白光LED用荧光粉的研究进展
姓名：马艳艳 学号：200910105448
早在1907年，H. J. Round 就在半导体材料中观测到发光现象[1]。直到二十世纪六十年代末，GaAsP红色发光二极管(LED)问世，开创了半导体发光材料与器件研究领域的先河。从20世纪60年代第一只发光二极管问世以来，LED已经走过了近四十年的发展历程[2]。早期所用的发光材料GaAsP只能发红光(λp = 650 nm)，在驱动电流20 mA时，光通量只有千分之几流明，发光效率只有0.1l m/W，只能用来做指示灯。20世纪70年代，随着新型发光材料研究的不断深入，使发光颜色种类不断拓展，LED能够产生绿光(λp = 555 nm)、黄光(λp = 590 nm)和橙光 (λp= 610 nm)，光效提高到1 lm/W，其应用进入显示领域。80年代以后，出现了采用GaAlAs做发光材料的LED，封装技术也逐步提高，红光、黄光LED光效可达10 lm/W。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿光、蓝光的GaInN两种新材料开发成功，使LED光效大幅度提高。1993年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化镓LED技术上取得突破[3]，并很快实现了产业化；进而于1996年实现白光发光二极管（White light Emitting Diodes，简称白光LED）[4]，并于1998年推向市场作为照明光源使用，为LED找到了新舞台。人们在GaN基材料体系上成功地制备出纯绿色、蓝色和紫色LED。这一历史性的突破使得LED的波长向短波方向迈进了一大步，由原来的550 nm扩展到380 nm，LED的光谱已经覆盖了整个可见光谱区，从而形成了三基色完备的发光体系，并且蓝色和纯绿色LED的发光效率已经接近红色LED的发光效率，使得LED的应用领域得到了迅速扩展从而使得LED的用途从最早的信号指示逐渐拓宽到普通照明、汽车、个
人通讯、设备、LED背光源和照明等领域。
1 白光LED
1.1 白光LED的发展
白光LED作为一种新型全固态照明光源，深受人们的重视。由于其具有众多的优点，广阔的应用前景和潜在的市场，被视为21世纪的绿色照明光源，已经得到各国政府的大力支持并被寄予厚望。有人认为，白光LED的研制成功将像爱迪生发明白炽灯一样，引起照明工业的一场革命，并将带动一大批相关产业的飞速发展。 白光LED照明光源主要优点（或特点）在于：
（1）寿命长：白光LED光源的寿命是光源中最长的，可达到 100,000小时。 （2）效率高：目前白光LED的效率是普通白炽灯的2倍。 （3）抗恶劣环境：抗冲击和抗震动性能远优于其它传统光源。 （4）光谱范围宽：白光LED光源的发光谱覆盖整个可见光区。
（5）可视距离远：由于发光二极管的发射光谱半宽度窄，因此可视距离远。 （6）绿色环保无污染：白光 LED 在生产和使用过程中不产生对环境的有害物质，特别是消除了汞对人体和环境的污染。 （7）节能：具有良好的节能效果。 （8）安全：低电压工作，温升低。 （9）显色性好：显色指数大于80。
（10）响应时间短：其响应时间为120 ns，为白炽灯的千分之一。 （11）无频闪，无红外和紫外辐射。 （12）体积小：外型小巧，便于造型设计。
白光LED诸多的优点中最为重要三个的优点是节能、环保和绿色照明。白光LED照明耗电量低，耗电量是同等照明亮度的白炽灯的20%，日光灯的50%。据统计在1998年，全球照明消耗2300亿美元，在发电过程中，产生4.1亿吨CO2气体，美国照明用电消耗630亿美元，占能源的20%，在发电中产生1.12亿吨CO2气体。1997 年京都协议书确定的联合国气候变化纲要公约要求各国承诺在2008-2012 年间，将CO2的排放量减到1990年的95%（美国减到93%，日本减到94%，欧盟减到92%）。因此CO2排放量将成为限制，影响各国能源分配，产业结构，经济发展的重要因素。采用白光LED照明，可以节能，减少发电量，从而减少CO2排放量，防止室温效应；绿色照明的概念源于健康的原因。白光LED用于照明无频闪、无红外和紫外辐射，光色度及无污染等的优点都是白炽灯和日光灯无法达到的。
然而，当前固态白光的研究水平，无论在性能还是在制造成本上均与普通照明光源存在一定差距，为使白光LED进入通用照明市场，还需要科学工作者的进一步努力。人们对白光LED的发展前景制定了2010年光效达到或超过100 lm/w，价格降到1美分/lm，实现普通照明，进入家庭应用。
由于白光LED在照明方面的发展潜力，一些先进国家与地区对LED的发展都制定了国家级的发展计划[5]，日本从1998年开始实施“21世纪光计划”（The light for 21st century），预计2010年白光LED的发光效率达到120 lm/w，到2020 年希望能取代50%的白炽灯及全部荧光灯。美国也已启动了名为“下一代照明光源计划的半导体照明国家研究规划（National researth programon semiconductor lighting）”，共10年，总计耗资5亿美元，旨在未来400亿美元的照明光源市场的竞争中能领先于日本、欧洲与韩国。美国测到2010年，美国将有50%的白炽
灯和荧光灯被半导体灯所替代，每年可节电350亿美元。美国权威人士预计，到2020年美国将减少照明用电50%，减少能源消费1000 亿美元，减少向大气中排放含碳化合物2800万吨。韩国于1999年起由产业资源部牵头，启动了“GaN光半导体”开发计划，该计划持续5年，分二个阶段进行，预期10年后将固体白光的光效提升至100 lm/w 以上。同样，欧洲也正在开展名为“彩虹计划”的固态白光发展计划，由欧盟补助基金给予全力资助。台湾是世界生产 LED 的重要地区，由台湾经济技术处牵头，推动华兴电子等11家公司，于2002年9月9日建立了“次时代照明光源研发联盟”，以图整合世界各方面的研发能力及台湾地区的相关资源，共同开发次时代白光LED照明光源，计划利用5年左右的时间，能生产出光效达50 lm/w的固态白光器件。
中国政府为了把握好新兴产业的发展机遇，充分发挥政府的导向作用，以科技部牵头，信息部、建设部共同发起，于2003年6月19日成立了跨部门、跨行业、跨地区的“国家半导体照明工程”协调领导小组，并由科技部高新司拨出专款 8000万元，作为引导经费，大力推进半导体照明事业的发展。
为开拓白光 LED 产品，抢占世界固态光源市场，欧美一些照明公司纷纷与 LED制造商联合成立合资的白光LED专业公司，典型几家如:美国的飞利浦照明公司（Pillip）和HP发起合资组建Lumileds照明公司,美国的通用电器照明公司（GE）和Emcore 发起合资组建GEcore公司,德国的欧斯朗照明公司（Osram）和Siemens半导体分公司发起合资组建Osram Opta Somiconductors 公司。根据美国能源部（DOE）的预测,LED的发光效率在今后几年中得到很快的增长，到2025年以后，增加的幅度变慢,到2020年左右达到最高值,那时的实验室样品的光效为200 lm/W左右，商业产品的光效为165 lm/W左右。
1.2白光LED基本原理
LED 顾名思义，是一种具有二极管电子特性的能发光的半导体组件 。
图1-1 LED的结构图
图1-1是发光二极管的基本结构图。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(主要是由III-IV族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓))等半导体的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。当形成热平衡状态时，N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴，由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能越过势垒而发生复合；PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了PN结动态平衡，产生少数载流子的电注入，空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区。注入的少数载流子将
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