LED基礎知識 -- 白光 LED

本文取材自

1. 白光 LED -- 愛迪生時代的結束
2. 無線電技術 -- LED 點亮數碼新時代
3. 日經BP社對「LED技術研討會2007」的報導
4. 中國半導體照明網--白光LED引發照明技術革命
5. LEDinside -- A View on Categories of WLEDs
6. Electronic Weekly -- LED technology - White LEDs

白光基本知識

要人工產生白光的方法，必須以混色方法為之，只要把紅光，綠光，藍光照一定的比例混合在一起，就可以達到白光(三波長光)的效果，另外一方面就是採用藍光與黃光混合的方式也可以得到另一種白光(二波長光)。

以這樣的原理來開發，LED 產生白光主要有三種方法。

第一種是“多晶型”，即將紅、綠、藍發光晶片混色而產生白光，甚至再加上黃光以提高演色性；
第二種是利用UV（紫外光）晶片配以紅、綠、 藍螢光粉，以紫外光激發螢光粉發光混色產生白光；
第三種就是以藍光晶片加上黃色螢光粉來產生白光。

由於後兩種方法都只是採用單一晶片，所以也 可統稱為“單晶型”，以下將按這一分類說明：

Ａ.單晶型：

單晶型白光LED，由於其體積小、成本低、易於控制等優點，因此，目前多數廠商較傾向往單晶型的方式的方向發展，尤其是以藍光混合黃色螢光體 的技術為主。不過現階段仍有相關技術難點亟需突破，包括亮度和色度不佳兩個問題。對於亮度不足問題，可提升效率及功率予以解決至於色度不足問題即可分為色彩亮度不均和演色性不足兩方面。

以下就單晶型的個別技術作一簡介。

InGaN(藍)/YAG螢光粉

目前多數的白光LED均改良自藍光LED，即以GaN以及InGaN為發光層波長為450nm至470nm。這些InGaN與GaN的結構上面通常覆蓋一層釔鋁石榴石(Ce3+:YAG)為主的黃色的螢光體。LED晶片閃爍出藍光部份被黃色螢光晶體的閃爍成580 nm 的黃光，由於黃光的效果對眼睛來說等於收到紅色與綠色的光，所以黃光與藍光混合在一起對眼睛來說就相看到白色的光，這樣的調光方式通常稱為"月光白"。這是由日亞化在1996年所發展出來的白光LED，Nichia並且擁有藍光的獨家專利權。

釔鋁石榴石黃色螢光體成份可以稍微進行修改，成份微調將釔改成其他的稀土元素如鋱或釓。甚至將其中的鋁替換成鎵。

雖然藍光LED+黃光的螢光粉可以產出白光，不過發出的光只有一點綠色，而且幾乎沒有紅色，演色性無法與傳統燈泡與省電燈泡相比。要做到暖白光的LED，必須要在螢光粉的配方中加入紅色螢光體，才能使LED在一般起居的照明領域發光。


InGaN(藍)/紅螢光粉+綠螢光粉

Lumileds公司採用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(綠色)和SrS：Eu2+(紅色)螢光粉，色溫可達到3000K-6000K的較好結果，Ra達到82-87，較前述產品有所提高。


InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)螢光粉。
使用InGan晶片發出紫外光激發RGB的螢光體來產生白光。螢光粉的成份主要是以銪為基底的紅色螢光粉，藍色螢光粉以及以銅跟鋁參雜硫化鋅的綠色螢光粉(ZnS:Cu, Al)。

Cree、日亞、豐田化成等公司均在大力研製紫外LED。Cree公司已生產出50mW、385nm—405nm的紫外LED；豐田化成已生產此類白光LED， 其Ra大於等於90，但發光效率還不夠理想；日亞於2007年發表的365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如製成白色LED，將會有較好效果。


Ｂ.雙晶型：

可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED製成，此種器件成本比較便宜，但由於是兩種顏色LED形成的白光，顯色性較差，只能在顯色性要求不高的場合使用。

Ｃ.三晶型(藍色+綠色+紅色)LED：

三晶型白光LED，紅綠藍的混光比率大約是3:6:1。雖然多晶型具有較佳的工作效率和演色性（Color rendering），但基於不同LED的驅動電壓、發光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此不易控制，而且組裝空間和成本增加也使其應用受到局限，所以 很少看見這樣的成品在市場上大量銷售。

Philips 公司用470nm、540nm和610nm的LED晶片製成Ra大於80的器件，色溫可達3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED晶片，則缺少黃色調，Ra只能達到20或30。採用波長補償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程度。美國TIR公司採用LuxeonRGB器件製成用於景觀照明的系統產品，用Lumileds製成液晶電視屏幕(22英吋)，產品的性能都不錯。


Ｄ.四晶型(藍色+綠色+紅色+黃色)LED：

採用465nm、535nm、590nm和625nmLED晶片可製成Ra大於90的白光LED。

產生白光的三種方法（資料來源：www.sciencedirect.com）

白光 LED 主要製作方法優缺點比較




全球白光LED研製進展 (截至2007年底)


藍光LED+YaG螢光體是目前白光LED最為成熟的產品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量產品。這些產品採用晶片倒裝結構，提高發光效率和散熱效果。而 且螢光粉塗覆工藝的改 進，可將色均勻性提高10倍。實驗證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移，但對螢光光譜影響並不大。壽命實驗結果也較好，Φ5的白光LED 在工作1.2萬小時後，光輸出下降80%，而這種功率LED在工作1.2萬小時後，僅下降10%，估計工作5萬小時後下降30%。這種稱為Luxeon的 功率LED最高效率達到44.3lm/w，最高光通量為187lm，產業化產品可達120lm，Ra為75-80。

Lumileds 研究結果表明，對於色彩亮度不均，主要是由於晶片發光層外螢光粉的覆蓋不均造成的，所以如何讓螢光粉均勻覆蓋在晶片發光層外部是白光LED組裝的重點，而 螢光粉和封裝材料混合的均勻性更會影響LED所發白光的均一性。

以目前，白光LED的主流設計是以藍光配以黃色螢光粉的方式。這種方式的缺點是紅光譜的亮度和色度都不佳。更有鑒 於白光LED的專利限制，多數廠商都積極往UV LED發展，而UV方式產生的白光則較為接近自然光，具備較強的照明應用競爭力。UV型白光LED，就是利用紫外光加R、G、B三波長螢光粉來達到白光的 效果，以彌補紅色表現力的不足。但由於UV光能量強，極易損壞封裝材料，因而開發出抗UV的封裝材料就顯得異常重要。其中以美國Cree公司所做的UV LED技術層級最高。

另外，豐田化成與Toshiba所共同開發的白光LED，則是採用UV LED與螢光粉組合的方式，與一般藍光LED與螢光粉組合的方式。因為，藍光LED與螢光粉的組合方式，當照在紅色物體的時候，其紅色的色澤效果比較不理想。UV LED與螢光粉組合可以彌補這個缺點，但是，其發光效率卻仍低於藍光LED與螢光粉組合的方式。不過在未來較被看好也是這種三波長光，此外有機單層三波長 型白光LED也有成本低、製作容易的優點。至於日本住友電工則開發出以ZnSe基板搭配藍光LED，無須使用螢光粉便可直接發出白光，但其發光效率與上述 二者相較下，發光效率較差。

廠商新動態 (2007年 6 月)

【日經BP社報導】 在《日經電子》與《日經微器件》于2007年6月14～15日聯合舉辦的“LED技術研討會2007”上，各公司就100lm/W發光效率及光通量超過1000lm的高功率白色LED發表了演講。

飛利浦Lumileds將使亮度達到100Mcd/m²

　　美國飛利浦Lumileds照明公司宣佈試製了可通過2.3A驅動電流，實現1500lm光通量的白色LED。該白色LED亮度達到100Mcd/m²，超過HID燈。估計到2009年，4片型和2片型白色LED將分別獲得與HID燈和鹵素燈相同的光通量。

　　此外，該公司還就今後用於白色、藍色、綠色LED的技術及未來展望發表了演講。LED在電流加大時會出現發光效率下降的“Droop”現象，存在提高 功率會導致發光效率下降的問題。該公司開發出了能夠通過改變LED層結構遏制Droop現象、使發光效率提高15～20％的技術，並且通過去除LED襯底 的藍寶石底板，使白色LED的發光效率提高50％，使藍色和綠色LED的發光效率提高30％。

　　關於白色LED的發光效率提高以及低價格化，該公司預測，不久的將來發光效率將翻倍，從現在的75lm/W增至150lm/W，驅動電流將增至約3倍，從700mA上升到2A。通過生產性能的最優化，價格將降低到目前的1/2。

歐司朗Osram已開始供應超過1000lm的LED

　　德國歐司朗光電半導體（Osram Opto Semiconductors）介紹了能夠從單封裝白色LED獲得1100lm光通量的白色LED產品“OSTAR Lighting”。該產品是由6個LED晶片串聯而成。封裝時為了提高散熱性能，採用了陶瓷底板。該公司目前使用名為“ThinGaN”的晶片技術製造白色LED。ThinGaN是把在藍寶石底板上生長的InGaN與Ge等載流子材料接合，通過鐳射照射將藍寶石底板剝離製備而成。

西鐵城電子Citizen將於明年供應超過1000lm的白色LED

　　西鐵城電子宣佈試製了發光效率為70lm/W左右1000lm光通量的試製品。該試製品的封裝結構與以往產品有所不同。目前正處在為投產進行可靠性驗證的階段。

　　關於發光效率，該公司營業部行銷第二課主任天野治樹對進一步提高效率表達出了強烈願望：“實現200lm/W的光效率已經近在眼前”。（記者：清水 直茂）

Sharp

夏普開發出輸入功率3.6W時，光通量高達標準280lm的白色LED。2007年7月開始量產。面向照明器材等。外形尺寸方面，安裝面積為18mm× 18mm，厚度僅為1.5mm。並且，只需固定兩處即可安裝在散熱板等上。色溫度為5000K。除此之外，夏普還將推出色溫度為2800K、光通量為標準 190lm的白熾燈色調LED以及演色性提高、色溫度為5000K和6500K的白色LED（光通量均為標準170lm）。

　　為了得到高達280lm的光通量，封裝內安裝了36個LED晶片。發光效率方面，光通量為280lm的產品將達到約78lm/W（輸入功率為 3.6W、外殼溫度為25℃時）。輸入3.6W時的順方向電壓和順方向電流分別為標準10.2V和標準360mA。樣品價格為3000日元。量產時的月產 能力為5萬個。


應用展望

白光LED亮度和功率的每一次提高，均進一步擴展了它的應用範圍。從2000年開始，功率型LED已被用於特殊應用照明。2002年，三菱電機用它作為可 拍照移動電話的閃光燈；SONY將Lumileds作為液晶電視屏的背光源，提高了色彩保真度；小糸製作所用白光LED製作汽車頭燈；Osram也在大力推動LED汽車頭燈。此外，目前白色LED在景觀照明，庭園燈等方面已大量應用，在MR11這一類的小型投射燈，也有大量的產品出現。礦工用的頭燈也逐步以LED替代。這些都是逐漸採用白光LED作為一般照明替代的實例。

然而在進入一般照明仍面臨挑戰，照明用LED的顏色均勻性及色度漂移是比較明顯的一個問題，尤其是藍光加螢光粉的LED，由於晶片上的螢光粉層不均勻，溫度引起的波長偏移及光衰、光輸出 用封裝窗口材料對不同顏色光的色散等，不同方向的光束可能存在較明顯的色差。而紅、綠、蘭晶片組合的白光LED也存在類似問題，溫度對不同晶片的影響，晶 片光衰的不一致及封裝材料對不同顏色晶片的色散等等，都會造成色度的不均勻和漂移。因此在照明用LED製造過程中，必須從設計到生產，工藝各個環節，對上 述問題都要嚴格控制。

若是LED燈具的功能可以調整色溫讓屋內照明的氣氛改變，它才有可能成為照明的替代方案。

在價格方面，據估計，若白光LED以1lm/個單位為基礎，每單位降到1日元將進入一般家庭的戶外照明；當降到0.5日元可望進入室內照 明、走廊照明等市場；當降到0.25日元時將開始置換螢光燈。從發光效率看，一旦跨進60lm/w，相當於20W的螢光燈，白光LED將迅速普及。未來5年 到6年中，若發光效率突破80lm/W，再加上單價繼續下降，則到2008-2010年，白光LED照明將逐漸普及至一般家庭的各種照明燈具，才有辦法正式擔當 21世紀的照明新光源。