白光发光二极管的制作方法(一)——利用颜色光二极管

白光发光二极管的制作方法(一)——利用颜色光二极管

LED的优点是无斯托克斯位移（Stokes Shift）的损失，而且也可以得到高演色性，但是价格比较高，而且每个颜色LED的η_wp不一样，并且受电流及温度的影响大。图1(a)所示是η_wp与波长即不同颜色LED的关系。由图可知，每一个波长其η_wp不一样，尤其是在570nm附近时η_wp最低，是一大难题。最新资料表明，波长为450nm时η_wp为43%，可见已在逐步改进中。另外，LED光强度受电流及温度的影响，例如图1(b)中的蓝光LED波峰随温度及电流的改变而改变。图2则是红光、绿光、蓝光及琥珀光LED受温度影响的结果。由图可知，蓝光尚是受温度影响最少的光。图3是波长为502nm及527nm的LED的受光效率与电流的关系，电流愈大效率愈低。这些都是影响用各色LED制作白光LED的特性。

用多个不同颜色LED产生白光的方法很多，可以用两个以上的LED即可。A.Zukauskas等人计算了采用2~5个不同波长LED产生白光的K及R_a值，图4是不同波长LED的谱功率分布(SPD：Spectral Power Distribution)图，图中有不同波长的LED的K及R_a值，由图可见采用2个LED时，K值高约430lm/W，但R_a值非常低约等于3；采用5个LED时K值较低约324lm/W，但R_a值为99，采用3个LED时R_a值可达85。A.Zukauskas等人又采用不同数目的LED产生白光时的波长及R_a的关系如图5所示，图中指出，如果只用两个LED，则R_a值不易超过20，3个LED时R_a值可达90。若要超过90，则需要4个以上光源。

基本上采用两个光源就可以产生白光（如蓝光和黄光），只是其R_a值低。图6所示是X.Guo等人计算出的当一个光源波长为380~500nm时所需第二个光源的互补波长。图7(a)所示与Y.Li计算出的表示互补波长的图6所示结果有点差距，图中并有不同半高宽时的发光效率与波长的关系；图7(b)则是利用三个不同波长455nm、530nm及610nm在不同光谱半高宽ΔE=5kT及8kT时的光谱，图中实线是普朗克辐射体的光谱。

将R.Mueller-Mach等人研究的460-530-630(nm)及450-550-610(nm)两种三色LED产生白光LED的结果，如图8所示。在该色度图中，实线代表460-530-630(nm)，而虚线则代表450-550-610(nm)。图9是460-530-630(nm)在不同色温时的光谱，图中表所列是当改变蓝绿红三色成分时得到的不同R_a值、CCT色温及发光效率K。由图可知，用此三色组成的白光虽然接近普朗克线，但是其演色性极低。图10是用460-550-610(nm)三色所组成的白光在不同结温度及色温时的光谱，附表也列出在不同结温度时的R_a、CCT及K值，用此三色R_a值可以大于80，但受温度的影响。所以，采用460-530-630(nm)三色产生白光可以得到较好的K值，但是R_a值太低，而采用460-550-610(nm)产生白光虽然R_a值增加，但是导致其他问题的产生，因为610nm AlGaInP LED受温度影响大，而550nm InGaN LED的发光效率及光的稳定性均差。

因为LED光源易受电流及温度的影响而导致颜色错误（Color Error），S.Muthu等人利用图11（a）中的Δuv值具体表示改变光源时的影响。

（u,v）是变动的坐标，而（u₀，v₀）是该颜色所需要的坐标。一般日光灯的Δuv都在0.003内。由图可知，当改变红色及绿色的发光强度10%时，将使Δuv大过0.005，超过日光灯的要求，改变LED的温度会改变光输出功率及波长。由图11(b)所示可知，当温度增至T=60℃（改变10℃）时Δuv将改变为0.005。S.Muthu建议用反馈控制（Feedback Control）以减少Δuv。图12所示是有无反馈控制的结果，有控制及散热设备时，Δuv可以小于0.002。

A.Zukauskas等人由于570nm LED发光效率太低，因此不用该色而用其他颜色制作白光并对其可能性与结果进行了讨论。他们采用四个颜色LED及反馈控制得到了如下结果。

在表1中列出A.Zukauskas采用2~5个LED在CCT=4870K可能得到的演色性R_a值及K值。表2中列出的是Lumiled公司商品Luxeon LED在不同颜色时的特性，可惜没有与表1中结果完全吻合。图13(a)所示是采用三个颜色在色温5800K时可以得到的发光效率及演色性R_a值，其中603-520-452(nm)可以得到最高的R_a值；图13(b)所示是603-520-420(nm)点的放大图，图中并有四条采用四个颜色LED时的延伸线。图14所示是在不同色温下要得到1000 lm白光时四个颜色645-603-520-452(nm)所需要的发光功率。引四种颜色LED也可在市场上获得。若用反馈控制来控制温度得到白光，其R_a大于80，他们并用此白光来作医疗光源医治SAD（Seasonal Affective Disorder），取得了成功。

图15(a)所示是不同类型的视网膜的感光灵敏度与波长的关系，L型、M型及S型是圆锥体对长波长、中波长及短波长的感应曲线，图15(b)及(c)是四色在2856K及6504K时的光谱，在2500~6500K范围内改变色温可以改变红光及蓝光的强度比。红光及琥珀光对L型圆锥体感应强，而绿光激发L型及M型，黄光激发三者，所以改变色温，则相对间的感应可以改变，这样可以改变颜色以配合不同的治疗。

图16所示是Osram公司用6个不同颜色LED所得的光谱，CCT=4000K，R_a=92，K=33lm/W，要得到150lm/W,则外部量子效率要增加2~5倍。

以上是介绍的是一种LED发光一种颜色的情况，下面介绍如何用一个LED产生多种颜色。

I.Ozden等人用隧道结（Tunneling Junction）做成两个颜色（470nm及535nm）双波长LED，其结构如图17(a)所示，在隧道结上下均有InGaN/GaN MQW，但是In含量不同，其I-V特性曲线不同，如图17(b)所示，光谱如图18所示，是接近白光（Near White）的LED。

C.H.Chen等人在蓝宝石衬底上生长绿光InGaN/GaN LED，然后在其上再生长蓝光InGaN/GaN LED，其结构如图19(a)所示，图19(b)是表面电接触图。图20(a)所示是在不同电流时的LED的光谱，此LED是采用大面积2.1mm×2.1mm做成的，发出的光几乎接近白天的颜色，图20(b)是其光输出功率、电压与电流的关系。

Nichia公司的M.Yamada等人采用如图21(a)所示的量子阱结构制作白光LED。每个量子阱用不同的In含量得到不同的颜色即如图21(b)所示的蓝色到红色，用四层量子阱B/B/B/Y即三个蓝色及一个黄色量子阱得到如图22（a）所示的光谱，CCT 7600K，R_a约为42.7，K约为11.04lm/W。他们改变生长四个量子阱的程序得到了白光在色度图中的位置，如图22(b)所示，其中以n-边(B/B/B/Y)p-边的结果为最佳，波峰为460nm及570nm。图23(a)是InGaN LED外部量子效率与波长的关系，蓝光较高、红光最低，所以要有不同的组合才能得到所需要的白光。图23(b)是n-边（R/R/G/B/B）p-边量子阱，即两个红色、一个绿色及两个蓝色组成LED的光谱，三个波峰分别为470nm、545nm及610nm，得到CCT 5060K,R_a约为80.2，K约为7.94 lm/W，假若红色及蓝色效率改进，则白光LED的效率也会增加。

最近D.Xiao等人发布，如果利用压电场产生斯达克效应（QCSE：Quantum Confined Stark Effect）可增加量子阱厚度以得到长波长，则当量子阱厚度增加时光强度减少，如图24(a)所示，图中所示是在电障层厚度L=15nm的条件下，改变量子阱厚度即1.5nm、3.0nm及5.0nm时的In_0.16Ga_0.84N/GaN量子阱的光谱。由图可知，当厚度增加时，波长增加但光强度减低。他们发现，如果用AlGaInN代替GaN作电障层，在长波长时可以得到高的光强度。图24（b）是在电障层厚度L=15nm的条件下，当量子阱厚度3nm时改变In含量x所得到的In_xGa_1-xN/Al_0.3In_0.2Ga_0.5N量子阱的光谱。由图可知，用此法得到的红光其强度极高，因此用量子阱产生白光时，适合用AlGaInN作电障层。

S.W.S.Chi等人建议用两个LED，一个是由AlGaInP制成的，而另一个是由AlGaInN制成的，每种LED都发出多种颜色的光，这种LED称为MCW（Multi-Color White）LED，AlGaInP用（Al_xGa_1-x）_0.5In_0.5P作量子阱，其x可取0、0.08、0.13、0.22及0.3，便得到黄绿、黄、橙以及红橙色，而In_xGa_1-xN量子阱LED可以得到574nm及540nm波长的颜色，两者相加所得的光谱如图25(a)所示，计算出CCT=3000K，R_a=94，接近白炽灯的性能。图25(b)是另一个MCW LED利用两个LED得到R、G及B三个颜色，其中AlGaInN LED发出570nm及540nm的光，而AlGaInP发出625nm红光，可得CCT为10000K，R_a=70。图26(a)也是MCW LED模拟结果，采用了AlInGaP，其中Al的x可取0.13及0.22，可以得到610nm到590nm波长的光，而AlGaInN LED可得浅蓝色(Cyan)505nm波长的颜色，混合便得到CCT=2400K，R_a为53。图26(b)则是实验结果，用一个AlGaInP LED，x取0.05及0.22，可以得到630nm及593nm的红色及黄色，而AlGaInN LED发出505nm的颜色，混合便得到CCT=2532K(x=0.4876，y=4356)，R_a=42(u=0.2689，v=0.3604)，其结果与模拟颇为相近。