如何讓半導體在照明領域發揮更大作用

半導體照明光源現已批量進入照明領域，但出現不少問題，主要是能效、可靠性、光色質量以及成本等問題，有關能效和光色質量所涉及的內容很豐富，如視覺舒適度、智能化調光控制等，在此暫不描述。本文將討論急需解決的主要技術問題，歸結為“三高一低”，即高光效、高顯色性、高可靠和低成本的技術問題，實現低成本其實質也是技術問題。解決這四大技術問題，需要在半導體照明產業鏈各個環節上采取一系列措施，比如采用新技術、新結構、新工藝、新材料等，這里只提及應該采取的技術路線和方向，希望對LED企業的產品創新有所幫助。

一、如何實現高光效

半導體照明的光效，或者說能效，是節能效果的重要指標。目前LED器件光效產業化水平可達120～140lm/W，作成照明燈具總的能效可大于100lm/W。這還是不高，節能效果不明顯，離半導體器件光效理論值250lm/W還有很大距離。真正要做到高光效，要從產業鏈各個環節上解決相關的技術問題，主要是提高內量子效率、外量子效率、封裝出光效率和燈具效率，本文將針對外延、芯片，封裝，燈具等幾個環節要解決的技術問題探討。

1.提高內量子效率和外量子效率

主要采取以下幾點措施來提高內量子效率和外量子效率。

（1）襯底表面粗化及非極性襯底

采用納米級圖型襯底、“取向型”圖型襯底或非極性、半極性襯底生長GaN，減少位錯和缺陷密度及極性場影響，提高內量子效率[1]。

（2）廣義同質襯底

采用HVPE(氫化物液相外延)在Al2O3藍寶石襯底上生長GaN，作為混合同質襯底GaN/Al2O3，在此基礎上外延生長GaN，可極大地降低位錯密度達106～107cm-2，并較大地提高內量子效率。日亞、Cree及我國北大均在研發之中[2]。

（3）改進量子阱結構

控制In組分的變化方式和變化量、優化量子阱結構提高電子和空穴交疊幾率，增加幅射復合幾率以及調節非平衡載流子的輸運等，提高內量子效率。

（4）采用新結構的芯片

采用新結構要求芯片六面出光，在芯片界面上采用新技術進行多種表面粗化方式，減少光子在芯片界面上反射幾率，并增加表面透光率，以提高芯片的外量子效率。

2.提高封裝出光效率及降低結溫

（1）熒光粉效率及涂覆工藝

熒光粉的光激發效率目前還不高，黃粉可達70%左右，紅粉和綠粉的效率較低，有待進一步提高。另外，熒光粉的涂覆工藝非常重要，有報道稱在芯片表面均勻涂復60微米厚度的熒光粉，激發效率較高。

（2）COB封裝

當前半導體照明的光源采用各種形式COB封裝，提高COB封裝的出光效率是當務之急，有報道稱，采用第二代（有的稱第三代）COB矩陣式結構封裝，其光效可達120lm/W以上。如果采用倒裝芯片和六面發光體進行全反射的結構，光效可達160lm/W以上。

（3）降低結溫

結溫為25℃時的發光量設為100%，當結溫上升至60℃時其發光量只有90%，當上升至140℃時只有70%，所以在封裝時要加大散熱措施，保持較低結溫，維持較高的發光效率。

3.提高燈具的取光效率

不同LED燈具的效率相差很大，一般LED燈具效率大于80%，有一部分可大于90%。要根據LED光源的特點以及不同的應用場合，對燈具進行精細的二次光學設計，也要考慮燈具散熱和眩光問題，提高LED燈具的取光效率。

二、實現高顯色性

白光LED的光色質量內容很多，包括色溫、顯色性、光色保真度、光色自然度、色調識別度、視覺舒適度等[3]。美國SSL計劃提出，LED照明產品的光譜分布要達到類似太陽光的光譜分布。要達到上述這些要求是很難的，要做很多基礎研究工作，將來一定會實現。這里只討論目前急需解決的色溫和顯色性問題。美國能源之星標準規定，室內照明的顯色指數CRI≥80，但在一些高端的應用場合要求CRI≥90。制作高顯色性LED光源，會損失較多的光效，所以在設計時要照顧這兩方面因素。

在此有必要說明一下有關顯色指數CRI的評價問題[4]，CIE（TC1-62）技術報告177的結論：“CIE的CRI不適合用于表示白光LED光源的顯色范圍”。現在有很多種針對CRI定標提出的修正辦法，如CQS色品質度、GAI全色域指數、RF夫勒特利指數、CPI顏色偏愛指數、CDI色分辨指數等，目前CIE要采用哪一種修正尚未定論。美國NIST（國家標準研究院）提出采用CQS來評價光源顏色的質量，將測試樣品擴大到15種，包含部分高色飽和度的樣品，這樣就好得多，很多人給予認同。要提高顯色性，原則上要考慮RGB三基色組合來實現，目前有三種辦法。

（1）多基色熒光粉

LED光源采用LED藍光芯片加鋁酸鹽黃粉和氮化物紅粉、綠粉組合成LED白光，其顯色指數CRI可達80～90。據有關報道，如采用RGBY熒光粉有效組合，其CRI可達98。

（2）RGB多芯片組合

采用RGB多芯片有效組合的LED白光，顯色指數CRI也可達80～90，可能由于驅動方式和成本等因素，目前較少應用。

（3）熒光粉加芯片

LED光源采用藍光芯片加鋁酸鹽黃粉加紅色芯片，有效組合LED白光，其顯色指數可達80以上，光效較高，成本尚可，是目前普遍采用的組合方式。

三、提高可靠性

LED器件及光源（燈具）的可靠性、失效率、壽命等指標，在實際應用中存在不同的理解和描述，有必要作些解釋。

1.可靠性

可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力[5]。LED失效類別主要有嚴重失效（指關鍵參數改變至LED不亮）和參數失效（指光電參數由初始值變化至超一定限度）。失效曲線包括早期失效（在使用初期失效率高，隨后迅速下降）、偶然失效（失效率低，但很穩定）和耗損失效（隨使用時間愈長，耗損失效不斷上升）。

2．壽命

壽命是產品可靠性的表征值。由于產品所規定各種壽命的含義不同，容易造成混淆，在此作具體描述。有關壽命的描述有很多種，這里列舉10種不同含義的壽命，即：壽命、平均壽命、中位壽命、特征壽命、預期壽命、可靠壽命、工作壽命、光通維持壽命、平均無故障工作時間和平均失效前工作時間等。其中LED壽命的常用表述有：

壽命：一般指統計平均值，對大量元器件而言，LED器件的壽命就是采用這種描述的含義。