第1章 LED照明基础知识

1.1 白光LED基础知识

1.1.1 白光LED的发展与特点

1. 白光LED的发展

自从出现LED以来，人们一直在努力追求实现固体白光照明光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，白光LED的性能也不断完善并进入实用阶段。白光LED应用领域也已经扩展到高效率照明光源市场。所谓白光，是指由多种颜色混合而成的光。以人类眼睛所能见的白光形式，至少需两种光混合。目前已商品化的产品仅有二波长蓝光单芯片加上YAG黄色荧光粉，在未来较被看好的是三波长光，即无机紫外光芯片加RGB三原色荧光粉。此外，有机单层三波长白光LED也具有成本低、制作容易等优点。预计三波长白光LED在未来的应用中将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯及LCD背光源等市场，这对白光LED的市场成长有很大的帮助。

在技术方面，白光LED目前主要分为两种发光方式。第一种是日亚化学（Nichia）开发的以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得到肉眼所需的白光。白光LED开发基础在于蓝光技术，目前在蓝光LED技术方面仍以日亚化学领先。第二种是日本住友电工开发出的以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差，但由于目前白光LED市场热销，仍呈现出供不应求的现象。

20世纪60年代，利用半导体PN结发光的原理研制成了LED。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED是在近年才发展起来的，如图1-1所示是白光LED的发展历程。

目前已商品化的圆头柱状白光LED大多是利用色互补关系产生的仿真白光，结合了蓝光与黄光之间的色差，加上模拟光容易使人产生一种不协调感，并无法获得高演色性（Ra＞90），且高电流时会有色度偏差等问题，这些都是白光LED今后发展仍需努力的方向。

可见光光谱的波长范围为380～760nm，是人眼可感受到的七色光（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），但这七种颜色的光都各自是一种单色光，如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光，而彩色电视机中的白色光也是由三基色黄、绿、蓝合成的。由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的白光LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能见的白光，至少需两种光的混合，即二波长光（蓝色光+黄色光）或三波长光（蓝色光+绿色光+红色光）的混合模式。上述两种模式复合的白光，都需要蓝色光，所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术，即当前各大LED制造公司都在追逐的“蓝光技术”。

白炽灯和卤钨灯的光效为12～24lm/W；荧光灯和HID灯的光效为50～120lm/W。对于白光LED：在1998年，其光效只有5lm/W；到了1999年已达到15lm/W，这一指标与一般家用白炽灯相近；而在2000年时，白光LED的光效已达到25lm/W，这一指标与卤钨灯相近。预计到2015年时，白光LED的光效可达到150～200lm/W。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电）、寿命短、维护工作量大，若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工作时间为10000h以上），几乎无须维护。目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用白光LED作路灯照明。可以预见不久的将来，白光LED一定会进入普通家庭取代现有的照明灯。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年，白光LED开发成功，它是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起制成的。GaN芯片发蓝光（λp =465nm，Wd =30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，峰值为550nm。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。蓝光LED芯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，可以得到白色光。现在，对于InGaN-YAG白光LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温为3500～10000K的各色白光，白光LED的结构示意图如图1-2所示。如图1-3所示为白光LED和普通白炽灯的发光光谱，表1-1列出了目前白光LED的种类及其发光原理。

从表1-1中也可以看出，某些种类的白光LED光源离不开四种荧光粉：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，但此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。

采用白光LED光源进行照明，首先可取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场推广，将会节约大量的电能。近期，白光LED已达到单只功率超过1W，光输出为25lm，这也增大了它的实用性。表1-2和表1-3列出了单只白光LED的发光效率进展和长远发展目标。

2. 白光LED的特点

白光LED是最被看好的LED新兴产品，它在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽灯及荧光灯相比，白光LED具有体积小（多只、多种组合）、发热量低（没有热辐射）、耗电量小（低电压、低电流启动）、寿命长（10000h以上）、反应速度快（可在高频操作）、环保（耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染）、可平面封装、易开发成轻薄短小的产品等优点，没有白炽灯高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染环境等缺点。白光LED与现行照明设备的比较见表1-4。白光LED是被业界看好在未来10年内，成为替代传统照明光源的一大潜力商品。

白炽灯、ϕ5mm LED与大功率白光LED的寿命对比，大功率白光LED在寿命上有很大的优势，而白炽灯及其他一些传统光源在很多技术方面提升的空间已经很小了。LED光谱分布决定了其色纯度和饱和度是传统光源无法比拟的，因此具有很强的竞争优势。大功率白光LED的光效高、单位体积小巧，设计弹性很大，可最大限度配合灯光载体的结构特点，且安装方便。

目前白光LED仍处于初期发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有白炽灯、荧光灯的缺点，价格过高是影响推广应用的主要原因。据日本业者估计，LED晶粒成本需由每只1美元降至0.2美元以下，才有更高的市场接受度。未来白光LED的应用市场将非常广泛，包括手电筒、装饰灯、LCD背光源、汽车内部照明市场、投影灯光源等，不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽灯及荧光灯。

白光LED亮度和功率的每一次提高，都进一步扩展了它的应用范围。功率型白光LED已被用于特殊照明领域，如可拍照移动电话的闪光灯，将LVmi-LEDs作为液晶电视屏的背光源，提高了色彩保真度。此外，目前白光LED在景观照明、庭院灯等方面已大量应用。若白光LED以1lm/个的单位为基础，每单位降到1元时就将进入一般家庭的户外照明；当降到0.5元时，可望进入室内照明、走廊照明等市场；当降到0.25元时，将开始置换荧光灯。从发光效率看，一旦跨进60lm/W，相当于20W的荧光灯，白光LED将迅速普及。在未来5～6年中，若发光效率突破100lm/W，再加上单价继续下降，白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，正式成为21世纪的照明新光源。

1.1.2 白光LED的实现方法

1. 蓝光LED+不同色光荧光粉

日亚公司在蓝光LED成功开发出来之后，随之开发出来的产品便是白光LED。其实日亚公司的白光LED并不是半导体材料本身直接发出白光，而是由蓝光LED激发涂布在其上方的黄光YAG荧光粉，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补而产生白光。通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光，显色性较好。但是，这种方法所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高。目前日亚公司市售商品是利用460nm的InGaN蓝光半导体激发YAG荧光粉，而产生出555nm的黄光，且已经完全商品化，而随着蓝光晶粒发光效率的不断提升以及YAG荧光粉合成技术的逐渐成熟，蓝光晶粒与黄光荧光粉封装的白光LED为目前较成熟的白光LED技术。

虽然利用蓝光晶粒配合黄光YAG荧光粉封装的白光LED是目前较成熟的技术，但是采用这种方法封装出来的白光LED有几个严重的问题迟迟无法解决。首先是均匀度的问题，因为激发黄光YAG荧光粉的蓝光参与白光的配色，所以蓝光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度。最常见的例子便是利用这种方式封成的白光LED，中央部分看起来较蓝（或较白），而旁边的区域看起来较黄（荧光粉涂布较厚），每只白光LED的颜色不尽相同，并具有白光色温偏高、演色性偏低等问题。因此开发一个效果更好的技术是目前各LED厂商的重大课题。

2. 利用紫外或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉

用紫外或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉来合成白光LED的工作原理和日光灯类似，但是比日光灯性能要优越，紫光（400nm）LED的转换系数可达0.8，各色荧光粉的量子转换效率可达0.9。该方法显色性更好，但同样存在荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度提高的问题，并且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大，所以开发高效、低光衰的白光LED用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作。

利用不参与配出白光的紫外光LED激发RGB三色荧光粉，由三色荧光粉发出的三色光配成白光。这种方法因为紫外光LED不参与白光的配色，所以紫外光LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别敏感。并且可由各色荧光粉的选择及配比，调制出可接受色温及演色性的白光。但是这种技术虽然有种种的优点，却仍有相当的技术难度，包括紫外光波长的选择（荧光粉最佳转换效率的激发波长）、紫外光LED制作的难度以及抗紫外光封装材料的开发等，仍有待进一步的研发。

3. 利用三基色原理将RGB三种LED混合成白光

将RGB三基色LED组成一个像素可得到白光；但这种办法的主要问题是绿光LED的转换效率，现在红、绿、蓝光LED的转换效率分别达30%、10%和25%，白光LED效率可达60lm/W。通过进一步提高蓝、绿光LED的效率，则白光LED的效率可达200lm/W。由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED的效率要求也不同。

利用三色LED直接封装成白光LED的方法是最早用于制成白光LED的方式，其优点是不需要经过荧光粉的转换，由三色LED直接配成白光，除了可避免因荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以由分开控制三色LED的光强度，达到全彩的变色效果（可变色温），并可由LED波长及强度的选择得到较佳的演色性。但其缺点是混光困难，使用者在此光源前方各处可轻易观察到多种不同的颜色，并在各遮蔽物后方看到彩色的影子。另外，因为所使用的红、绿、蓝三个LED都是热源，散热问题更是其他封装形式的3倍，而增加其使用上的困难。目前利用三色LED封装形式的白光LED的效率可达25～30lm/W，主要应用在散热问题较不严重的户外显示广告牌、户外景观灯、可变色洗墙灯等。但另一方面，采用电子电路控制，利用三色LED封装形式的白光LED，很有机会成为取代目前LCD背光模块中的CCFL背光源。

红、绿、蓝三色LED合成白光综合性能最好，在高显色指数下，效率可达200lm/W，要解决的主要技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13%左右，同时成本较高。

三种实现白光技术均已实现产业化，利用紫外或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉和利用三基色原理将红、绿、蓝三种LED混合成白光的技术发展较快。而用单芯片形成白光，即只要一个芯片就可以形成白光，这种技术现在还在研发中。

目前市售白光LED的水平为：室温下，正向电工作压为3.6V、电流20mA时，发光强度是0.6cd（最大为1.1cd）；反向电压为5V时，漏电流为50μA；色度坐标为x=0.31，y=0.32（20mA），发光效率为7.5lm/W，色温为6000K。目前利用白光LED以可以制成最大亮度为500cd/m2 的白色平板光源。

氮化物LED有着广泛的应用前景、大量的市场需求和巨大的经济效益。它的研制成功，将带动一大批相关产业飞速发展，推动显示系统和照明方式的更新换代。氮化物的研究已经成为高科技领域国际竞争的制高点，而且这种趋势仍将继续下去。

随着以氮化物为基础的高亮度白光LED应用的开发，新一代绿色环保型固体照明光源（氮化物白光LED）已成为人们关注的焦点。它与传统的白炽灯和荧光灯相比，具有亮度高、能耗低、寿命长、结构紧凑、体积小、平面化、质量轻、方向性好、响应快、无辐射、耐各种恶劣条件等优点。

4. 白光LED的特性

1）利用蓝光LED激发YAG荧光体的白光LED的特性

如图1-4所示是圆头桶状白光LED（10cd级）的发光频谱与温度的关系曲线，该圆头桶状白光LED由多个LED矩阵构成，室温时，蓝光LED的波长最大值为465nm。波长为555nm的黄光是由具有150nm发光幅宽的YAG：Ce3+离子（5d→4f迁移）构成的。YAG：Ce3+的发光激发波长为460nm，随着温度上升，465nm最大发光激发波长会迁移到长波长区段，这与InGaN半导体的禁止波长领域的温度变化相同。而555nm的黄光波长区段则不会有迁移现象，但发光强度却会急剧下降，主要原因是温度上升后蓝光LED的最大发光波长迁移到长波长区段，YAG：Ce3+激发区段的共鸣位置依序偏移，造成发光强度随之下降。由于白光LED的发光特性受到温度的影响，所以温度若超过50℃，黄色发光强度会急剧下降，白光的演色性变差，色度则大幅偏移。

图1-5所示是白光LED发光效率与正向电流的关系曲线，由图可知白光LED 1mA的发光效率约等于45lm/W。不过10mA、20mA时则变为27lm/W与23lm/W，如此高的发光效率是蓝光LED本身具有很高的内部量子效率，以及低电流时的高注入效率所造成的。

2）利用紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED的特性

利用紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED结构图如图1-6所示。利用紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED属于InGaN-LED（发光波长为382nm），它是由高反射率的金属电极与覆芯片和蓝宝石基板取光结构所构成的，可被紫外线波长激发变成白光的荧光体涂布于作为紫外线反射膜的玻璃基板表面，将其贴附于紫外光LED芯片上方，紫外光LED芯片端缘则镀有一层可把紫外线转换成可视光的膜层。

紫外光LED室温时发光频谱与电流的关系曲线如图1-7所示。在电流为10mA时、发光波长为382nm（3.24eV）、半值幅为100nm时却随着电流的增加，发光波长会朝短波长区段移动，100mA时则移动至3.14eV（约等于394nm）低能量范围。

如图1-8所示是紫外光LED的发光频谱与正向电流的关系曲线，由图可知紫外光LED发光强度最大值分别依附于波长626nm、528nm、447nm范围内，即使增加注入电流发光频谱也没有显著的改变，反而是发光强度随着电流的增加呈线性成长。此时白光LED的发光效率约为10lm/W，平均演色指数Ra 可通过RGB荧光体剂量的最佳化选择而达到83～90。

如图1-9所示是利用紫外光激发的白光LED与蓝光激发的白光LED的电流与色度关系曲线。电流从1mA增加至150mA，利用蓝光与YAG构成的白光LED，蓝光反而逐渐变强，白光的色度变化则显著改变；而利用紫外光激发的白光LED几乎没有发生任何变化，所以利用紫外光激发RGB荧光体的白光LED可通过荧光体的组合获得Ra 值超过90的高演色性白光，使得未来一般室内照明的应用范围更加广阔。

如图1-10所示是利用RGB三原色LED的发光光谱。利用RGB三原色LED组合构成的白光LED，在技术上是最单纯，但是至今还迟迟无法商业化，主要原因是RGB三原色LED的半导体材质的差异极大，因此驱动电路的设计也变得极为复杂。因红光LED的驱动电压为1.8V，绿光与蓝光则为3.5V，且RGB三原色LED的发光波长分别是红光640nm、绿光525nm、蓝光470nm，彼此的半幅值相当狭窄，所以采用RGB三原色LED构成的白光LED距实用阶段还有一段距离。除了技术上还有许多问题有待克服之外，每只白光LED的成本价格也是实用化的阻力。虽然美国业者曾经利用蓝、绿光LED（波长为500nm）与琥珀色LED（波长为612nm）的互补色关系制作虚拟白光LED，但Ra值相当低，前景并不乐观。

为了使白光LED能具有高发光效率（K）与演色性（Ra=80），基本上有单晶片与多晶片两种封装方式，见表1-5。所谓单晶片，是使用蓝色或紫色以及紫外线光线撞击荧光体或ZnSe结晶产生白光；多晶片则是使用RGB三原色LED或加黄橙色LED，3～4种LED同时工作产生白光。多晶片方式除了驱动电压与发光方式不同之外，温度特性与元件寿命也有很大的差异，距离实用化仍有许多问题需要克服；单晶片方式则因为是由单一元件所构成，因此驱动电路较易设计。

表1-5的K与Ra值适用于上述任何种类的白光LED。表1-6是紫外系白光LED的基本特性。

利用紫外撞击三原色荧光体所获得白光的发光效率可由式（1-1）计算：

式中，I为白光LED的驱动电流；V为白光LED的驱动电压；P为紫外系列白光LED的光输出；λ0 为紫外系列白光LED的波长；ηph为RGB荧光体的效率；ηuvph为转换效率；Fph （λ）为荧光体的发光频谱；k（λ）为视感度系数。

假设ηuvph=95%；ηph=90%，30mW光输出的白光LED，代入式（1-1）可计算出的白光LED发光效率为100lm/W。

1.1.3 白光LED的效率

从理论和技术发展分析，白光LED的光效可以达到2001m/W以上，白光LED的光效在近5年内提高6倍，目前人们将白光LED划分为2005年和2012年两个阶段目标。2005年后开始替代白炽灯，进入商业照明；2012年进入一般家庭照明。达到预定目标白光LED有两个问题必须克服，即提高光效和光通量。人们正对蓝色、紫外LED芯片、LED封装（包括荧光粉涂敷工艺）及荧光粉进行改进。对芯片来说，需要发展大尺寸芯片、制造大功率芯片、采用芯片倒置新技术使外量子效率提高、积极研制波长更短的紫外光LED。最近，美国南加州大学采用四元AlInGaN多层量子阱（MQW）技术研制出波长为305～340nm的紫外光LED，这是目前最短波长的紫外光LED，对20μm × 1000μm这种条状器件而言，波长为340nm时的输出功率高达1mW。

人们的肉眼相对光敏感性（虚线），如图1-11所示。因为白光是不同波长的混合，所以白光LED不可能有一个特定波长，而用色坐标定义白光LED。在白光LED数据手册中给出色坐标随正向电流增加而变化曲线，如图1-12所示。

正向电流的变化改变了白光LED的色彩坐标，并因此改变了白光质量。采用InGaN技术的LED并不像标准绿光、红光和黄光那样容易控制。InGaN-LED的显示波长（色彩）随着正向电流改变曲线，如图1-13所示。例如，白光LED所呈现的色彩变化产生于转换材料的不同浓度，以及蓝光InGaN材料随着正向电压的变化而产生波长变化。从图1-12所示可以看到色彩的变化，x和y坐标的移动意味着色彩的改变，因白光LED没有明确的波长。在图1-13中，通过增加的正向电流改变其发射波长也改变了蓝光LED的色彩。

当正向电流高至10mA时，正向电压的变化很大。变化的范围大约为800mV（有些白光LED的电压变化会更大一些）。白光LED工作电压的变化会改变白光LED发光的色彩，这是因为工作电压的变化改变了正向电流。对于不同白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大的差异。

由AllnGaP半导体复合物制成的LED，大约有90%的电子可以进入PN结并产生光子。但这种半导体具有较高的折射率，因此不能使所有的光都发射出来用于照明，大部分被散射后转化为热量，仅30%可以转变为可见光。氮化镓的折射率比较低，因此对由这种材料制成的LED而言，可以有更多的光被取出。

InGaN-LED是在绝缘的蓝宝石上长晶，因此可由上方长晶面取得P与N两电极，由活性层所产生的光线是通过厚度极薄的P型电极取出，构造上与AlGaAs型或AlGaInP-LED完全不同，使得发光效率有明显的增加。目前蓝光与绿光GaInN-LED的发光效率已经从过去的0.5lm/W与7lm/W提高到现在的8lm/W与40lm/W（发光效率是以20mA驱动电流与典型的正向电压值计算结果）。

GaInN型材料具有高密度结晶，然而从长晶条件与组件造型最佳化可反映载子局部空间的捕捉效果，载子效应是提高GaInN-LED内部量子效率的关键要素。GaInN系列LED取光效果如图1-14所示。传统的LED结构是通过透明电极取光，所以电极会产生光损耗；覆芯片化的结构是以反射率极高的金属作为P型的电极，由蓝宝石基板端缘取光，因此电极的光损耗相对减少。

AlGaInP系列TIP-LED结构如图1-15所示，外形呈倒梯形结构状的LED可改善取光效率。TIP-LED与传统LED的取光效率的比较如图1-16所示，由图可知波长为650nm的红光LED的取光效率接近55%。同样是TIP-LED波长为610nm的红橙光LED的发光效率为100lm/W，它是目前发光效率最高的LED。

最近几年使用荧光体与光触媒作用构成的紫外光LED（波长为350～390nm）的开发动向也备受关注，尤其是波长为382nm、外部量子效率为24%（驱动电流为20mA时）的GaInN-LED是在已做过凹凸加工的蓝宝石上使用选择性长晶GaN基板，因此大幅降低了结晶的转位密度并且提高了内部量子效率，如果再加上覆芯片化结构则更加突显取光效率。测试结果显示，低转位密度可使效率提高2.5倍，覆芯片化结构可使效率提高1.7倍，采用这两项技术的结果是比传统蓝宝石侧面取光多4.5倍的量子效率。

1.1.4 高效率白光LED的技术动向

1. 白光LED的开发动向

白光LED自开发成功以来，发光效率不断地提高，从开发初期的5lm/W，发展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的白光LED。

为获得完美高演色性（Ra≥85），基本上白光LED可分为单芯片型与多芯片型两种：一种是同时点亮RGB三色LED产生白光；另一种是利用蓝光或紫外光LED作为激发光源，激发荧光体获得白光。除此之外，单芯片型最新技术动向是改变活性层的性质，利用单纯的半导体产生RGB三色光，进而获得白光效果。

1）单芯片

（1）InGaN-LED（蓝）/YAG荧光粉。这是一种目前较为成熟的产品，其中LVmileds公司已有1W的和5W的批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。随着荧光粉涂覆工艺的改进，目前已可将色均匀性提高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。其寿命实验结果也较好，ϕ5mm的白光LED在工作12000h后，光输出下降80%，而这种称为LVxeon的功率白光LED在工作12000h后，仅下降10%，估计工作50000h后下降30%。这种功率白光LED最高效率可达到44.3lm/W，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，R a为75～80。

（2）InGaN（蓝）/红荧光粉+绿荧光粉。LVmileds公司采用460nm LED配以SrGa2S4：EV2+（绿色）荧光粉和SrS：EV2 +（红色）荧光粉研发的白光LED的色温可达到3000～6000K，Ra达到82～87，较前述产品有所提高。

（3）InGaN（紫外）/（红+绿+蓝）荧光粉。Cree、丰田、日亚等公司均在大力研制紫外LED，Cree公司已生产出50mW、385nm～405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其R a≥90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的大功率紫外LED，如制成白光LED，会有较好效果。

2）双芯片

双芯片型可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED及蓝绿LED+黄LED制成。此种器件成本比较低廉，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。

3）三芯片（蓝色+绿色+红色）LED

Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra＞ 80的白光LED，色温可达3500K。如果用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。

4）四芯片（蓝色+绿色+红色+黄色）LED

采用465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra＞90的白光LED。此外，Nor-lVx公司用90只三色芯片（RGB）制成10W的白光LED，每个器件的光通量达130lm，色温为5500K。

表1-7列出了日亚BY白光LED、21世纪光源计划小组的RGB白光LED，以及山口大学OYGB白光LED的室温发光频谱、发光效率、色温、平均演色评价数Ra 等照明光源必备的光学特性比较。

山口大学的OYGB白光LED的O表示橘色，Y表示黄色，G表示绿色，B表示蓝色，如此设计的主要目的是要补强OY荧光体宽广发光领域的红色成分之后再与GB混色获得白光。荧光体最佳激发波长为400nm，即使激发波长在370～410nm之间变动，仍然可维持一定程度的发光强度，但色温会随着OYGB的混合比率，涵盖3000～6500K的范围，同时还可以得到Ra大于93的高演色性，这些测试结果显示OYGB白光LED具备良好的光学特性。

21世纪光源计划小组的RGB白光LED的色度变化是沿着等偏差线变化，所以一般认为可由RGB荧光体的混合比抑制偏差的变化量。山口大学的OYGB白光LED色度变化，随着注入电流的增加，色度变化与白光偏差都很小，因此可以获得光色很稳定的白光。就发光效率而言，日亚的BY白光LED发光效率是三者中最高的，注入电流的依存性也是最好的。

目前已经商品化的BY白光LED是利用补色关系实现的白光，因此无法获得高演色性（Ra＞85），高电流时会产生色度偏差、温度特性恶化等问题。由于照明用白光LED必须是高演色性、均一照度的白光，所以近紫外、紫外LED与多色发光荧光体组合，形成类似荧光灯发光特性的白光光源，将成为未来照明用白光LED的主流。

2. 照明用白光LED

1）照明用白光LED的技术指标

照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有如下一些特殊要求。

（1）光通量。一只ϕ5mm的LED光通量仅为1lm左右，而用做照明的白光功率型LED希望达到1klm。当然，光通量为0.1klm和0.01klm的功率型LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅为8lm/W，所以一个15W白炽灯的光通量，与5W白光功率型LED器件（25lm/W）相当。

（2）发光效率。目前产业化产品已从15lm/W提高到25lm/W，研究水平为32lm/W，最高水平已达44.3lm/W。

（3）色温。在2500～6000K之间，最好在2500～3500K之间。

（4）显色指数Ra。最好达到100。

（5）稳定性。波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。

（6）寿命为50000～100000h。

2）不同色温白光LED的光谱特性

目前普通的白光LED与用做照明光源的白光LED在概念方面有本质的差异，并不是越“白”越好。人们对用做照明的白光光源有着严格的要求，国内外都早已制定标准。照明光源有6个严格的标准色温区：6400K、5000K、4000K、3450K、2900K和2700K及其相应的色域。照明光源的色品质参数是相互关联的，必须同时满足要求，方可称为合格的照明光源。尽管目前作为照明光源的白光LED还没有国际CIE标准和国家标准，但是应当参照国际CIE和中国国家照明标准来指导白光LED光源的发展和应用。

有多家公司提供不同等级的InGaN蓝光LED芯片，这些芯片发射的波长为455～460nm、460～465nm及465～470nm；光强一般在40mcd以上。蓝芯片尺寸大多为320μm × 320μm左右。依据发光学的光转换和色度学原理，采用蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉产生白光技术，荧光粉选择是多样性的，可以是黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。调控各发光颜色强度比，即可实现各种色温的白光。

3）照明用LED产品必须解决的技术问题

照明用W级功率型白光LED产品要实现产业化，还必须解决如下技术问题：

（1）粉涂布量控制。LED芯片+荧光粉工艺采用的涂胶方法，通常是将荧光粉与胶混合后用分配器将其涂到芯片上。在操作过程中，由于载体胶的黏度是动态参数、荧光粉比重大于载体胶而产生沉淀以及分配器精度等因素的影响，此工艺荧光粉的涂布量均匀性的控制有难度，导致白光颜色不均匀。

（2）芯片光电参数配合。半导体工艺的特点决定了同种材料同一晶圆芯片之间都可能存在光学参数（如波长、光强）和电学（如正向电压）参数差异。RGB三基色芯片更是这样，对于白光色度参数影响很大。这是产业化必须解决的关键技术之一。

（3）根据应用要求产生的光色度参数控制。不同用途的产品，对白光LED的色坐标、色温、显色性、光功率（或光强）和光的空间分布等要求不同。上述参数的控制涉及产品结构、工艺方法、材料等多方面因素的配合。在产业化生产中，对上述因素进行控制，得到符合应用要求、一致性好的产品十分重要。

白光LED的研究目的是：实现高效率、高功率、长寿命器件。其技术难题是：降低缺陷密度、改善欧姆接触和电场均匀性、提高光取出率、降低温升等。在研究中采取的主要措施是：侧向生长、匹配衬底、封装技术改进等。

从芯片来说，衬底材料、芯片外延技术及白光LED器件的制作这几方面都取得了比较大的进展。目前芯片研究的进展结果如下：

（1）基于蓝宝石衬底的蓝、绿、紫及紫外LED目前所获得的最佳性能是在采取侧向生长等技术的基础上取得的，目的在于减小位错密度，蓝、紫器件的外量子效率约为40%，而绿、紫外器件约为15%，离目标值分别相差2～6倍，基于该芯片的白光性能改进主要依赖于荧光粉和封装技术的改进。

（2）由于在碳化硅上制作的器件具有更小的位错密度，基于该衬底的各色光LED性能仍优于蓝宝石衬底侧向生长的LED性能，但由于该衬底材料较蓝宝石贵7～10倍，有关性能优化的研究工作做得相对较少。

（3）分别用碳化硅和氧化铝以及GaN和蓝宝石作为衬底材料所做的发光期间对比实验表明，它们的紫外发光特性具有数量级的差别，说明基于匹配衬底所做的低缺陷密度LED有可能获得最佳的发光性能（包括流明效率和单管产生的数据）。

为实现高效白光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）研究以使用紫外光LED的AlN、GaN等为中心的化合物半导体的发光机理。

（2）改进蓝色、紫外光LED的外延成长技术。

（3）均质外延板的开发。

（4）高效RGB荧光粉的开发。

近几年，业界开始大量采用白光LED替代CCFL（冷阴极荧光灯管）和EL（电解发光片）作为LCD的背光（背景光照明的简称）。与CCFL、EL相比，白光LED具有如下优点：

（1）可使LCD色彩更逼真。采用白光LED背光的NTSC色阶达到130%，而CCFL仅为70%。

（2）色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真，使LCD厚度更薄。在18英寸LCD模块中，白光LED背光厚度为4～6mm，CCFL为8～12nm。

（3）寿命长。可达50000h。

（4）符合环保要求。白光LED不含汞。

（5）与EL背光相比，白光LED背光不会产生干扰。

白光LED作为背光源广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理（PDA）和手表显示屏，它已成为LCD背光市场的主导产品。白光LED的亮度目前为15lm/W，未来的目标是达到50lm/W。三波长全彩、高流明、低成本是白光LED的研发目标，白光LED的未来研发动向见表1-8。