白色LED的开发和应用
摘要：固体光源白色发光二极管 (LED) 是第四代光源，将替代现在的白炽灯，荧光灯和高压气体放电灯。本文介绍了白色 LED 的发光机理、制造方法、结构和特性，还介绍了近年来开发的许多实用的 LED 照明系统及发展动向。随着白色 LED 的进一步开发和完善，白色 LED 将发展成为 21 世纪的高效节能光源。
关键词：白色发光二极管 固体光源 绿色照明 高效钇铝石 榴石 荧光粉
1 、前言
多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，半导体照明用发光二极管效率不断提高。发光二极管 (LED) 是在半导体 p － N 结处施以正向电流时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。目前实用化的化合物半导体发光材料是以 Ⅲ － ⅤA 族元素的材料为主要的发光材料。最近由于化合物半导体外延成长技术和发光器件制造工艺技术的急速发展，开发了光电转换效率非常高的发光二极管，发光范围遍及红色到蓝色的可见光，甚至可发出红外光和紫外光。特别是采用氮化物半导体 InGaN 的蓝色 LED 的实用化，将 10cd 以上的高亮度的蓝色 LED 与钇铝石榴石荧光粉 (YAG ：添加 Ce 的钇、铝石榴石 ) 组合在一起，开发出光效达 20lm/W 以上的白色 LED 。这种光源将成为新世纪的节能照明光源，十分引人注目。不仅如此，对于发光在短波长区域的紫外光 LED ，通过与荧光粉的适当配合，改进器件的结构，也可开发出用于照明的白色 LED 。
白色 LED 自开发成功 4 年来，发光效率不断地提高。从开发初期的 5lm/W ，到 1999 年达到相当于白炽灯的光效 15lm/W ，后又提高到相当于卤钨灯的光效 25lm/W 。最近又有极导美国 Agilient 实验室已研制开发成功光效为 100lm/W 的有色 LED 和光效达 40 ～ 50lm/W 的白色 LED 。日本自从 1998 年以来正在实施 “ 高效率电光转换化合物半导体 ” 开发计划，已投资 50 亿日元，计划至 2005 年使白色 LED 光效达到 80 ～ 100lm/W 。由于白色 LED 光效的迅速提高，加之它体积小、耐振动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、可低压驱动、光色接近白炽灯色、无汞和铅的污染，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。本文主要介绍白色 LED 高效率化的技术进展、发光机理和特性，以及 LED 照明系统的实用化和及其节能效果。
2 、白色 LED 的开发及发光特性
1960 年开发成功发光二极管，在 90 年代采用气相生长法替代传统而烦杂的液相法，制成多层薄膜的 LED 简易结构，先后研制成功从红色到橙色的 AlInGaP 和蓝色系列的 InGaN 发光材料，在 GaN 系列的基础上又研制成功蓝色 (470nm) 、蓝绿色 (550nm) 和绿色 (525nm) 的 LED 。
作为照明用的 LED 重要的特性参数是光亮度 ( 能量 ) 和光色 ( 光谱能量分布 ) 。对于 LED 来说单纯地
增加输入功率，亮度会成比例地上升，但 LED 芯片的发势量会随之增加，过多的热将损坏它的结晶和封接而缩短寿命。因此使输入功率的电能高效地转换成光能是重要的关键技术。目前高输出型 LED 的外部量子效率仅为 10 ％左右，而空穴和电子对的能量中的 90 ％成为内部热被耗损掉，因此将这部分内部耗损的热能转换成光能就可提高光亮度。改进的途径有研究新的发光材料，提高发光层内部结合的几率，提高从芯片中取出光的效率。所以将现在的 LED 的光亮度提高 3 ～ 4 倍，达到荧光灯亮度的水平是完全可能的。日本日亚公司研制的以 GaN 为基础的 LED 芯片的光效以每年提高 10 ～ 20 ％的速度不断地改进。表 1 为日亚公司各种 LED 的特性。
LED 的发光色已经实现了从紫外，可见直到红外几乎所有的光色 ( 表 1) ，但是它们都是在色度图周围上色纯度高的光源色，属于色度图的内侧位置中间的 LED 没有一例，而且单芯片自发出复数光色的多彩色的 LED 也无一例，而要制成中间色的 LED ，以白色 LED 为例，则有两种方法，一是将 LED 与特殊的不同种荧光粉相结合，另一方法是将多芯片材料混合制成混合色芯片。
在发光二极管中，当有正向电流流经半导体 P － N 结晶，在活性层注入的电子和空穴产生穴产生辐射再结合的过程而发光。通常在无关闭时为使电流变窄采用双异质 (DH) 接合的结构或量子阱 (QW) 的结构。
一般 LED 的发光效率是由下式 3 个独立效率因子的乘积表示的：
ywp=yv·yi·yext(1)
这里：
ywp 为输出对输入的效率
yv 为电压效率
yi 为内部量子效率
yext 为光输出到外部的效率
采用波长为 λ0 紫外 (UV)LED 与 3 基色荧光粉相结合得出激励白光的发光效率如下式：
这里： P 为 UVLED 的输出； yph 为荧光灯效率； yuvph 为变换效率； Fph(λ) 为荧光粉的发光光谱； K(λ) 为视感度系数。假定 yuvph=95 ％， yph=90 ％则 30W 的 LED 可得到约为 100lm/W 的光效。
炮弹型白色 LED(10cd 级 ) 的发光光谱与温度的依存关系， LED 为多重量子阱结构。室温下为峰值 465nm 的光是蓝色 LED 发出的；峰值 555nm 黄色光是由只有发出 150nm 的带状光谱的 YAG 与 Ce3 ＋离子的组合发出的； YAG ： Ce3 ＋的发出激励带是在 460nm 位置。当温度上升时， 465nm 的发光峰值向长波长方向转变，这里与 InGaN 半导体禁带的温度变化相同，而 555nm 的黄色光带几乎无变化。但发光强度在急剧减少，其原因是随着温度的上升蓝色 LED 的发蓝色光的峰值向长波长方向转变所致。因此，
白色 LED 的发光特性与温度有关，当超过 50℃ 时黄色光急剧减弱，使白色的显色性变差。为白色 LED 的发光效率与正向电流的依存关系，可看出在 9×10 － 2mA 开始观测白色光，当正向电流为 1mA 时发光效率约为 45lm/W ，当该电流分别为 10 、 20mA 时光效分别为 27 、 23lm/W ，详细机理目前还不太清楚。平均显色指数在 3mA 到 100mA 时几乎都为常数 Ra=85, 作为照明光源的显色性能是很好的。
3 、照明用白色 LED 的制造方法、结构和种类
照明用白色 LED 的种类和原理如表 2 所示，主要方式有单芯片型和多芯片型 ( 双芯片型和三芯片型 ) ，多芯片型是将不同光色的芯片装配在同一个包装内得到混色后发出白光。单芯片型制造方式又分： (1) 将蓝色 LEDInGaN 芯片与钇铝石榴石荧光粉或三基色荧光粉组合在一起发出白色光； (3) 用发出紫外光的 InGaNLED 发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白色光。
炮弹型白色 LED 的结构，是在蓝色 GaN 芯片的表面涂复 YAG 荧光粉制成的，荧光粉层的组成为 (Ya 、 Gd1 － a)3 、 (Alb ， Ga1 － b)5O12:Ce ，制作时先将 LED 芯片放置在导线结构中用金线焊接，然后在芯片周围涂覆 YAG 荧光粉，最后用环氧树脂封接，树脂既起保护芯片的作用又起集光棱镜的作用。白色 LED 和普通白炽灯的光谱分布，光最初从 LED 发射出，入射到周围的荧光粉层内，经多重散乱地反射、吸收最后向外部发射出光， LED 的光谱峰值为 465nm ，半峰值宽度 30nm 为非常尖锐的蓝色光谱，由蓝光激励 YAG 荧光粉发出峰值为黄色光 555nm 的平缓光谱线，黄、蓝光相混互衬后得到白色光。白色 LED 具有颜色的多样性和配光特性自由度大的特征。与普通 LED 灯相同。白色 LED 同样可通过改变树脂棱镜的曲率，棱镜与芯片间的距离来得到各式各样的配光特性。对于形状小的束状集光或广角的扩散光都易于进行配光控制。
4 、白色 LED 照明系统的开发和应用
白色 LED 具有低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长 ( 达 2 万小时以上 ) 、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差。 LED 的光效仍在不断地提高，目前已达 25lm/W ，不久将来将达到 80 ～ 100lm/W ，是照明的理想光源。然而由于单只 LED 功率小，光亮度低，不宜单独使用，为此必须将多个 LED 组装在一起设计成为实用的 LED 照明系统，则具有广阔的应用前景。目前世界大的照明公司都在开发不同应用范围和品种规格的 LED 照明系统。光学系统设计内容如下： (1) 根据照明对象、光通量的需求，决定光学系统的形状、 LED 的数目和功率的大小； (2) 将若干个 LED 发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的 “ 二次光源 ” ，根据组合成的 “ 二次光源 ” ，计算照明光学系统； (3) 构成照明光学系统设计的 “ 二次光源 ” 上的每只 LED 管子配光分布控制十分重要，构成炮弹型 LED 的透明树脂的凸圆形保护头子起凸透镜作用，是决定单个 LED 发出聚光还是散光光束的重要部件。
现将几种实用的白色 LED 照明系统介绍如下：
白色 LED 可以小至 1mm 装配在包装表面仪器上，采用 5U 直流的电源驱动，线路简单，适用于便携式电话，数字摄像机、数字录像机、汽车音响等液晶用背光 / 正光照明。图 5 为使用白色 LED 作背光照明的结构，使用于具有特殊效果的 05 ～ 2.5 英寸小型 TFT 彩色液晶的场合， 2 ～ 6 个白色 LED 可得到 ( 在导光板上 )300cd/m2 的亮度。图 6 分别为超小型聚光灯的光路和配光曲线，将 51 个白色 LED 布置在一个凹球面内，光束先会聚再发散投射到一个菲涅尔透镜上，制成光束扩散角可变化的小型聚光灯，功率仅 9W 、采用 ABS 树脂作灯体，灯体长 × 高为 58mm×58mm, 直径为 50.8mm 、重 130g ，适用于小面积上增强光照用，当移动凹面时，系统的出射光会发生聚光、散光的光束分布变化。图 7 为射出平行光束的 LED 照明系统的光路，该系统将 LED 增多布在一个凸半球上，用来模拟一个点光源发光的情况，从 LED 发出的光线投射到抛物镜经反射后而得到平行光。图 8 为圆形导光板周围配置 LED 的平板器具。图 9 为在普灯玻壳内配置 LED 制成的电球形 LED 灯。最近又研制成利用太阳能的白色 LED 照明系统。
白色 LED 照明系统除可用电能、太阳能作能源外还可以用风能、燃料电池等作为辅助能源，起到节电节能的作用。白色 LED 小巧轻量、驱动电压低、有不同的光色、寿命长、耐振动、易于控光等特性，对设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。同一照明系统可选用不同光色的 LED 组合在一起，将驱动线路与调光线路相结合，可实现可调光，调色的色可变照明系统，作为舞台照明有很好的演出照明效果。小巧轻量的 LED 可与灯具一体化，灯具既起支撑 LED 的作用又起供给 LED 的驱动电源作用，使照明系统薄形化可嵌入在顶棚内，粘贴在墙壁上等处，形成无照明器具感的照明系统，具有良好的室内照明效果。长寿命的 LED 可多次重新使用位置在新的照明系统中，使照明系统的更新简单、快速、方便。白色 LED 照明系统还可将驱动点灯线路通过电脑与因特网相连，实现信息控制，如外出办事或旅游，可通过手机发出指令对室内 LED 照明系统进行监控和信息化管理。
5 、白色 LED 的开发动向
白色 LED 作为第四代光源将在 21 世纪替代白炽灯和荧光灯，这已引起世界各国的重视。 1998 年日本开发实施国家的 “21 世纪照明计划 ( 高效电光变换的化合物半导体开发设计 )” ；目前已投资 50 亿日元， 2000 年已年产白色 LED1 亿只，目前正在实施使白色 LED 光效达 80 ～ 100lm/W 的开发计划。美国在 2000 年 4 月召开了 “LED 发展战略研讨会 ” ，目前美国实验室有色 LED 的光效达 100lm/W ，白色 LED 的光效达 40 ～ 50lm/W 的水平。世界各大照明公司与半导体公司合资开发白色 LED ，如美国 GE 与 EMCORE 合作成立 GELcore 公司，德国西门子与欧司朗两公司成立合资公司等，并指出如果西方不开发自己的白色 LED 的技术，远东竞争者就会在 LED 领域占优势，冲击传统照明光源。而日本从 2001 年开始实施使日本国成为固体照明先进的计划，并预计到 2010 年白色 LED 在照明市场普及率将达 13 ％。
为实现高效白色 LED 照明系统实用化，实施的半导体照明研究的主要内容包括： (1) 研究以使用 UVLED 的 AlN 、 GaN 等为中心的化合物半导体的发光机理； (2) 改进蓝色、紫外 LED 的外延成长技术； (3) 均质外延板的开发； (4) 高效 R.G.B 荧光粉的开发和白色 LED 照明系统的实用化。 2003 年，白色
白色 LED 可以小至 1mm 装配在包装表面仪器上，采用 5U 直流的电源驱动，线路简单，适用于便携式电话，数字摄像机、数字录像机、汽车音响等液晶用背光 / 正光照明。图 5 为使用白色 LED 作背光照明的结构，使用于具有特殊效果的 05 ～ 2.5 英寸小型 TFT 彩色液晶的场合， 2 ～ 6 个白色 LED 可得到 ( 在导光板上 )300cd/m2 的亮度。图 6 分别为超小型聚光灯的光路和配光曲线，将 51 个白色 LED 布置在一个凹球面内，光束先会聚再发散投射到一个菲涅尔透镜上，制成光束扩散角可变化的小型聚光灯，功率仅 9W 、采用 ABS 树脂作灯体，灯体长 × 高为 58mm×58mm, 直径为 50.8mm 、重 130g ，适用于小面积上增强光照用，当移动凹面时，系统的出射光会发生聚光、散光的光束分布变化。图 7 为射出平行光束的 LED 照明系统的光路，该系统将 LED 增多布在一个凸半球上，用来模拟一个点光源发光的情况，从 LED 发出的光线投射到抛物镜经反射后而得到平行光。图 8 为圆形导光板周围配置 LED 的平板器具。图 9 为在普灯玻壳内配置 LED 制成的电球形 LED 灯。最近又研制成利用太阳能的白色 LED 照明系统。
白色 LED 照明系统除可用电能、太阳能作能源外还可以用风能、燃料电池等作为辅助能源，起到节电节能的作用。白色 LED 小巧轻量、驱动电压低、有不同的光色、寿命长、耐振动、易于控光等特性，对设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。同一照明系统可选用不同光色的 LED 组合在一起，将驱动线路与调光线路相结合，可实现可调光，调色的色可变照明系统，作为舞台照明有很好的演出照明效果。小巧轻量的 LED 可与灯具一体化，灯具既起支撑 LED 的作用又起供给 LED 的驱动电源作用，使照明系统薄形化可嵌入在顶棚内，粘贴在墙壁上等处，形成无照明器具感的照明系统，具有良好的室内照明效果。长寿命的 LED 可多次重新使用位置在新的照明系统中，使照明系统的更新简单、快速、方便。白色 LED 照明系统还可将驱动点灯线路通过电脑与因特网相连，实现信息控制，如外出办事或旅游，可通过手机发出指令对室内 LED 照明系统进行监控和信息化管理。
5 、白色 LED 的开发动向
白色 LED 作为第四代光源将在 21 世纪替代白炽灯和荧光灯，这已引起世界各国的重视。 1998 年日本开发实施国家的 “21 世纪照明计划 ( 高效电光变换的化合物半导体开发设计 )” ；目前已投资 50 亿日元， 2000 年已年产白色 LED1 亿只，目前正在实施使白色 LED 光效达 80 ～ 100lm/W 的开发计划。美国在 2000 年 4 月召开了 “LED 发展战略研讨会 ” ，目前美国实验室有色 LED 的光效达 100lm/W ，白色 LED 的光效达 40 ～ 50lm/W 的水平。世界各大照明公司与半导体公司合资开发白色 LED ，如美国 GE 与 EMCORE 合作成立 GELcore 公司，德国西门子与欧司朗两公司成立合资公司等，并指出如果西方不开发自己的白色 LED 的技术，远东竞争者就会在 LED 领域占优势，冲击传统照明光源。而日本从 2001 年开始实施使日本国成为固体照明先进的计划，并预计到 2010 年白色 LED 在照明市场普及率将达 13 ％。
为实现高效白色 LED 照明系统实用化，实施的半导体照明研究的主要内容包括： (1) 研究以使用 UVLED 的 AlN 、 GaN 等为中心的化合物半导体的发光机理； (2) 改进蓝色、紫外 LED 的外延成长技术； (3) 均质外延板的开发； (4) 高效 R.G.B 荧光粉的开发和白色 LED 照明系统的实用化。 2003 年，白色
LED 光效将达 80 ～ 100lm/W ， 2010 年将达 120lm/W ，可制成效率高于荧光灯的照明系统，这一计划对国际上 LED 的发展将产生大的影响。
6 、结束语
本文介绍了白色 LED 的发光机理、结构、制造方法和新的照明系统。由于白色 LED 的发光效率，显色性能，安全性，稳定性，长寿命等优良特性奠定了作为第 4 代光源的基础，随着 LED 的进一步改进和照明系统的完善，白色 LED 将会在 21 世纪发展成为替代白炽灯、荧光灯的主要光源。
