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摘要：
本文介绍了新型固体照明作为最终的照明实现形式，对人类的重大意义。通过对半导体发光器件基本结构和发光原理，以及照明技术基本参数的叙述，分析了固态照明器件所要解决的问题。预测了固态照明未来可采用的结构与技术。对照明所能达到的效果进行了前瞻性的展望。并对新型固态照明在中国的产业化市场应用前景进行了评析。
关键词：新型固体照明、白光LED、活性层、多量子阱、发光效率、光子晶体、共振腔LED、半导体照明工程、节能环保
1、
从50万年前开始，人类就会用燃烧树木产生的光作为光源使用。随着人类文明的进步，人们又曾采用燃烧油来产生光。自从1882年爱迪生发明了白炽灯以来，人类开始进入了人造照明光源的时代，诞生了真正的照明技术。至今我们的照明技术已经历了三个阶段，即白炽灯(Incandescent Lamp)、荧光灯(Fluorescent lamp)、气体放电灯(Gas Discharge Lamp)。如今，被称为第四代照明的新型固态照明技术正处在蓬勃科研与推广应用中。2000年，Nick Holonyok预测到：“原则上固体照明的发光二极管是灯的最终形式，实际上也是如此，它的发展确实能够而且将继续到所有功率和颜色都实现为止。”
新型固态照明也就是LED照明。它具有体积小、寿命长、安全，节能环保的优势。用半导体材料做成的红光，黄光及绿光发光二极管已在十几年前研制成功。他们在用的是AlGaInP系材料。直到数年前，用AlGaInP系材料成功研制了蓝光二极管，从此使白光LED最终成为现实。
由于新型固态照明的诸多优点以及广阔前景，各国政府，照明企业，科研院所都投入了极大的资金，人力，物力来研究开发白光固态照明器件和产品。美国政府已开始实施“国家半导体照明研究计划”。日本也制定了“21世纪光计划”。欧共体各国相继提出合作研发计划，称为“彩虹计划”。全球各大照明厂商，如philips Lighting公司，德国Siemens公司， Osram Gmbh公司，韩国三星公司等，都制定了战略规划，进行白光LED的研发工作。
2、新型固体照明对人类的意义
新型固体照明是真正的绿色照明。绿色照明是指能够节约照明电源和保护地球环境的照明。由于LED照明可以节约大量电力资源，节约电能就可以减少发电量，因此，新型固体照明可以对环境保护产生直接重大的意义。
资料显示，火力发电每产生1千瓦时的电，要对空气产生大量的污染物，如碳，硫，氮(Nitrous)的氧化物(Oxide)以及大量可吸入尘埃。CO2在大气中不断聚集，吸收地面释放的红外辐射，形成大气的“温室效应”，导致全球变暖，冰雪融化，海水上涨。同时，SO2和氮氧化物(NOX)可以形成酸雨，使许多地面材料加速腐蚀，严重破坏土壤和水质，影响动植物的生长，进而影响到人类自身的健康，产生各种疾病。
当前电能的21%用于照明用电。这个数字相当可观。如果在照明中能够大大节约用电量，就可以对环保产生重大意义。不仅如此，据了解，在同样亮度条件下，白光二极管的耗电量仅为白炽灯的十分之一。如果美国55%的白炽灯和荧光灯被白光LED替代，每年可节省350亿美元。如在美国全面应用白光LED照明，每年可减少1000亿美元的能源投资。
另外，LED开关响应时间很快，没有频闪。在白光LED中，不含有红外光和紫外光，有利于保护人体的视力与健康。因其响应时间快，可以做汽车的车灯，相对延长刹车的反应时间，大大减少交通事故的发生机率。新型固体照明器件不仅可以高效运用在普通照明中，而且在诸如强光信号灯，医疗手术灯，光学测量等领域都可以发挥更具优势的作用，方便人们的生活，大大提高工作与生活的质量与效率。
3、半导体发光器件基本原理与结构
半导体发光二极管的发光原理与大部分灯迥然不同。它自发性（Spontaneous）的发光是由电子与空穴的复合(Combination)而产生的。目前红光材料主要有AlGaInP，而蓝绿光及紫外线的主要材料有AlGaInN。直接带隙(Direct
Bandgap)与间接带隙(Indirect
Bandgap)的材料都可以发光。但是，间接带隙材料的能带中，导带最低点与价带最高点不在同一K空间，以致电子(electron)与空穴(hole)复合时，除了发光外，还需要声子(Phonon)。因此间接带隙材料远不如直接带隙材料的发光效率(Luminous
Efficiency)高。一般发光二极管采用的都是直接带隙材料。常用的直接带隙材料有GaN-InN-AlN，InP，InAs及GaAs等。
直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁(Radiative Transistion)有多种可能性。可分为带间复合，除了本征(Intrinsic)产生的复合外，还有杂质参与的复合。
当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射(Spontaneous Emission)。要得到高功率的LED就必须是非常高的自发辐射而并非激发(Stimulated)的。LED的基本部分是一个半导体电致发光结构，采用的是PN结中载流子注入的基本原理，在注入电流下，形成辐射复合(Emission Combination)。由于复合的能量不同，可以产生不同波长(Wave Length)的光。
所有的发光元件(component)都需要具有高的内部量子效率(Internal Quantum Efficiency)，即产生的光子与进入PN结内的载流子(Carriers)之比。同时也需要高的外部量子效率(External Quantum Effiency)，即产生的发光光子(Photon)数目与越过PN结的载流子数目之比。外部量子效率比内部量子效率低。要得到高的内部量子效率，普通同质PN结是不可行的。因为同质PN结材料结间折射率(Refraction)之差比较低，光的阈值(Threshold)也较低。因此，通常采用双异质结构(DH:Double-Hetero Structure)，可以提高效率。在双异质结构中，PN结材料与中间活性层(Active Region)的材料不同，带隙较高，可以得到较高的折射率之差，因此所辐射的光强。
LED的活性层，采用半导体激光器(Laser Device)所用的量子阱(Quantum Well)结构。当活性层的厚度减少到与德布罗意(de Broglie)波长相近时，量子力学现象出现。此时，薄的活性层就是量子阱，量子阱的数目可以是一个到数十个。量子阱的带隙是不连续的（Discrete）。用量子阱可以得到小的临界电流(Threshold Current)，同时量子阱的材料可以改变晶格(Lattice)不匹配产生应变（Strain）。这些应变可以改变波长，并减少临界电流。材料一般采用MOCVD(Metal organic Chemical Vapor Deposition)或OMVPE(Organic Metal Vapor Phase Epitaxial)方法制备(Manufacture)。用不同的量子阱材料可以得到不同颜色的LED。
4、照明技术基本参数与实用需求
照度是入射到一个面上单位面积的光通量(luminous flux)。单位lm/m2。照度越高，眼睛分辨细节、低反差以及色调的能力越强。因此，不同活动需要不同的照度级别。一般公共空间要求的照度为30—100lx。商业、工业、和居室空间一般的照度应在300—1000lx。专门视觉工作环境应有照度在3000—10000lx。
色温是普朗克曲线(Planck curve)中不同的等温线(Isotherm)。一般色温在800—3000k时有温暖的感觉。色温3000k是接近白炽光(Incandescence)的色温，使人感觉到轻松舒适，适用于住宅、旅馆、餐厅等。色温在4000—5000k冷且柔和的光适合办公室、学校及医院等。
另一个与照明有关的主要参数是显色性CRI，用Ra表示，最大值是100。显色性是物体在某种光源下所呈现的颜色与太阳光照射环境下所呈现真正颜色的比较。如果完全一样，则得到显色性最高Ra=100。一般照明用的Ra应大于80。目前高压钠灯Ra值仅为20，所以它的光找到物体上，颜色给人以奇怪的感觉。一般Ra值在商品卖场需要90以上，家庭室内需要80，室外活动需要60以上，室外普通照明需要40以上。
综上所述，我们在设计白光LED时需综合考虑照明技术的基本参数。在照明器件中，理想的参数条件应是尽量满足暖色光、发光效率高、显色性较强、亮度(Illumination)好、照度视觉效果高的要求的。有了这些参数目标，就可以明确器件产品的研发方向。
5、新型固态照明器件未来可能的结构
真正的用于照明的器件需要有好的电光转换效率和光取出效率。
为了提高发光效率，比较有效的方法就是用多量子阱作活性层。为了增强光的取出效率，一般采用厚的窗口层增加电流的均匀分布。
当前，一种比较有效的光取出结构是在衬底加反射镜。它是利用了分布式布拉格反射DBR(Distributed Bragg reflector)的结构。反射镜(reflector)是用多层SiO2/TiO2对制备在衬底(substrate)上的。
以上均为器件的内部结构考虑。不仅如此，为了得到高功率LED，还需要对器件表面结构和外形进行优化考虑。一般平面LED中，光因临界角(Critical angle)被限制不易射出。因此，器件表面被建议做成半圆形球面(Semisherical Surface)，以摆脱临界角的限制。实验证明，把表面做成粗糙表面后，也可以增加光的射出机会。
未来，新型固态器件会在基本结构上进行改变。被广泛看好，而且成为研究热门的结构有光子晶体与谐振腔发光两种。
光子晶体(Photon Crystals)对光子而言正如半导体对电子一样。半导体有个带隙，光子晶体也有个光带隙。只有不在光带隙能量内的光子才能穿透而过。所以在光子晶体中，有一些能量的光子是不能够穿透晶体而被反射出。这种现象可以被用做增强LED的光输出。
谐振腔(Resonant Cavity)LED的基本原理与垂直腔面发射激光器(VCSEL: Vertical Cavirt Surface Emitting Laser)原理相似，只是发出的光是自发辐射。只要减少DBR镜面反射率(Mirror reflectivity)使其无法激光发射即可。用这种方法做成的LED的优点是可以增加自发辐射，可以利用反射镜(Reflecting mirror)将光射出，光谱宽度(Spectrum width)比一般LED要窄。有报道，利用RC原理可以制出单芯片(Monolithic)无需加荧光粉(Phosphor)的高效白光LED。发展前景广阔。
6、固体照明发展趋势与展望
白光LED如今正朝着高效率、低成本、长寿命的方向发展。分别在多芯片混合白光LED，双芯片补色白光LED，单芯片加荧光粉白光LED与单芯片集成白光LED等方式上分别进行优化与改进。
当前，白光LED的光效已超过100lm/w。可以预计，到达2012年，光效可达150lm/w，2020年可达200lm/w，不断朝着理论可以达到的上限值300—400lm/w逼近。到了2020年，白光LED的发光强度预计可达1000lm。
由于半导体产品是多学科集于一体的高科技产品，因此成本高成为难于推广的重要因素。当务之急就是要努力研发高效率、低成本的白光LED，使效率的提高和成本的降低按合理的比率进行。
在中国，政府、企业与科研部门对LED照明产业的发展极为重视，把光电子工程列入了“863”等重点科研攻关计划。我国于2003年成立了国家半导体照明工程协调小组，由各科研机构、各部委共同启动了“半导体照明工程”。近年中国已有许多大学、研究机构及公司从事LED照明的研究和开发。LED生产企业已重点分布在长江三角区、珠江三角区及环渤海地区。2008年初，在天津滨海新区启动了中国首个半导体照明示范区工程。相信在不久的将来，节能、环保、高效、健康的新型固体照明一定会遍及中国大地。
7、结论
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