耗尽区中,静电电荷被建立,抑制任何额外的电子转移,并且没有明显的电荷可以穿过结流动,除非辅助通过外部偏压。

在二极管结构中,在装置的相对端的电极使电压在可克服耗尽区的影响的方式被应用。连接二极管至电源电路的负极侧,而p型区到正侧的n型区域将导致电子从n型材料向p型移动,并且空穴移动至在相反的方向。与应用足够高的电压时,在耗尽区中的电子被升高,能量解离与孔,并开始再次自由地移动。操作与该电路的极性,称为正向偏置的PN结的,耗尽区消失,电荷可以通过二极管移动。空穴从p型材料驱动到结点和电子驱动,以从n型材料的交界处。空穴和电子在路口的组合能够维持一个连续的电流通过二极管。

如果电路的极性是相反的相对于所述p型和n型区,电子和空穴将被拉向相反方向,与耗尽区的交界处的伴随扩大。不连续的电流流动发生在反向偏置的 pn结,虽然最初一过电流流过的电子和空穴被拉离的交界处。作为生长耗尽区产生的电势等于所施加的电压的电流流动,会尽快停止。

发光二极管施工

在pn结的电子和空穴之间的相互作用的操作是在所有的半导体器件的设计基础,以及用于发光二极管中,主要的设计目的是高效地生成光。注射跨越pn结的载流子是伴随着在电子能级的降低,从导带至下轨道。这个过程发生在任何二极管,但只产生可见光的光子在那些具有特定的材料组合物。在一个标准的硅二极管,所述能量水平的差异是相对小的,并且只有低频发射发生,主要是在光谱的红外区域。红外二极管是在很多设备,包括远程控制是有用的,但对可见光发光二极管的设计,需要制造具有呈现的导带和价带中的轨道之间有较宽的间隙材料。所有半导体二极管释放某种形式的光,但大部分的能量被吸收到二极管材料本身,除非设备被专门设计用于从外部释放光子。此外,对可用作光源,二极管必须集中在一个特定方向的光发射。两者的组成和结构的半导体芯片,并在LED外壳的设计中,向从设备的性质和能量发射的效率。

发光二极管的基本结构是由半导体材料(通常被称为一个的管芯),在其上的管芯被放置在一个引线框架,包封环氧树脂组装周围(参见图1)。在LED半导体芯片被支撑在反射杯铸造成一个电极(在结束时阴极),并且在典型的配置中,芯片的顶面与一金接合线的第二电极(连接阳极)。几个结结构的设计需要两个键合线,1至各电极。除了 在不同的LED的辐射波长的明显变化,有变化的形状,尺寸和辐射模式。典型的LED半导体芯片的面积约为0.25毫米方,环氧基体为2至直径约10毫米。最常见的是,在LED的身体是圆形的,但它们也可以是矩形,正方形或三角形。

虽然光从半导体管芯发射的色彩是由芯片的材料在它们被组装的方式组合,并确定LED的某些光学特性可以通过在芯片封装的其他变量来控制。射束角可以是窄或宽的(见图5),并且由反射杯的形状来确定,所述LED芯片的尺寸,从芯片到环氧壳体或透镜的顶部的距离,和几何环氧镜头。环氧透镜的色调并不确定LED的发光颜色,但通常被用作灯的颜色的一种方便的指示时,它是不活动的。指示灯用于那些需要较高的强度,并在关断状态无彩色,具有清晰的镜片,没有色调或扩散。这种类型的产生最大的光输出,并且可以被设计成具有最窄的光束,或观看角度。非漫射透镜通常表现出的加或减10到12度(图5)的视角。它们的强度允许它们被用于背光照明应用,如显示面板的电子设备上的照明。

用于创建扩散的LED透镜,分玻璃颗粒包埋在环氧树脂包封。通过包含该玻璃所造成的扩散价差光由二极管发射的,在中心轴的任一侧上产生的大约35度的视角。此透镜样式通常采用在将LED被直接观察时,如对设备的面板显示灯的应用程序。

材料的系统和在LED结构的制造技术的选择是由两个主要目标最大化的光产生的芯片材料,并将所产生的光的高效提取引导。在正向偏压的pn结,空穴穿过结的p区注入到n区,并且电子从n区注入到p区。该材料中的平衡电荷载流子分布由该注射的过程,这被称为少数载流子注入改变。少数载流子与多数载流子发生重组以重新建立热平衡,并持续电流流动保持了少数载流子注入。当重组率等于喷射率,稳态载流子分布被建立。少数载流子的重组可发生在一个辐射的方式,与光子的发射,但对此进行适当的条件下,必须建立为能量和动量守恒。满足这些条件不是瞬时过程,并且注入的少数载流子的辐射复合之前的时间延迟的结果才能进行。这一延迟,少数载流子寿命,是必须在LED材料的设计被认为是主要的变量之一。

虽然辐射复合过程是可取的LED的设计,这不是唯一的重组机制,该机制能够在半导体。半导体材料不能在没有一些杂质产生,位错的结构,以及其他结晶缺陷,而这些都可以阱注入的少数载流子。这种类型的重新组合可以或可以不产生光的光子。再结合不产生辐射是由运营商合适位点的扩散速度减慢,并且其特征在于一个非辐射过程的寿命,其可相对于辐射过程的寿命。

在LED设计目标显而易见,鉴于上述的因素,是最大化的电荷载流子相对于所述非辐射的辐射复合。这两个过程的相对效率确定注入的电荷载体,结合对辐射相比,喷射出的总数量,这可以解释成这样的材料系统的内部量子效率的分数。的材料用于LED制造的选择依赖于半导体的能带结构的理解和通过该能量水平,可以选择或操纵,以产生良好的量子效率的值的装置。有趣的是,第III-V族化合物的某些基团具有近100%的内部量子效率,而在半导体使用的其他化合物可具有内部量子效率低达1%。

该辐射寿命为特定的半导体很大程度上决定之前,无辐射是否会发生辐射再结合。大多数半导体具有类似的简单的价带结构与位于围绕特定晶体学方向上的能量峰,但与在导带中的结构更加变异。在导带中存在能量的山谷,和电子占据的最低能量的波谷被定位成更容易参与重组与在价带中的少数载流子。半导体可以被分类为直接间接依赖于导带能量的山谷的相对定位,并在能量/动量空间中的价带的能量顶点。直接半导体具有空穴和电子的位置直接相邻的相同动量的坐标,从而使电子和空穴复合相对容易,同时保持动量守恒。在间接半导体,导带能量的山谷和孔,允许动量守恒之间的匹配是不理想,大部分的跃迁被禁止,并且将得到的辐射寿命长。

硅和锗是间接的半导体,其中注入的载流子的辐射复合是极不可能的例子。的辐射寿命这样的材料会发生在秒的范围内,并且几乎所有的注入载流子结合非辐射通过在晶体中的缺陷。直接半导体,诸如氮化镓或镓砷化物,具有短的辐射寿命(大约1到100毫微秒),并且材料可具有足够低的缺陷密度来制造该辐射过程是可能象非辐射性。对于重组事件发生在间接带隙材料中,电子必须有一个孔在一个显著降低重组概率相结合,造成了能带 - 能带间跃迁的发生之前改变其动量。由这两种类型的半导体材料构成的发光二极管显示出的量子效率明显地反映了这一事实。氮化镓LED的量子效率高达12%,而典型的碳化硅LED的0.02%左右。图6给出的能带图的直接带隙GaN和间接带隙的SiC示出了两种类型的材料的能带 - 能带的能量跃迁的性质。

光的载流子跨越pn结注入的放射性复合发射的波长(和颜色)是由重组的电子-空穴对的价带和导带之间的能量差来确定。载流子的近似能量对应于价带的上端的能级和导带的能量最低时,由于电子和空穴的倾向,平衡在这些水平。因此,波长(λ发射的光子的)近似由下式:

λ= HC / E BG

其中ħ代表普朗克常数,Ç是光的速度,而E(血糖)是带隙能量。以改变发射的辐射的波长,用于制造LED的半导体材料的带隙必须改变。砷化镓是一种常见的二极管材料,并且可以被用作表示在一个半导体的能带结构可以被改变以改变该装置的发光波长的方式的一个例子。砷化镓具有大约1.4电子伏特的带隙,且发出的红外线,在900纳米的波长。为了增加发射的频率转换成可见光的红色区域(约650纳米),带隙必须增加到约1.9电子伏特。这可通过将砷化镓与具有大的带隙相容的材料来实现。磷化镓,具有2.3电子伏特的带隙,是此混合物的最可能的候选者。与化合物制备的LED 的GaAsP(镓砷磷)可定制以产生任何值的带隙1.4和2.3电子伏特之间,通过调整砷与磷的含量。

如先前所讨论的,光产生的二极管的半导体材料的最大化是在LED的制造中主要设计目标。另一个要求是从芯片的光的有效提取。由于全内反射,光的仅仅是在半导体芯片内各向同性地产生一小部分可以逃逸到外部。根据斯涅耳定律,光可以从更高的折射率的介质行进到较低折射率的介质中,只有当它相交的两种介质之间的界面上以一定的角度小于临界角为两种介质。在通过LED(取决于具体的芯片和pn结的几何形状)的上表面具有一个典型的发光半导体立方体形状,仅约1至所产生的光逃逸的2%,余量由所述半导体材料中的吸收。

图7示出了光从折射率的层状半导体芯片的逃逸N(S)为环氧低指数(N(五))。由逃逸锥对着的角度是由临界角,定义θ(三),对两种材料。光线出现的来自LED的角度小于θ(三)逃逸到环氧树脂具有最小反射损耗(虚线射线线),而这些光线传播的角度大于θ(三)经历全内反射边界处,并做不直接逃芯片。因为环氧圆顶的曲率,最光线离开半导体材料满足环氧/空气界面处几乎成直角,并从同一点反射损失壳体出现。

光从LED芯片到周围环境发出的光的比例依赖于表面,通过它光可被发射的,以及如何有效地发生这种情况,在每个表面的数量。几乎所有的LED的结构依赖于某种形式,其中外延生长工艺被用来沉积在彼此顶部几个晶格匹配的材料来定制芯片的特性层状排列的。各种各样的结构的情况下,与需要不同的层体系结构以便优化性能特性的每种材料系统。

大多数的LED的结构安排依赖于二次生长步骤以沉积单晶层上的单晶块状生长的基片材料的顶部上。这种多层化的方法使设计人员能够满足看似矛盾或不一致的要求。所有的结构类型中的一个共同特征是,该pn结,在光发射时,它几乎不会位于上述大量生长衬底的晶体中。其中一个原因是,本体 - 生长材料通常具有高的缺陷密度,从而降低了光的产生效率。此外,最常见的批量生长的材料,包括砷化镓,磷化镓,和磷化铟,不具有相应的带隙为所期望的发射波长。在许多LED应用的另一要求是,可以通过适当的底物的选择必须满足,即使在在pn结区所要求的低的掺杂将不能提供足够的导通情况下的低串联电阻。

外延晶体生长的技术涉及一种材料上的另一个,这是密切在原子晶格常数和热膨胀系数相匹配,以减少在分层材料中的缺陷的沉积。许多技术都在使用中产生的外延层。这些包括液相外延(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)。每个生长技术,在特定材料系统或生产环境中的优点,而这些因素在文献中有广泛的讨论。

在LED的制造中使用的各种外延结构的细节这里不再给出,但在许多出版物中进行了讨论。然而,一般来说,这种结构是最常见类别的生长扩散的同质结单禁闭双限制异质结。不同层安排的应用程序背后的战略是多不胜数。这些包括的结构Pñ区域和反射层,以提高系统的内部量子效率,分级的组合物缓冲层,以克服层之间的晶格失配,局部变化的能带间隙来实现载流子限制,并且载流子注入的横向约束控制光发射区或准直的排放。

即使它通常不包含pn结区域,在LED基板材料成为功能的一个组成部分,并且被选择为适合于所需的外延层的沉积,以及用于它的透光性和其它性能。如前所述,所产生的光的一部分,实际上是从一个LED芯片发射的表面,有效地发射的光的数量的函数。大多数LED芯片被归类为吸收衬底AS)的设备,其中,所述基片材料具有窄的带隙和吸收具有能量大于带隙的所有排放。因此,光行进朝向侧面或向下被吸收,并且这样的芯片只能通过其顶表面发射光。

所述透明衬底TS)芯片的设计通过将基片是透明的,发射光的波长,以增加光提取。在一些系统中,在上部外延层的透明度将允许一定角度范围内的光发射向侧面,要被提取为好。混合设计,具有衬底属性的AS和TS设备之间的中间体,也被利用,并且显著增加提取效率可以通过就业从LED芯片到空气中的折射率梯度变化来实现。有留在LED结构,以减少排放和难以克服,如前面和芯片上的背面接触,晶体缺陷众多其他的吸收机制。然而,芯片上制成透明的,而不是吸收,底物可表现出在提取效率的近-五倍改善。

的多颜色LED的发展

第一个商业化的发光二极管,在20世纪60年代开发的,所用的主成分镓,砷,磷,产生红光(655纳米的波长)。一个附加的红色发光材料,磷化镓,后来被用于生产二极管发射700纳米的光。后者版本已经看到有限的应用,尽管效率高,由于从人眼在该光谱区域的相对不敏感性而产生的低表观亮度。在整个20世纪70年代,技术的发展使附加二极管的颜色被引入,并且生产的改进提高了设备的质量控制和可靠性。

变化的元素比例,掺杂,并且基底材料造成的镓-砷化物-磷(发展的GaAsP)二极管产生的橙色和黄色发射,以及更高的效率红色发光体。基于绿色二极管的GaP还开发芯片。采用镓铝砷(的引进和完善的GaAlAs),在20世纪80年代,导致了对发光二极管的应用数量快速增长,主要是因为数量级的提高亮度相比,以前的设备。这个增益中性能通过在芯片制造中使用的多层异质结构的实现,虽然这些砷化镓铝二极管被限定于红色(660纳米)的发光,又开始在室外的标志可,条形码扫描仪,医疗器械和光纤数据传输。

发光二极管的颜色变化
颜色名称波长
(纳米)
半导体
组成
红外线880砷化镓铝/砷化镓
超红660砷化镓铝/砷化镓铝
超红633的AlGaInP
超级橙色612的AlGaInP
605的GaAsP /间隙
585的GaAsP /间隙
白炽灯
4500K(CT)的的InGaN / SiC复合材料
淡白色6500K(CT)的的InGaN / SiC复合材料
冷白8000K(CT)的的InGaN / SiC复合材料
纯绿555的GaP /间隙
超级蓝470氮化镓/碳化硅
蓝紫色430氮化镓/碳化硅
紫外线395的InGaN / SiC复合材料
表1

一个主要的发展发生在上世纪80年代末,当LED设计师的迅速发展激光二极管产业借来的技术,导致高亮度可见光二极管基于铟镓铝磷(对生产的AlGaInP)系统。这种材料可以改变由调节的带隙的发光颜色。因此,在相同的生产技术可用于产生红,橙,黄,绿的LED。表1列出了一些常用的LED芯片的材料(外延层,并且在一些情况下,该基片)和它们的发射波长(或者相应的颜色温度为白光LED灯)。

最近,基于氮化镓和碳化硅的材料的蓝色LED已经被开发出来。生产光在该较短波长的,在可见光谱的更有力的区域中,长期以来一直难以实现对LED的设计。高光子能量通常会增加半导体器件的故障率,并且人眼对蓝光的灵敏度低增加了亮度为一个有用的蓝色二极管。一项所述的蓝色发光二极管的最重要的方面是,它完成了红,绿,蓝(RGB)原色家庭提供生产固态白光,通过对这些部件的颜色混合的附加 机制。

固态研究者已经寻求开发由于第一发光二极管的发展产生了明亮的蓝色光源。虽然利用碳化硅的LED可产生蓝光,它们具有非常低的发光效率,并且不能够产生所必需的实际应用中的亮度。在III族氮化物基半导体的最新发展已经导致在二极管技术的一次革命。特别是,镓铟氮化物(的GaInN)系统已成为用于生产蓝色LED的主要候选人,并且也是在显影的白色LED市场的主要材料。起源于1990与实现对掺杂GaN中的材料的GaInN系统,以后接着的的GaInN / GaN的双异质结构用于LED制造的利用率,然后通过高亮度的蓝色和绿色的GaInN的LED中的商业可用性20世纪90年代末。

白光LED灯

镓铟氮化物半导体材料系统的作用延伸到白光二极管的发展。加入明亮的蓝色发光LED与早期开发的红色和绿色的装置使得有可能使用三个LED,调谐到适当的输出电平,以产生在可见光光谱中,包括白色的任何颜色。其他可能的方法来产生白光,使用一台设备,是基于荧光染料波长转换器或半导体波长转换器。白色LED的概念是用于普通照明特别有吸引力的,原因是固态器件的可靠性,以及用于递送非常高的发光效率比传统的白炽灯和荧光灯的来源的可能性。

而传统光源表现出每瓦15至100流明的平均产量,白光LED的效率,预计通过持续的发展,以达到每瓦超过300流明。图8示出了发光效率值的数目的LED类型和传统的光源,并包括CIE为可见光波长范围(委员会国际歌DE L'Eclairage)发光度曲线。这条曲线代表了人眼响应的100%效率的发射极。一些当前的LED材料系统的显示出更高的发光性能比大多数的传统光源,很快发光二极管预计是最高效的发射器可用。

白色LED是肯定适于显示和标牌应用,但为了对普通照明有用(如希望的),而对于应用要求的准确和美观的显色性(包括照明光学显微镜),以何种方式“白色”光实现必须认真考虑的。人眼感知光线作为是白色的,如果三种photosensory视锥细胞位于视网膜,特别是比刺激。三锥类型表现出的响应曲线,在灵敏度为代表的红色,绿色和蓝色,以及响应信号的组合产生不同的色彩感觉在大脑中的波长峰。多种不同颜色的混合物能够产生类似的感知颜色的,特别是在白显示的情况下,其可以通过两种或更多种颜色的许多组合来实现。

甲色度图是表示从混合颜色所得到的结果的图形手段。单色的颜色出现在该图的边缘,以及一系列代表白色的位于图中的中心区域的混合物的(参见图9)。可以通过不同的机制来产生被感知为白色光。一种方法是在适当的功率比光的两个互补色组合。产生在视网膜上的三色激励响应(引起的白色的知觉)之比改变为不同的颜色组合。一个选择互补波长列于表2中,随着功率比为每个产生指定为标准光源的色度 坐标对D(65)由国际委员会照明委员会(CIE,委员会国际歌DE L'Eclairage) 。

产生白色光的另一种手段是通过组合三种颜色的发光,将产生的白色光的感知当它们被组合以适当的功率比。白色光,也可以通过从发射在可见光谱的一个大的区域的物质的宽带发射产生的。这种类型的发射的接近太阳光,并且被认为是白色的。此外,宽带发射可以与发射在离散频谱线,以产生感知的白色,其可具有从这些白色光通过其他技术产生不同的特定期望的颜色特性进行组合。

的红色,绿色和蓝色二极管芯片的组合成一个离散的包,或者在一个灯组件壳体二极管的集群,使得白光或任何的256色的产生通过利用电路,独立地驱动所述三个二极管。在需要的颜色从单点源的全光谱应用中,这种类型的RGB二极管格式是优选的技术。

最白光二极管使用的半导体芯片的发光在短波长(蓝色,紫色或紫外)及波长转换元件,其吸收的光从所述二极管和经受在更长的波长的二次发射。这样的二极管,因此,发射的两个或更多个波长的光,即在组合时,显示为白色。将合并的发射的质量和光谱特性随不同的设计变型是可能的。最常见的波长转换元件的材料被称为荧光体,其表现出的发光时,它们吸收能量从另一个辐射源。在通常使用的荧光体是由含有光学活性的掺杂剂的无机主物质。钇铝石榴石(YAG)是一种常见的基质材料,并且对二极管的应用中,通常掺杂有稀土元素或稀土类化合物中的一个。铈是在设计用于白色发光二极管的YAG荧光体的共同掺杂元素。

补色波长
波长互补功率比
λ 1(nm)λ 2(nm)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

第一市售的白色LED(制造并且由Nichia公司分布)是基于一个蓝色发光镓铟氮化物(上的GaInN由黄色荧光体包围的部分)的半导体器件。图1示出该装置的剖面结构。磷光体的Ce掺杂的YAG,生产的粉末形式,并悬浮于用于封装管芯的环氧树脂。磷光体-环氧混合物填充支撑在引线框架上的芯片的反射杯,和从芯片的蓝色发光的一部分被荧光体吸收并重新发射的较长波长的磷光。下的蓝色光照的黄色光激发的组合是理想的要求,只有一个转换器的种类。互补的蓝色和黄色波长通过添加剂组合混合,以产生所需的白色光。该LED(图10)中所得到的发光光谱表示荧光体发射的组合,与蓝色的发光穿过所述荧光粉涂层未被吸收。

两个发光带的相对贡献可以被修改,以优化LED的发光效率,和总的发射的颜色特征。这些调整可以通过改变含荧光剂的环氧包围着模具的厚度,或通过改变荧光体悬浮在环氧树脂的浓度来实现。从所述二极管的带蓝色的白色发光被合成时,在效果上由加色混合,它的色度 特性是由在CIE色度图上的中心位置,(0.25,0.25)所表示的(图9; 带蓝色的白光LED)。

白光二极管,可以通过其他机制产生的排放,采用广谱荧光粉是由紫外线辐射光激发。在这种器件中,紫外线发光二极管被用来传输能量给荧光体,并在整个可见光发射被荧光体生成的。发射在一个宽范围的波长,产生白色光的荧光体,是容易得到如荧光灯和阴极射线管制造中使用的材料。虽然荧光管从气体放电过程中获得的紫外发光,荧光体发射阶段产生白色光的输出是相同的在紫外泵浦白色二极管。磷光体已公知的颜色特性和这种类型的二极管具有它们可以被设计用于需要临界显色性的应用程序的优点。紫外线泵浦二极管的显著缺点,然而,相对于白色二极管采用蓝色光的荧光激发是其较低的发光效率。这是由于相对高的能量损失下转换紫外光为更长的可见光波长。

染料是另一种合适类型的波长转换器,用于白光二极管的应用,并且可以掺入环氧树脂密封剂或在透明的聚合物。可商购的染料通常是有机的化合物,其通过考虑它们的吸收光谱和发射光谱的被选择的特定的LED设计。由二极管产生的光必须在转换的染料,其进而发射的光在所希望的较长波长的吸收特性相匹配。染料的量子效率可以接近100%,如在磷光体转换,但它们具有比荧光体较差的长期运行的稳定性的缺点。这是一个严重的缺点,因为该染料的分子不稳定致使他们后吸收跃迁的有限数量的失去光学活性,并且在发光二极管的颜色所产生的变化会限制它的寿命。

奥林巴斯显微镜基于半导体波长转换器的白光LED已经证明,原则上在对磷光体转换的类型相似,但其中使用发射不同波长的响应于来自所述主源晶片发射的第二半导体材料。这些装置已被称为光子循环半导体(或PRS-LED的),并包含蓝色发光LED管芯键合到该响应的蓝色光通过发射光具有互补波长的另一个模。两个波长然后结合以产生白光。一种可能的结构,这种类型的设备利用的GaInN二极管耦合到的AlGaInP光学受激有源区的电流注入有源区。的蓝色光由主光源发出的一部分由次级有源区域吸收,而“回收”作为低能量的再发射的光子。一个光子循环半导体的结构被示意性地在图11中示出为了使合并的发射,以产生白光,这两个源的强度比必须具有可以被计算为特定的二色分量的特定值。材料的选择和该结构中的各个层的厚度可以改变,以改变所述设备的输出的颜色。

因为白色光可通过几种不同的机制来创建,利用白色LED在一个特定的应用程序需要考虑用于产生光的方法的适合性。虽然光的感知颜色通过各种技术发射的可能是类似的,其上的显色性,或光的过滤的结果的效果,例如,可以是完全不同的。通过宽带发射产生白色光,通过两种互补色的两色源的混合,或由三种颜色的三色源混合,可以位于不同的坐标的色度图上,并具有不同的色温相对于被指定为光源由CIE标准。然而认识到,即使不同的发光体具有相同的色度坐标,它们可能仍然有显着不同的显色性(表3),由于变型中的每个源的输出谱的细节是很重要的。

LED发光效率和显色指数
LED的类型发光
效率(流明/瓦)
色度
坐标(x,y)的
一般显色指数

双色LED


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

三基色LED


283(0.31,0.32)60
磷光体的基于发光二极管280(0.31,0.32)57
表3

两个因素,前面提到的,是最重要的评价由LED产生白光:发光效率和显色能力。的属性被称为显色指数(CRI)被用在测光比较的光源,并且被定义为相对于该标准的参考光源的光源的显色能力。可以证明,存在发光效率和光发射器件的显色能力之间存在着根本的权衡,如表3所示的值,对于一个应用程序,例如标牌,其利用单色光的块,其发光效率是最重要的,而现色性指数是无关紧要的。对于一般照明,这两个因素必须进行优化。

从一个装置发出的照明的光谱性质在其显色能力产生深远的影响。虽然尽可能高的发光效率可以通过混合两种单色补色而获得,这样的二色性的光源具有低的显色指数。在实际意义上,这是合乎逻辑的,如果一个红色的物体被照亮与二极管发光通过组合只有蓝色和黄色的光产生白光,则红色物体的外观也不会很悦目。同样的二极管将是非常适合背光透明或白色的面板,但是。有广谱白色光源模拟阳光中的可见光光谱具有最高的显色指数,但不具有二色性发射器的发光效率。

基于荧光体的发光二极管,其中任一组合的蓝色发光波长具有较长波长的磷光色彩,或者仅由荧光体发射(如紫外泵浦LED)的制造的光,可以被设计为具有显色能力,是相当高的。它们具有彩色字符,该字符在许多方面类似于荧光灯管。在的GaInN LED的使用蓝色发光的半导体激发荧光粉,并在结合了不同数量的荧光粉,芯片周围的冷白,淡白色,而白炽灯的白色版本。清凉的白色是最亮的,利用最少的荧光粉,并产生光最蓝的颜色。白炽白色版围绕蓝色发光芯片的最荧光粉,具有最暗输出和yellowest(最暖的)颜色。淡白色的有亮度和色调特性的另外两个版本之间。

白光LED的期待已久的可用性产生了在运用这些设备一般照明的要求极大的兴趣。作为照明设计师熟悉新设备的特点,一些误解会被驱散。其中之一是,从白色LED的光能够被用于照亮任何颜色的透镜或过滤器,并且保持颜色的精确度和饱和度。在一些白光LED的版本,没有红色存在于白色输出部件,或者有在光谱的其他的不连续性。这些LED不能被用作一般的来源提供背光多色显示板或彩色镜片,虽然它们的功能以及后面透明或白色面板。如果蓝色为主的GaInN白光LED采用后面的红色镜片,发射的光将是粉红色的颜色。同样,当用相同的LED点亮为橙色透镜或过滤器将显示为黄色。虽然在应用LED的潜在利益是巨大的,是必要的,以取代较熟悉的传统能源将这些设备整合到照明方案考虑其独特的特点。