实现高效白光LED的方法

在LED上最广泛的应用还是在白光领域，照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求：光通量一个Φ5mm的LED光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1klm。当然，光通量为0.1klm和0.01klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/W，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/W白光LED功率为5W的器件相当。

1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发波长465nm的蓝光，此蓝光激发高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉，会发射出波长550nm左右的黄色光。

蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200～500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，两种光混合在一起实现白光，这种原理叫互补光原理。

现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500～10000K的各色白光。

白光LED的获取有单一芯片荧光转换的白光LED，单一芯片非荧光转换的白光LED，多芯片组合方式，即光色混合成白光LED，以及量子阱白光LED等几种方式。

1.单一芯片荧光转换白光的三种方法

（1）InGaN（蓝）/YAG荧光粉

这是一种目前较为成熟的产品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5mm的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75～80。

（2）InGaN（蓝）/红荧光粉+绿荧光粉

蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和荧光粉发出的黄绿光合成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量绿色、红色荧光粉。

优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。

缺点：一致性差、色温随角度变化。

Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+（绿色）和SrS：Eu2+（红色）荧光粉，色温可达到3000～6000K的较好结果，Ra达到82～87，较前述产品有所提高。

（3）InGaN（紫外）/（红+绿+蓝）荧光粉

紫外光LED芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。

优点：显色性好、制备简单。

缺点：目前，LED芯片效率较低，有紫外。

Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385～405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好效果。

2.单一芯片非荧光转换的白光LED

利用ZnSe产生白光的技术，在ZnSe单晶基板上形成CdZnSe薄膜，通电后使薄膜发出蓝光，同时部分蓝光照射到基板上而发出黄光，最后蓝光黄光混合后形成白光。

优点：操作电压2.7V，低于GaN的3.5V

缺点：发光效率仅8lm/W，寿命只有8000h

虽然ZnSe和OLED白光器件有一些进展，但离产业化生产尚远。

3.多芯片白光LED(www.xing528.com)

光色混合型白光LED是指多芯片（n≥2）组合复合成的白光LED器件。

优点：能量损耗少、发光效率高；显色性便于调节和改善，可以获得高显色指数。

缺点：设计复杂、电路控制困难、成本较高。

（1）双芯片

可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。

（2）三芯片（蓝色+绿色+红色）LED

通过LED红绿蓝的三基色多芯片组和发光合成白光。

Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。

采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕（22英寸），产品的性能都不错。

（3）多芯片（蓝色+绿色+红色+黄色）LED

采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。此外，Norlux公司用90个三色芯片（R、G、B）制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。

表1-3列出了目前白色LED的种类及其发光原理。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25lm/W，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/千克；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。

从表中也可以看出某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加RGB三基色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

表1-3　白色LED的种类

4.量子点LED

量子点（quantum dot）是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料。由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在10nm以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向的运动都受到局限。所以量子局限效应（quantum confinement effect）特别显著。量子点，又可称为纳米晶，是一种由Ⅱ～Ⅱ族或Ⅲ～Ⅴ族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10nm之间。由于电子和空穴被量子限域。连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。

不同尺寸的量子点（1～10nm），电子和空穴被量子限域的程度不一样，分子特性的分立能级结构也因量子点的尺寸不同而不同，因此在收到外来能量激发后。不同尺寸的量子点将发出不同波长的荧光，也就是各种颜色的光。

采用LED光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白色LED已达到单颗用电超过1W，光输出25lm，也增大了它的实用性。表1-4和表1-5列出了白色LED的效能进展。

表1-4：单颗白色LED的效能进展

表1-5：长远发展目标