发光二极管(LEDs)的最新开展使得照明职业快速增加。现在，固态照明技能逐渐渗透到不同细分商场，如轿车照明、室内及室外照明、医疗运用、以及生活用品。
美国动力部最新陈述指出，至2020年，该技能有望削减照明职业15%的动力消耗，2030年节省30%——即光2030年就能节省261 TWh(太瓦时)的能量，以其时的价格核算其价值超越260亿美元，相当于美国两千四百万家庭现在的动力消费总和。此外，这些节省的能量用于混合发电厂将削减大约一千八百万吨CO2温室气体的排放。
尽管在许多情况下，这些设备的初始本钱依然高于现有的光源设备，可是LEDs 更高的功率以及更长的寿数使其具有很强的竞争力。Strategies Unlimited估量2013年全球出售出4亿只LED灯，McKinsey查询标明2016年LEDs在全球一般照明商场的份额将到达 45%，2020年将挨近70%。到2020年，该范畴的商场容量估计将从现在的约260亿美元进步到720亿美元。
LED设备是一个杂乱的多组分系统，可依据特定需求调整功用特征。以下章节将评论白光LED及其他运用。
LED的开展之路
无机材猜中电致发光现象是LED发光的根底，HenryRound和Oleg Vladimirovich Losev于1907年和1927年别离报导LED发光现象——电流通过使得碳化硅(SiC)晶体发光。这些成果引发了半导体及p-n结光电进程的进一步理论研讨。
20世纪50、60年代，科学家开端研讨Ge、Si以及一系列III-V族半导体(如InGaP、GaAlAs)的电致发光功用。Richard Haynes和William Shockley证明晰p-n结中电子和空穴复合导致发光。随后，一系列半导体被研讨，最总算1962年由Nick Holonyak开发出了第一个红光LED。受其影响，1971年George Craford创造晰橙光LEDs，1972年又相继创造晰黄光和绿光LEDs(均由GaAsP组成)。
激烈的研讨敏捷使得在宽光谱规模内(从红外到黄色)发光的LEDs完结商业化，首要用于电话或操控面板的指示灯。实践上，这些LEDs的功率很低，电流密度有限，使得亮度很低，并不适于一般照明。
蓝光LEDs
高效的蓝光LEDs的研制花费了30年的时刻，因为其时没有可运用的满意质量的宽带隙半导体。1989年，第一个依据SiC资料系统的蓝光LEDs商品化，但因为SiC是直接带隙半导体，使得其功率很低。20世纪50年代末就现已考虑运用直接带隙半导体GaN，1971年JacquesPankove展现了第一款发射绿光的GaN基LED。可是，制备高质量GaN单晶以及在这些材猜中引进n-型和p-型掺杂的技能依然有待开发。
20世纪70年代开展的金属-有机物气相外延(MOVPE)等技能关于高效蓝光LEDs的开展具有里程碑含义。1974年，日本科学家Isamu Akasaki开端选用这种办法成长GaN晶体，并与Hiroshi Aman协作于1986年通过MOVPE办法初次组成了高质量的器材级GaN。
另一个首要应战是p-型掺杂GaN的可控组成。实践上，MOVPE进程中，Mg和Zn原子可进入这种资料的晶体结构中，但往往与氢结合，然后构成无效的p-型掺杂。Amano、Akasaki及其协作者调查到Zn掺杂的GaN在扫描电子显微镜调查往后会发射更多的光。
相同的办法，他们证明晰电子束辐射对Mg原子的掺杂功用起到有利的效果。随后，Shuji Nakamura提出在热退火之后添加一个简略的后堆积过程，分化Mg和Zn的杂乱体，该办法可简单完结GaN及其三元合金(InGaN、AlGaN)的p-型掺杂。
应该指出的是，这些三元系统的能带可通过Al和In的成分进行调理，使得蓝光LEDs的规划添加了一个自由度，关于进步其功率具有重要的含义。事实上，现在这些器材的活性层一般由一系列替换的窄带隙InGaN和GaN层以及宽带系的p-型掺杂AlGaN薄膜(作为载流子的p-端束缚)组成。
1994年，Nakamura及其协作者依据n-型和p-型掺杂AlGaN之间Zn掺杂InGaN活性层的对称双异质结构规划，初次展现了具有2.7%外量子功率(EQE)的InGaN蓝光LED(框1罗列出了LEDs首要的功用目标界说)。
该LED结构暗示图示于图1a。这些成果关于现在运用的LED基照明技能而言是很要害的，也因而引发了照明职业的革新。2014年末，诺贝尔物理学奖颁发Akasaki、Amano和Nakamura，赞誉他们“创造用于照明以及白光源节能的高效蓝光LED”。
LED功用目标
量子功率Quantum efficiency：资料内量子功率(IQE)为辐射的电子-空穴复合(即发生光子)数量与复合总量(辐射与非辐射)的比值。
该目标决议了半导体资料发光功率。半导体LED功用一般运用外量子功率(EQE)表明，即IQE与提取功率的乘积。提取功率特指发生的光子中逃离LED的部分。EQE取决于直接影响IQE的半导体层缺点和影响提取功率的器材结构。
发光功率(Luminous efficacy)：发光功率表明光源发射可见光辐射的功率，单位一般为lm W?1。光源以单色绿光(频率为4501012 Hz，对应波长约为555 nm，人类眼睛最灵敏的光，图2b为相应的眼睛灵敏度曲线)转化100%电能，其最大发光功率到达683 lm W?1。
照明用的白光源一般要求有比悉数可见光波段更宽的发射光谱，因而其发光功率显着低于其最大值。电能转化成眼睛灵敏度曲线以外的辐射，无法用于照明，本应尽或许减小这类辐射。
相关色温(Correlated colour temperature)：用于比较不同照明技能的参比光源是处于热平衡的黑体辐射。依据普朗克辐射规律(Planck‘s law of radiaTIon)，黑体白炽灯的发射光谱取决于它的温度，相应于不同温度下辐射的色点用CIE图表明，即称之为普朗克轨道(Planckian locus)的黑点曲线(图2f、h)。
沿着普朗克轨道的不同方位，白光的相关色温(CCT)大致可分为“暖白”(2，500-3，500 K)、“天然白”(3，500–4，500 K)、“冷白”(4，500–5，500 K)以及日光(5，500–7，500 K)。
显色指数(Colour rendering index)：显色指数(CRI)是一个无量纲的目标，描绘白光源以一种相关于人类视觉感知而言精确且舒适的办法显色的才能，一起考虑参比光源(相同 CCT下，黑体辐射在CCT《6，000 K或许天然光CCT》6，000 K条件下进行测验)。
CRI一般被界说为8个测验颜色样本(R1-R8)的显色平均值，额定规模在0到100之间。关于高CRI选用额定的R9值，表明深赤色。CRI=100意味着由测验光源发光的一切颜色样本都与参比光源发光的相相同本具有相同的颜色。
图1. 蓝光InGaN LED芯片的规划
a.第一个蓝光InGaN/AlGaN LED暗示图。
b. 具有倒置结构以及无触摸前外表的倒装LED芯片暗示图。两个触摸点被焊接在挨近LED的基板上。
c. 最高水准的薄膜型倒装LED暗示图及LED器材的俯视图。这三种暗示图的有用层简化表明了双异质结构、单或多量子阱结构InGaN/AlGaN。
曩昔20年，蓝光LED的EQE逐渐进步，这也是不断下降GaN晶体结构缺点密度的成果。出于本钱效益的原因，这种资料一般成长于蓝宝石衬底上，可是二者存在着16%的晶格失配以及不同的热膨胀系数。这两个要素导致1，000℃邻近MOVPE成长GaN进程中位错缺点的发生。
详尽优化成长工艺可使缺点保持在107~108 cm-2规模内，但需进一步进步其他LED运用的相同结构半导体的质量。尽管InGaN LEDs存在很高的缺点密度，但其具有比其他低缺点密度的宽带隙半导体二极管(如ZnSe)更高的功率，详细原因至今不明。
另一个激烈影响LEDs提取功率以及内量子功率(IQE)进步的要素是器材的结构。图1a显现了外p-型GaN层，其具有相对较低的电导率，然后束缚了器材中的空穴注入，可是这个瓶颈可通过掩盖整个p-GaN外表的更大p-型触摸来战胜。可是，电触摸会阻止输出光子。
几种规划方案都可以处理这个问题，如图1b、c所示。倒装芯片(图1b)是指芯片倒置装置且p-和n-触摸都在背面。这种结构供给更好的散热，取得更高的电流密度，然后使得每片芯片外表具有更高的光输出。蓝宝石在蓝光和绿光区域是通明的，并不阻碍发光。
此外，触摸部位可选用涂层(例如Ag)来反射那些向基座方向发射的光子。可选用薄膜芯片倒装法(图1c)进一步进步功用。从n-GaN层上讲基底移除，并将外表粗糙化，以进步光提取功率。据报导，结合资料以及结构的开展， ~444 nm处发光的InGaN LEDs在20 mA下EQE可到达84.3%。
从蓝光到白光
关于今日无处不在的白光LEDs而言，高功率蓝光发光二极管的创造具有里程碑含义。相关于传统光源，LEDs具有更高的能量功率，更重要的是可调理发光功用更好的习惯不同的运用，例如舞台照明、修建照明等等。
一般来说，可通过几种不同办法取得白光LEDs。一种是组合发蓝光、绿光和红光的三个不同半导体LEDs(图2a左)。该办法最大的应战在于绿光半导体的EQE相对较低(≈25%)，束缚了相应白光LED的发光功率(图2c)。InGaN与高含量铟构成的固溶体一般被用于直接发射绿光。基底与InGaN 间的晶格失配度随铟含量的进步而添加，然后发生更高的缺点密度。别的，描绘原子核周围电子密度散布改动的量子力学Stark效应也随铟含量的进步而愈加显着，然后下降绿光波段内的EQE。
为了防止这一束缚，基本上转化发光资料的绿光荧光转化LEDs(pc-LEDs)直接选用蓝光LED发射绿光，在商业产品中一般用以替代绿光半导体(图2a右，图2c)这种杂化LED典型的发光光谱如图2b所示。
这些杂化产品(直接蓝光和红光加pc-绿光)的发光功率显着进步，且可取得高显色指数(CRI)值。因为红、绿、蓝(RGB)LEDs中三个独立发光体随时刻的推移具有不同的光谱漂移，且具有不同的热降解率，使得其颜色稳定性较差。
可独立操控RGB中每个通道的杂乱且贵重的电路需求补偿这个不想要的效应，所以这些结构在白光运用中的运用有限。关于功用照明以及物体和修建照明而言，由额定电子元件供给混色功用(可动态改动输出颜色的基调)对错常有远景的。
图2. LED发射白光的不同办法
a.白光LEDs暗示图。左：三个直接发光LEDs(蓝光，InGaN;绿光，InGaN;红光，AlInGaP)。右：两个直接发光LEDs(蓝光，InGaN;红光，AlInGaP)和一个绿光pc-LEDs。
b. 由直接发蓝光和红光的LEDs和一个绿光pc-LED组合而成的白光LED的发光光谱。灰色暗影谱线：人类眼睛灵敏度曲线。
c. 半导体LEDs的外量子功率(EQE)。蓝色方块，InGaN基LEDs;赤色三角形，AlInGaP基LEDs;绿色方块，绿光pc-LED。
d. 白光pc-LED和涂层上转化发光资料的蓝光InGaNLED暗示图。
e. 具有宽带黄光荧光的白光pc-LED的发光光谱。
f. 世界照明委员会(CIE，1931年)制作的黑体曲线(实心黑点线)和CCT值。白色方块表明直接蓝光LED和黄色发光资料(YAG:Ce)的CIE颜色坐标。一切感知颜色都可沿着pc-LED的点线取得。
g. CCT=2，700 K的pc-LEDs的发光光谱。黑线：窄带红光Sr[LiAl3N4]：Eu2+ LED(CRI=98，R9》90)。白色虚线：Sr[LiAl3N4]：Eu2+发光归纳。紫色曲线：商用LED(CRI = 96，R9》80)。两个LEDs显现出了与2，700 K黑体辐射(黑色点划线)杰出的匹配联络。而选用窄带红光资料的pc-LED在红外区域的溢出(黑色的向下箭头)显着减小。
h. CIE图。白色方块表明直接蓝光LED、黄色发光资料(YAG:Ce)、额定赤色荧光的CIE颜色坐标(Sr[LiAl3N4]：Eu2+)。Pc-LED添加混合可取得一切的颜色，用三角形表明。在此，可取得黑体曲线(黑色实线)的简直一切CCT值。
依据混色原理(图2d)，依据pc-LED战略供给白光的一个简略办法是结合单个蓝光InGaN芯片和一个或多个可见光区的发光资料。遵从这一战略，早在1996年由Nichia开发的第一款商业化白光pc-LEDs就运用Ce3+掺杂的石榴石资料(如Y3?xGdxAl5?yGayO12:Ce3+ (YAG:Ce))来发射宽谱黄光(图2e、f)。只运用单一的荧光，束缚了CRI《75光源在冷白光和日光规模内(相关色温 CCT=4，000-8，000 K)的功用。可是，挨近理论极限的高转化功率令这些器材成为那些要求具有与日光相媲美CCT值(~6，400 K)轿车前灯的重要组成部分。
抱负天然颜色感知度的照明运用首选更低的CCT值(2，00-4，000 K)和更高的CRIs》80。运用两个或两个以上发光资料(例如，绿光至黄光的LuAG:Ce或YAG:Ce结合红光(Ba，Sr)2Si5N8:Eu2+或(Sr，Ca)AlSiN3:Eu2+)更简单完结这些参数。调整这些资料的份额，可以取得挨近于黑体辐射的掩盖整个可见光区的接连发射光谱(图2g、h)。可是，CRI》90的高光质量(一般用于需求最天然颜色的博物馆、医疗室、零售商铺等)一般以献身发光功率为价值。考虑到人眼视觉灵敏度曲线(图2b)，650 nm今后的光子很弱，形成发光功率的巨大损失。因而，比较于更重视红光部件的pc-LED，可通过精密调理发光资料发射光谱的方位和宽度使得pc-LED 更好的习惯视觉感知(一起也具有更高的发光功率)。
进步白光中的赤色发光资料
美国动力部最近设定了2020年照明级白光LED发光功率200 Im W-1的商场规范。如此高的功率一般要求pc-LEDs在严苛的条件完结，例如芯片外表温度到达200℃(由高电流密度发生)和主蓝光LEDs的快速光子泵率。
因而，恰当的荧光需求在这些条件下表现出高转化功率、快速衰减、以及高的抗热降解。Eu2+掺杂的氮化物如 (Ba，Sr)2Si5N8:Eu2+(一般其发射峰中心介于λem ~590–625 nm，半峰宽FWHM为2，050-2，600 cm-1)或许(Ca，Sr)AlSiN3:Eu2+(λem ~610–660 nm， FWHM ~2，100–2，500 cm?1)现已作为商用照明级白光pc-LEDs中红光资料。
可是，发射光谱的相关部分超出了人眼灵敏度规模(红外溢出，图2g)，束缚了器材的全体发光功率。Sr1?xCaxS:Eu2+(λem ~615–650 nm， FWHM ~1，550–1，840 cm?1)等更窄发射资料也进行了测验，但因为其与封装资料会发生化学反响及其随温度升高转化功率受限等原因，束缚了工业运用。
最近的研讨取得了一类新的具有十分窄红光发射的氮化物资料。其时的研讨将Sr[LiAl3N4]：Eu2+(λem = 650 nm， FWHM ~1，180 cm?1)和Sr[Mg3SiN4]：Eu2+ (λem= 615 nm， FWHM ~1，170 cm?1)作为下一代照明pc-LEDs的根底。
Sr[LiAl3N4]：Eu2+具有杰出的热功用，且在低CCT高CRI方面(比方 CCT =2，700 K， CRI 》90)运用时可以下降红外发射。比较于商用高CRI的LEDs(图2g)，有望添加4-12%的发光功率。进一步的进步有望通过将红光发射光谱移到更短波长(~600–630 nm)得到完结，最好是具有更窄的发射带。
通用公司GE(Trigainphosphors)最近商业化的 Mn4+掺杂氟化物是别的一类窄红光发射资料。这些资料的发射图谱中630 nm邻近呈现几条尖线(每条都《5 nm)，当其与绿-黄发光石榴石资料结合时刻取得高CRI、高发光功率的灯。可是，Mn4+较长的发光衰减时刻以及离子氟化物施主资料较低的热稳定性都有或许束缚这些荧光粉出产相对较低电流密度和低发热产品的实践运用。
最终，直接红光发射LEDs与互补pc-LEDs组合的杂化器材也可作为优质照明。可是，直接红光LED的温度灵敏性要求更杂乱的结构规划，并将其运用规模束缚在低热束缚范畴，比方非定向的大面积照明。
改进LCDs绿色发射器
LEDs广泛运用于现代液晶显现器(LCD)中的背光组件。在这些器材中，LED发光穿过一个偏振滤波器、一层液晶、五颜六色滤波器以及一个二级偏振滤波器(图3a);穿过二级偏振滤波器的极化光的透射率取决于液晶的方向，可电调谐。与照明运用不同，要求具有最佳的显现功用。
特别是，色域由LCD显现供给，取决于白色背光LED源中赤色、绿色、蓝色部分的CIE(世界照明委员会Commission InternaTIonale de l’clairage)图中的方位，一般由特定规范(比方国家电视规范委员会NaTIonalTelevision Standard Committee (NTSC)， CIE 1931)校对。人眼的灵敏度以及波长相关的分辨率在绿光波段内更高，因而可区别很多的绿颜色。
成果便是，假如背光LEDs中绿光发射器带宽较窄的话(图3b)，显现于LCD上的色域将显着添加。常用的石榴石资料(如具有宽带绿-黄成分的YAG:Ce)的单一荧光粉pc-LEDs无法满意这些要求，而红、绿、蓝三原色的LED难以运用，特别是绿光LEDs的EQE很低。
最先进的高色域LEDs由窄带绿光β-SiAlON:Eu2+ (λem= 525 nm， FWHM ~50 nm)和窄带红光K2SiF6:Mn4+(λem = 613， 631， 636， 648 nm， each FWHM 《5 nm)结合而成。特别是在更小的显现器中，例如平板电脑和某些TV模型，含有窄绿光和红光发射的量子点的板材作为高色域背光。开展绿光波段内具有窄发射带宽的固态资料将有助于进步依据节能LED背光的LCD显现器的最大可显现色域。
a. LCD显现器暗示图。TFT表明薄膜晶体管(thin-film transistor)。
b. 不同色域的CIE(1931)图。黑点表明NTSC规范的色度坐标。虚线表明NSTC色域。白点表明穿过相应滤色片(蓝、绿、红)的背光LED的色度坐标。依据发光资料的FWHM和光谱峰方位，绿色值可假定CIE图中的不同方位，然后发生不同色域。灰色三角形表明宽带绿-黄色发光石榴石可到达的色域。蓝色和赤色三角形表明运用更窄的绿色发光资料添加的色域(见插图)。
插图：黑色曲线显现典型绿色滤波器的通带。灰色、蓝色及赤色曲线显现CIE图中对应绿色发光元件的发射散布。
运用远景
全球出售数据证明LED照明商场不断增加，在其他范畴的扩张也可预见。LEDs具有独立颜颜色理的潜力，因而可依据不同需求调整其发射功用。这类光谱操控照明可习惯人体生理反响，例如有助于进步注意力或许改进睡觉。
密集型LED照明在医疗方面的影响也越来越大，比方缓解肌肉严重或许医治皮肤疾病。此外，选用特定波长的固态照明有望影响光协效果，优化温室作物的成长。在一般照明范畴，通过本钱效益和功用方面的不断开展，咱们将重新的LED产品中不断获利。
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