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,半导体照明技术,方志烈 教授复旦大学,Semiconductor Lighting Technology,1.新世纪光源的研制目标2.人造白光的最佳化（1）发光效率和显色性的折中（2）二基色体系（3）多基色体系3.荧光粉转换白光LED（1）二基色荧光粉转换白光LED（2）多基色荧光粉转换白光LED（3）紫外LED激发多基色荧光粉 4.多芯片白光LED（1）二基色多芯片白光LED（2）多基色多芯片白光LED,第九讲 白光发光二极管,研制白光发光二极管是半导体照明技术的主要目标。替代白炽灯、荧光灯这些白光光源是半导体照明工程的最终目标。人们曾进行过把红外LED的长波发射上转换为宽带可见光谱的尝试，得到过红光、绿光乃至蓝光，但效率太低。也有过有机半导体电致发光的白色发光器件演示，也是效率颇低、寿命太短。白光LED只是在AlInGaN高亮度蓝光LED制成后才成为现实。以短波长LED为基础，发展了由两种或三种颜色混合的白光LED。从实用角度考虑，白光LED的发展目标是高效率和高显色性的结合。,第九讲 白光发光二极管,1.新世纪光源的研制目标 人们对新世纪新光源的要求是高效率、高显色性和环保。照明用白光LED的具体技术性能要求概括如下：发光效率：要求最终达到200lm/W以上。目前实验室水平5LED已 达249lm/W，功率LED己达208lm/W，功率LED商品化水平已达 130lm/W。显色指数：希望达到100，与太阳光相似。一般要求也在80以上。色温：25006000K之间。寿命：50000100000h。光通量：作为照明光源希望达到1klm以上。环保：从社会的可持续发展要求出发，要求不使用对人体有害、会玷污 自然环境的有害物质，如汞、铅、镉等。,第九讲 白光发光二极管,2.人造白光的最佳化（1）发光效率和显色性的折中 照明用的白光光源由白光发射体的两个特征参数表示：发光效率和显色指数。发光效率v=eK，辐射效率e依赖于器件的能量转换性能，技术不断发展，就会不断的提高。光视效能K仅依赖于光发射体的光谱功率分布（SPD），而与产生发射的手段无关。对于给定的光谱功率分布S（），光视效能由下式决定：,第九讲 白光发光二极管,(9-1),最大效能值在555nm处，为683lm/W。光视效能可以用以任意相对功率单位给出的光谱功率分布来计算。白光LED实际最佳化涉及两个问题：第一个问题和彩色LED相同，即把内量子效率和取光效率最大化，获得最大的发光效率。第二个问题是优化发光体的光谱功率分布，以获得最佳的光视效能和显色指数。,第九讲 白光发光二极管,下面讨论发光体的光谱功率分布优化问题。为了说明这种优化的可能首先考察连续光谱的光视效能和显色指数。表9-l给出了全范围普朗克谱CLE标准光源A和2个CLE标准光源B、D65等效的修饰普朗克谱（光谱截止到缩小的范围而变窄）的数据。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,表9-1 全范围普朗克谱和修饰普朗克谱辐射附发射的白光特性,全范围普朗克谱的Ra=100，但光视效能低，因为光谱分布超出可见光范围，特别是在低色温情况下到红外范围，如图9-1所示。,第九讲 白光发光二极管,图9-1 3000K黑体辐射（点线）和钨发射体（虚线）的归一化功率分布（实线为人眼光谱灵敏度）,在可见光范围(380780nm）的边界上截断得到的假想的修饰普朗克谱有高得多的光谱效能，而显色指数仍为100。进一步修去430nm以下和660nm以上“多余的”范围，使光视效能超过300lm/W，显色指数减小到95，这对于大多数照明应用来说，仍是一个很好的数值。,第九讲 白光发光二极管,进一步减小视觉灵敏度低的光谱范围中的发射，可使光视效能增高至500lm/W。但是，光视效能这样的改善是以显著降低显色性为代价的。一个普遍的规律是，在一个特定的体系中，光视效能和显色指数在一定程度上是不相容的，需要寻求这两个性能参数间的折中。现在的LED技术提供了相对窄谱线的半导体和荧光粉发射体。这意味着白光只能通过几个固体光源混合得到。白光的色度对应于色度图上的普朗克轨迹或它的近邻，在轨迹线上可以用色温（CT,K）描述。如果光源的色度和普朗克轨迹线不完全相同时，可以通过等温线配色给于光源一个相关色温（CT,K）。,第九讲 白光发光二极管,混色原理表明，无限多种基色光源的组合可用来产生具有所要求色温的光，而且基色光源的数目可以是任意的（2）。对于两条谱线（二基色体系）组成的光谱功率分布，光视效能和显色指数间的折中很容易分析，因为光谱含有良好确定的一对互补谱线。但是，二基色体系不能提供高质量的光。含有3、4、5甚至更多基色光源对于很多实际照明应用是足够的，但是这些多基色体系的优化是一个更为复杂的问题。,第九讲 白光发光二极管,（2）二基色体系 曾根据电视显像管产生的白光分析了二基色体系的效率。对于459nm(蓝紫光）和572nm（黄绿光）这一对光谱线，白光的光视效能最大。而通过下转换过程中的斯托克斯位移引起的损耗对荧光粉修正了这些数据，发现最佳波长为445nm和570590nm。应注意到，峰值波长500505对于二基色体系中高输出是最不利的。,第九讲 白光发光二极管,Walter分析了具有高斯线形的二成分荧光粉光视效能和显色指数间的折中。在标准荧光灯中，通常光视效能减小20%足以使显色指数从50增加到90。白光用一个经验的质量指数，通用显色指数的算术平均值和亮度指数（实际光视效能和基色光源光视效能之比）来表示。具有最高质量指数的光源能有约为70%的亮度指数，显色指数约为90。但显色性在红区很差，仅为050。,第九讲 白光发光二极管,ukauskas等考虑了两个半高宽为30nm的高斯线组成的二基色LED体系。图9-2描述了4870K色温（CIE阳光直射）的（K，Ra）相分布。相分布是以第一个峰值波长为参变量计算的，步长为1nm。分布的重要特征是有一条连接最高K值和最高Ra值的边界（在图9-2中用空心圆表示）。这条最优化边界由目标函数：(S1,Sn,I1,In)的所有极大值组成。沿这条边界移动，能够实现光视效能和显色性之间的折中。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-2 基色光源线宽30nm，色温4870k的二基色白光（K，Ra）相分布,式（9-1）中，n是基色光源数目；Si和Ii(i=1,n)是光源归一化的光谱功率分布和相对强度；是控制光视效能和显色指数间折中的权重，。,（3）多基色体系 在三基色体系中白光特性可以得到改善。已知，使发光效率和显色指数最高所要求的白光的功率分布谱（SPD）含有450nm、540nm和610nm三个峰。三基色白光应避免波长500nm和380nm。与二基色体系比较，在同样的显色指数下，三基色体系发光效率可以提高20%。Thornton用一个经验系数（K0.47W/lm+Ra）来表示用三基色得到的白光。用谱线宽化来优化，在Ra=70、色温3000K的情况下通常得到3001m/W的光视效能。在这个区域内，光视效能低10%可以使显色指数提高15。,第九讲 白光发光二极管,Mahr用尝试法优化了4条和5条窄谱线组合的光视效能和显色性。降低光视效能获得了更高的显色指数。Walter用非线性编程技术表明四条大约位于460nm、530nm、580nm和620nm的窄谱线产生高到9095的显色指数。Doughty等提出了一个由4个LED组成的通用照明光源，显色指数至少80。它们的中心波长分别在440450nm、495505nm、555565nm以及610620nm。虽然这些值不一定代表使Ra最大的值，它们确实很接近上述Walter所指出的最佳值。,第九讲 白光发光二极管,ukauskas等发展了含有任意数目任意光谱功率分布的基色光的白光光源最佳化的方法。这种方法应用了随机程序，只求出（K，Ra）相分布的边界。图9-3给出了由30nm谱线宽度的三基色、四基色和五基色体系构成的色温（阳光直射）白光的结果。二基色体系的优化边界（图9-2）也列于图中，以作为比较。从图9-3看到，对不同基色光源得到的优化边界部分重叠，组成了一个结合在一起的边界。通常，在重叠区域，数据线融合从而使基色光源的数目减少。因此，联合边界对K-Ra折中选择以及基色光源数目的选择都可提供指导。联合最佳边界也表明，添加一个基色光源不改变显色指数，而只能以光视效能的降低为代价，这是一般规律。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-3 含有2、3、4 和5个线宽30nm的基色光的4870K白光光源（K，Ra),相分布的优化边界（十字线标出每种基色数不同的情况下为得到合理的最高显色指数值所建议的点）,3.荧光粉转换白光LED(1)二基色荧光粉转换白光LED 设计二基色白光LED的直接途径是用发射蓝光的AlInGaN芯片和发射在黄色区的荧光粉。图9-4是典型的器件结构。蓝光芯片固定在内置的反射杯中，并涂覆一层环氧树脂和荧光粉颗粒混合而成的转换层。整个结构嵌在透明树脂中。部分蓝光在荧光粉层中被吸收并下转换为黄光。其余的蓝色光进人环氧树脂并与黄光混合成白光。荧光粉的最佳选择为铈掺杂的钇铝石榴石YAG：Ce3+。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-4 AlInGaN发蓝光荧光粉转换白光LED,1967年前后，就已为阴极射线管应用研发了铈掺杂的钇铝石榴石Y3Al5O12：Ce3+，荧光粉温度和化学稳定性高，腐蚀性低，具有无缺陷结构，量子效率接近100%。荧光粉用经典的氧化物熔融过程在1600下生产。图9-5是Y3Al5O12：Ce3+的能级。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-5 钇铝石榴石Y3Al5O12：Ce3+中的能级,相关的光学性质来自基态4f1和激发态5d1带间允许的电子跃迁。位于460nm的最低吸收带来自最低的2F5/2子能级到激发的2D带的跃迁。发射光谱来自斯托克斯位移了的2D带到2F5/2(520nm）和2F7/2（580nm）子能级的跃迁。在室温下，两组发射线交叠产生了一个宽带。,第九讲 白光发光二极管,YAG：Ce3+的光谱性质满足二基色白光LED的要求。首先，460nm附近的激发峰与可用的效率最高的蓝光AlInGaN LED的峰值波长一致。这个波长也接近效率最高的二基色体系短波部分的波长(445nm)。其次，荧光粉的发射光谱与补色相符合(570590nm)。此外，裁剪荧光粉的发射光谱可产生具有各种色温的白光。图9-6所示的CLE色度图说明了465nm蓝色AlInGaN LED发光（线宽30nm）和峰值波长560nm、570nm和580nm的荧光粉发光（线宽120nm）的混色。普朗克轨迹线和连接有关色坐标的直线的交点表明色温在4000以上的白光是可以得到的。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-6 由AlInGaN LED蓝光和不同峰值波长位置的铈掺杂钇铝石榴石黄光发射得到白光（CIE 1931 色度图）,图9-7是AlInGaN/（Y1-aGda）3（Al1-bGdb）5O12：Ce3+白光LED典型的光谱，荧光粉谱带峰值位于570nm(实线）和580nm(虚线。光谱的光视效能超过3001m/W，而显色指数略小于80。单个显色性测试标准试样的分析揭示了对于黄绿色（R4=64）和紫红色（R8=5560)显色性的不足。补充试样的测量显现对深绿和深蓝显色指数相对较低（R11,12=5660），对深红显色指数特别低(R9=0)。将荧光粉发射峰左移10nm导致色温和蓝-黄强度比显著变化，而对光视效能和显色指数的影响则较小。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-7 两种石榴石组分PC白光LED的典型光谱（实线 570nm，虚线 580nm）,高亮度AlInGaN蓝光LED发展起来后不久，AlInGaN/YAG：Ce3+荧光粉转换（PC）白光LED就商品化了。用外量子效率5.6%的AlInGaN蓝光LED，第一批白光LED的光通量为l0mlm，发光效率为51m/W，显色指数为85，色温为8000K。由于蓝光LED的量子效率不断提高，日前实验室已实现2491m/W的发光效率。假如设蓝色LED和荧光粉的量子效率为100%，PC LED发光效率的理论上限量3001m/W。,第九讲 白光发光二极管,功率LED(1W）的发光效率己达208lm/W，大于130lm/W的PC白光LED已能批量生产。估计生产150lm/W的PC白光LED也是年内就能实现。选择荧光粉的标准主要有五条：对LED发射波长有强烈的吸收。高的激发量子效率。满意的稳定性。适当的形貌。适合的粒度。丰田合成为避开YAG：Ce3+专利与欧洲二公司合作开发了碱土金属硅酸盐荧光粉，松下电器和欧司朗也同样申请了硅酸盐荧光粉专利。但硅酸盐荧光粉至今在发光效率上仍不及YAG，尽管硅酸盐荧光粉的热稳定性较YAG高。,第九讲 白光发光二极管,（2）多基色荧光粉转换白光LED 三基色PC LED能改善效率和显色性。基色光源（450nm/540nm/610nm）的最佳组合也可以用部分被吸收的AlInGaN芯片的蓝光和适当的绿光和橙红光两种荧光粉来实现。从实用观点看，具有宽带发射的离子型荧光粉要更适合些。,第九讲 白光发光二极管,Mueller-Mach和Mueller选用SrGa2S4：Eu2+荧光粉把蓝光转换为535nm左右的绿光发射，用SrS：Eu2+把蓝光转换为615nm左右的红光发射。图9-8是三基色体系发出白光的典型光谱，它与二基色AlInGaN/YAG：Ce3+LED相比，具有较高的光视效能和显色指数，也可得到较低的色温。但有报导说硫化物不够稳定，这方面性能有待改进。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-8 AlInGaN/（SrGa2S4：Eu2+SrSEu2+）体系白光发射的典型光谱,此外，有报导说Eu2+掺杂的氮化物和氮氧化物荧光粉M2Si5N8Eu(橙-红）和MSi2O2N2（黄-绿）按一定比例混合，与InGaN蓝光LED芯片组成大功率白光LED，与YAGCe3+相比较，橙红成分大为增加，显色指数可提高到88左右。在不同脉冲电流驱动下，及25和125不同温度下，相关色温CCT(K)和Ra在lA后趋于稳定，说明其光学和热学稳定性优良，值得关注。,第九讲 白光发光二极管,（3）紫外LED激发多基色荧光粉 多基色白光LED的另一种方法是采用紫外LED激发一组荧光粉。对于紫外激发白光LED来说，光谱的可见部分完全是由荧光粉产生的。Eisert等用紫外LED激发几种荧光粉模拟了一个单芯片器件，如图9-9所示。用光谱宽度在70120nm间的三种荧光粉能得到显色指数超过90的准连续光谱。由于紫外激发的PC LED中没有窄线，可以得到对每个试样显色指数都很高的高质量白光。但是由于转换过程中斯托克损耗的增加，激发光源移至紫外区引起发光效率下降。,第九讲 白光发光二极管,日本丰田合成以及日本化成、Stanley电气、三菱电线工业三家联合，早在2004年就开发出发光效率达301m/W的白色发光二极管。后者将用波长为382nm的紫外AlInGaN LED芯片与将紫外光分别转换成红色光、绿色光、蓝色光的荧光粉材料组合。国内中科院长春光机与物理研究所在这方面也取得了一定进展。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-9 含有一个紫外LED和三种荧光粉的三基色PC LED的典型白光光谱,4.多芯片白光LED 与荧光粉转换白光LED比较，多芯片白光LED由于不存在斯托克位移和荧光粉中无辐射复合引起的能量耗散，效率应该更高，它也避免了与荧光粉有关的老化问题。其缺点是器件更复杂，价格可能更高。,第九讲 白光发光二极管,只要每个LED的辐射效率已知，n个彩色LED组成的多芯片白光LED的发光效率就可由式（9-2)求出,第九讲 白光发光二极管,式中，ei是第i个LED的相对功率分布();K是总光视效能，它是LED光谱Si的函数,(9-2),(9-3),如果芯片的量子效率为100%，而且一个芯片的发射谱不被别的芯片吸收，多芯片白光LED发光效率在理论上限就等于光谱分布的光视效能。,v,（1）二基色多芯片白光LED 二基色多芯片白光LED体系在所有白光固体光源中具有最高的光视效能。表9-2给出了与标准CLE光源（A、B和D65）等效的二基色光谱分布的数据。假设2个LED发射宽度为30nm的高斯谱线，所得结果是彩色LED的平均数值。光谱功率分布已全面优化，使特定色温下效率最高。但通用显色指数都在零附近徘徊。虽然降低光视效能显色指数可能增加一些，二基色芯片由白光LED仍难以产生适当品质的光。在通用照明领域，二基色芯片白光LED或许只能在不需要高显色性的应用中与低压钠灯竞争。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,表9-2 白光二芯片LED（线宽30nm）的数据,作者曾于2000年报导了采用蓝、黄二色的二芯片InGaN/AlGaInP白色发光二极管，峰值波长分别为470nm和580nm，位于人眼灵敏度曲线最大值附近，应具有较高的光视效能。色温为5557K，xy色坐标为（0.33，0.31），显色指数为Ra=7.2。从数据结果看，色座标可以做得很好，而显色指数较差。但直到目前为止，AlInGaN和AlGaInP技术都还不能为高性能二基色体系提供570580nm范围高效的LED，这类白光LED正在继续发展中。例如，Damilano等人报导了两组不同厚度的InGaN/GaN多量子阱构成的单片二基色白光LED。,第九讲 白光发光二极管,在色温4870K下，最高光视效能优化的二基色二芯片白光LED光谱功率分布的例子如图9-10（a）所示。2008年底有报导称法国制成了单芯片双结发射蓝、黄二色合成白光LED。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-10 色温CT=4870K时多芯片白光LED的典型光谱,（2）多芯片多基色白光LED 从理论上讲，多基色多芯片白光LED的方案是很可取的，因为AlInGaN和AlInGaP技术对于提供可能用于组装白光LED的各种色度的LED都已相当成熟。应用3个或更多个不同的芯片不仅改善了白光的显色性，而且也能在扩展了的颜色范围内产生任意色度的发射。这一点可以通过改变每个芯片中的驱动电流或者调整组合中不同颜色芯片的数目来实现。,第九讲 白光发光二极管,三基色发射体最简单的实现方法是3个单个LED(红、绿和蓝）的组合与全色显示屏中所用的方法一样。白光LED的进一步改善可以通过把光发射器件集成到单个外延结构上实现。这种集成的方式已通过晶片复合以及区域选择MOCVD来实现。显示应用要求大的色彩范围，而照明则要求高效率和良好的显色性。Mueller-Mach和Mueller研究了单个芯片具有洛仑兹光谱分布三基色多芯片白光LED中效率、显色性和结温之间的平衡。在室温下，通用显色指数达到80，4001m/W光视效能看来是可能的。升高结温，发射线宽化，显色性能以光视效能的降低为代价而得到改善。,第九讲 白光发光二极管,如从图9-3能看到，三基色和四基色多芯片白光LED分别对于5Ra85和85Ra98有最高的光视效能。这些LED可满足多数照明应用的要求。引人第五个芯片可以使显色指数再提高一个点。虽然这种提高极为有限，但五基色或更多基色LED灯能提供光谱准连续的极高质量白光。,第九讲 白光发光二极管,图9-10说明了线宽30nm的25个基色LED组成的白光LED灯(4750K）的典型光谱。光谱对应于对每种基色LED数目所给出的合理的最高显色指数值（在图9-3上用十字线标记的点）。对(K，Ra）与图9-3所示（K，Ra）分布最佳边界相符合的灯，图9-11给出了LED峰值波长和通用显色指数的关系。如图9-11所示，这个关系中含有n条连续的线，在基色LED数目增大时突然出现分叉。,第九讲 白光发光二极管,第九讲 白光发光二极管,图9-11 色温CT=4870K、由谱线宽度30nm的2、3、4和5个基 色LED组成的白光灯峰值波长随通用显色指数的变化,图9-11所给出的数据表明，现在的LED技术可以提供高效三基色白光LED灯（50Ra85）所需的基色LED。这种灯可以用峰值波长600nm附近的AlGaInP基LED，以及峰值波长450nm和540nm的AlInGaN LED组成。式9-2意味着用辐射效率分别为50%和20%的AlGaInP和AlInGaN LED，可装配出发光效率为90l00lm/W的灯。如果优化发光效率而不是光视效能，可能得到更高的效率。这种灯能够超过发光效率在801m/W左右的荧光灯。,第九讲 白光发光二极管,对适于提供“豪华”照明(85Ra98)的四基色灯，现有波长570nm附近LED的低效率(2%），不可能使它的发光效率超过201m/W。虽然数值已比白炽灯高，但这种不足仍阻碍着四基色LED灯的使用。尽管如此，AlGaInP和AlInGaN技术具有继续发展、提供几乎任何色度高效LED的潜力。因此，未来多芯片LED中基色芯片的数目可能增加。这将使获得满足对白光质量任何要求的准连续光谱成为可能。多芯片LED最终将在半导体照明革命过程中提供优秀而又经济的LED照明。,第九讲 白光发光二极管,思考题1.新世纪光源的研制目标是什么？2.目前二基色荧光粉转换白光LED是市场上主流产品，其理论发光效率为284lm/W，而RGB白光LED理论发 光效率为355lm/W（假设色坐标x、y、z均0.33左右，显色指数80左右或更高）实际RGB白光LED都比不上 前者，什么原因？3.试根据给出的图设计2、3、4和5个基色LED组成的白 光LED？4.为什么多基色荧光粉转换白光LED会比二基色荧光粉 转换白光LED光视效能高，显色指数高和色温较低？,第九讲 白光发光二极管,
