摘要：固體光源白色發光二極管(LED)是第四代光源，將替代現在的白熾燈，熒光燈和高壓氣體放電燈。本文介紹了白色LED的發光機理、制造方法、結構和特性，還介紹了近年來開發的許多實用的LED照明系統及發展動向。隨著白色LED的進一步開發和完善，白色LED將發展成為21世紀的高效節能光源。

　　關鍵詞：白色發光二極管 固體光源 綠色照明 高效釔鋁石 榴石 熒光粉

　　1、前言

　　多年來人類一直在尋找和開發固體發光光源，隨著發光材料的開發和半導體制作工藝的改進，半導體照明用發光二極管效率不斷提高。發光二極管(LED)是在半導體p－N結處施以正向電流時發出可見光、紅外光、紫外光的半導體發光器件。目前實用化的化合物半導體發光材料是以Ⅲ－ⅤA族元素的材料為主要的發光材料。最近由于化合物半導體外延成長技術和發光器件制造工藝技術的急速發展，開發了光電轉換效率非常高的發光二極管，發光范圍遍及紅色到藍色的可見光，甚至可發出紅外光和紫外光。特別是采用氮化物半導體InGaN的藍色LED的實用化，將10cd以上的高亮度的藍色LED與釔鋁石榴石熒光粉(YAG：添加Ce的釔、鋁石榴石)組合在一起，開發出光效達20lm/W以上的白色LED。這種光源將成為新世紀的節能照明光源，十分引人注目。不僅如此，對于發光在短波長區域的紫外光LED，通過與熒光粉的適當配合，改進器件的結構，也可開發出用于照明的白色LED。

　　白色LED自開發成功4年來，發光效率不斷地提高。從開發初期的5lm/W，到1999年達到相當于白熾燈的光效15lm/W，后又提高到相當于鹵鎢燈的光效25lm/W。最近又有極導美國Agilient實驗室已研制開發成功光效為100lm/W的有色LED和光效達40～50lm/W的白色LED。日本自從1998年以來正在實施“高效率電光轉換化合物半導體”開發計劃，已投資50億日元，計劃至2005年使白色LED光效達到80～100lm/W。由于白色LED光效的迅速提高，加之它體積小、耐振動、響應速度快、方向性好、壽命長達數萬小時、可低壓驅動、光色接近白熾燈色、無汞和鉛的污染，將成為替代白熾燈和熒光燈的高效節能光源。本文主要介紹白色LED高效率化的技術進展、發光機理和特性，以及LED照明系統的實用化和及其節能效果。

　　2、白色LED的開發及發光特性

　　1960年開發成功發光二極管，在90年代采用氣相生長法替代傳統而煩雜的液相法，制成多層薄膜的LED簡易結構，先后研制成功從紅色到橙色的AlInGaP和藍色系列的InGaN發光材料，在GaN系列的基礎上又研制成功藍色(470nm)、藍綠色(550nm)和綠色(525nm)的LED。

　　作為照明用的LED重要的特性參數是光亮度(能量)和光色(光譜能量分布)。對于LED來說單純地增加輸入功率，亮度會成比例地上升，但LED芯片的發勢量會隨之增加，過多的熱將損壞它的結晶和封接而縮短壽命。因此使輸入功率的電能高效地轉換成光能是重要的關鍵技術。目前高輸出型LED的外部量子效率僅為10％左右，而空穴和電子對的能量中的90％成為內部熱被耗損掉，因此將這部分內部耗損的熱能轉換成光能就可提高光亮度。改進的途徑有研究新的發光材料，提高發光層內部結合的幾率，提高從芯片中取出光的效率。所以將現在的LED的光亮度提高3～4倍，達到熒光燈亮度的水平是完全可能的。日本日亞公司研制的以GaN為基礎的LED芯片的光效以每年提高10～20％的速度不斷地改進。表1為日亞公司各種LED的特性。

　　LED的發光色已經實現了從紫外，可見直到紅外幾乎所有的光色(表1)，但是它們都是在色度圖周圍上色純度高的光源色，屬于色度圖的內側位置中間的LED沒有一例，而且單芯片自發出復數光色的多彩色的LED也無一例，而要制成中間色的LED，以白色LED為例，則有兩種方法，一是將LED與特殊的不同種熒光粉相結合，另一方法是將多芯片材料混合制成混合色芯片。

　　在發光二極管中，當有正向電流流經半導體P－N結晶，在活性層注入的電子和空穴產生穴產生輻射再結合的過程而發光。通常在無關閉時為使電流變窄采用雙異質(DH)接合的結構或量子阱(QW)的結構。

　　一般LED的發光效率是由下式3個獨立效率因子的乘積表示的：

　　ywp=yv·yi·yext(1)

　　這里：

　　ywp為輸出對輸入的效率

　　yv為電壓效率

　　yi為內部量子效率

　　yext為光輸出到外部的效率

　　采用波長為λ0紫外(UV)LED與3基色熒光粉相結合得出激勵白光的發光效率如下式：

　　這里：P為UVLED的輸出；yph為熒光燈效率；yuvph為變換效率；Fph(λ)為熒光粉的發光光譜；K(λ)為視感度系數。假定yuvph=95％，yph=90％則30W的LED可得到約為100lm/W的光效。

　　炮彈型白色LED(10cd級)的發光光譜與溫度的依存關系，LED為多重量子阱結構。室溫下為峰值465nm的光是藍色LED發出的；峰值555nm黃色光是由只有發出150nm的帶狀光譜的YAG與Ce3＋離子的組合發出的；YAG：Ce3＋的發出激勵帶是在460nm位置。當溫度上升時，465nm的發光峰值向長波長方向轉變，這里與InGaN半導體禁帶的溫度變化相同，而555nm的黃色光帶幾乎無變化。但發光強度在急劇減少，其原因是隨著溫度的上升藍色LED的發藍色光的峰值向長波長方向轉變所致。因此，白色LED的發光特性與溫度有關，當超過50℃時黃色光急劇減弱，使白色的顯色性變差。為白色LED的發光效率與正向電流的依存關系，可看出在9×10－2mA開始觀測白色光，當正向電流為1mA時發光效率約為45lm/W，當該電流分別為10、20mA時光效分別為27、23lm/W，詳細機理目前還不太清楚。平均顯色指數在3mA到100mA時幾乎都為常數Ra=85,作為照明光源的顯色性能是很好的。

　　3、照明用白色LED的制造方法、結構和種類

　　照明用白色LED的種類和原理如表2所示，主要方式有單芯片型和多芯片型(雙芯片型和三芯片型)，多芯片型是將不同光色的芯片裝配在同一個包裝內得到混色后發出白光。單芯片型制造方式又分：(1)將藍色LEDInGaN芯片與釔鋁石榴石熒光粉或三基色熒光粉組合在一起發出白色光；(3)用發出紫外光的InGaNLED發出的紫外光激勵三基色熒光粉發出白色光。

　　炮彈型白色LED的結構，是在藍色GaN芯片的表面涂復YAG熒光粉制成的，熒光粉層的組成為(Ya、Gd1－a)3、(Alb，Ga1－b)5O12:Ce，制作時先將LED芯片放置在導線結構中用金線焊接，然后在芯片周圍涂覆YAG熒光粉，最后用環氧樹脂封接，樹脂既起保護芯片的作用又起集光棱鏡的作用。白色LED和普通白熾燈的光譜分布，光最初從LED發射出，入射到周圍的熒光粉層內，經多重散亂地反射、吸收最后向外部發射出光，LED的光譜峰值為465nm，半峰值寬度30nm為非常尖銳的藍色光譜，由藍光激勵YAG熒光粉發出峰值為黃色光555nm的平緩光譜線，黃、藍光相混互襯后得到白色光。白色LED具有顏色的多樣性和配光特性自由度大的特征。與普通LED燈相同。白色LED同樣可通過改變樹脂棱鏡的曲率，棱鏡與芯片間的距離來得到各式各樣的配光特性。對于形狀小的束狀集光或廣角的擴散光都易于進行配光控制。

　　4、白色LED照明系統的開發和應用

　　白色LED具有低電壓驅動、體積小、重量輕、顯色性好、調光性能好、壽命長(達2萬小時以上)、耐振動、不易損壞、色溫變化時不會產生視覺誤差。LED的光效仍在不斷地提高，目前已達25lm/W，不久將來將達到80～100lm/W，是照明的理想光源。然而由于單只LED功率小，光亮度低，不宜單獨使用，為此必須將多個LED組裝在一起設計成為實用的LED照明系統，則具有廣闊的應用前景。目前世界大的照明公司都在開發不同應用范圍和品種規格的LED照明系統。光學系統設計內容如下：(1)根據照明對象、光通量的需求，決定光學系統的形狀、LED的數目和功率的大小；(2)將若干個LED發光管組合設計成點光源、環形光源或面光源的“二次光源”，根據組合成的“二次光源”，計算照明光學系統；(3)構成照明光學系統設計的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要，構成炮彈型LED的透明樹脂的凸圓形保護頭子起凸透鏡作用，是決定單個LED發出聚光還是散光光束的重要部件。

　　現將幾種實用的白色LED照明系統介紹如下：

　　白色LED可以小至1mm裝配在包裝表面儀器上，采用5U直流的電源驅動，線路簡單，適用于便攜式電話，數字攝像機、數字錄像機、汽車音響等液晶用背光/正光照明。圖5為使用白色LED作背光照明的結構，使用于具有特殊效果的05～2.5英寸小型TFT彩色液晶的場合，2～6個白色LED可得到(在導光板上)300cd/m2的亮度。圖6分別為超小型聚光燈的光路和配光曲線，將51個白色LED布置在一個凹球面內，光束先會聚再發散投射到一個菲涅爾透鏡上，制成光束擴散角可變化的小型聚光燈，功率僅9W、采用ABS樹脂作燈體，燈體長×高為58mm×58mm,直徑為50.8mm、重130g，適用于小面積上增強光照用，當移動凹面時，系統的出射光會發生聚光、散光的光束分布變化。圖7為射出平行光束的LED照明系統的光路，該系統將LED增多布在一個凸半球上，用來模擬一個點光源發光的情況，從LED發出的光線投射到拋物鏡經反射后而得到平行光。圖8為圓形導光板周圍配置LED的平板器具。圖9為在普燈玻殼內配置LED制成的電球形LED燈。最近又研制成利用太陽能的白色LED照明系統。

　　白色LED照明系統除可用電能、太陽能作能源外還可以用風能、燃料電池等作為輔助能源，起到節電節能的作用。白色LED小巧輕量、驅動電壓低、有不同的光色、壽命長、耐振動、易于控光等特性，對設計用于不同場所和目的的照明系統提供了優越條件。同一照明系統可選用不同光色的LED組合在一起，將驅動線路與調光線路相結合，可實現可調光，調色的色可變照明系統，作為舞臺照明有很好的演出照明效果。小巧輕量的LED可與燈具一體化，燈具既起支撐LED的作用又起供給LED的驅動電源作用，使照明系統薄形化可嵌入在頂棚內，粘貼在墻壁上等處，形成無照明器具感的照明系統，具有良好的室內照明效果。長壽命的LED可多次重新使用位置在新的照明系統中，使照明系統的更新簡單、快速、方便。白色LED照明系統還可將驅動點燈線路通過電腦與因特網相連，實現信息控制，如外出辦事或旅游，可通過手機發出指令對室內LED照明系統進行監控和信息化管理。

　　5、白色LED的開發動向

　　白色LED作為第四代光源將在21世紀替代白熾燈和熒光燈，這已引起世界各國的重視。1998年日本開發實施國家的“21世紀照明計劃(高效電光變換的化合物半導體開發設計)”；目前已投資50億日元，2000年已年產白色LED1億只，目前正在實施使白色LED光效達80～100lm/W的開發計劃。美國在2000年4月召開了“LED發展戰略研討會”，目前美國實驗室有色LED的光效達100lm/W，白色LED的光效達40～50lm/W的水平。世界各大照明公司與半導體公司合資開發白色LED，如美國GE與EMCORE合作成立GELcore公司，德國西門子與歐司朗兩公司成立合資公司等，并指出如果西方不開發自己的白色LED的技術，遠東競爭者就會在LED領域占優勢，沖擊傳統照明光源。而日本從2001年開始實施使日本國成為固體照明先進的計劃，并預計到2010年白色LED在照明市場普及率將達13％。

　　為實現高效白色LED照明系統實用化，實施的半導體照明研究的主要內容包括：(1)研究以使用UVLED的AlN、GaN等為中心的化合物半導體的發光機理；(2)改進藍色、紫外LED的外延成長技術；(3)均質外延板的開發；(4)高效R.G.B熒光粉的開發和白色LED照明系統的實用化。2003年，白色LED光效將達80～100lm/W，2010年將達120lm/W，可制成效率高于熒光燈的照明系統，這一計劃對國際上LED的發展將產生大的影響。

　　6、結束語

　　本文介紹了白色LED的發光機理、結構、制造方法和新的照明系統。由于白色LED的發光效率，顯色性能，安全性，穩定性，長壽命等優良特性奠定了作為第4代光源的基礎，隨著LED的進一步改進和照明系統的完善，白色LED將會在21世紀發展成為替代白熾燈、熒光燈的主要光源。