2012年半导体照明技术问题探讨分析

半导体照明光源现已批量进入照明领域，但出现不少问题，主要是能效、可靠性、光色质量以及成本等问题，有关能效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。
　　
　　一、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
　　
　　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。
　　
　　二、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