1.蓝光LED+不同色光荧光粉

日亚公司在蓝光LED成功被开发出来之后，跟着开发出来了白光LED。日亚公司研发的白光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有效转换效率较低，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蓝光半导体芯片激发YAG荧光粉，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YAG荧光粉的白光LED封装技术是目前较成熟的技术，但是利用这样的方法封装出来的白光LED有几个严重的问题迟迟无法解决。首先是均匀度问题，因为激发YAG荧光粉的蓝光晶粒实际上参与白光的配色，因此蓝光晶粒发光波长的偏移、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。最常见到的例子便是利用这种方式封装的白光LED，中央的部分看起来较蓝（或较白），而旁边的区域看起来较黄（荧光粉涂布较厚），每一只白光LED的颜色不尽相同。而利用蓝光晶粒配上YAG荧光粉的白光LED技术，具有白光色温偏高、演色性偏低等问题。因此开发一种更好的技术是目前各LED厂商的重大课题。

2.紫外光或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉

用紫外光或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉来合成白光LED的工作原理和日光灯是类似的，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。

紫外光LED配上三色RGB荧光粉提供了另一个研发方向，其方法主要是利用实际上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。这样的方法因为紫外光LED不实际参与白光的配色，因此紫外光LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别的敏感，并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。该方法的显色性更好，但这种方法同样存在所用荧光粉的转换效率较低的问题，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度提高的问题，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，这类荧光粉的发光稳定性差、光衰较大，因此开发高效的、低光衰的白光LED用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作。

利用紫外光LED+RGB荧光粉的相关研发仍有相当的发挥空间。这样的技术虽然有种种的优点，但是仍有相当的技术难度，这些困难包括了配合荧光粉紫外光波长的选择（荧光粉最佳转换效率的激发波长）、紫外光LED制作的难度及抗紫外光封装材料的开发等，仍有待进一步的研发。

3.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，但这种办法存在的主要问题是绿光的转换效率，现在红、绿、蓝光LED的转换效率分别达30%、10%和25%，白光流明效率可达60lm/W。通过进一步提高蓝、绿光LED的流明效率，则白光流明效率可达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流明效率要求也不同。

利用三基色LED直接封装成白光LED的方法最早用于制成白光LED，其优点是不需经过荧光粉的转换，由RGB三基色LED直接配成白光，除了可避免因为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RGB三基色LED的光强度达成全彩的变色效果（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，使用中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RGB三只LED都是热源，散热更是其他种封装型式的3倍，从而增加了其使用上的困难。目前，利用RGB三基色LED封装型式的白光LED可得到25～30lm/W的效率，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RGB三基色LED封装型式的白光LED很有机会成为取代目前LCD背光模块中的CCFL的背光源。

采用RGB三基色LED合成白光综合性能最好，在高显色指数下，流明效率有可能高达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，同时成本高。

三种实现白光的技术均已实现产业化，利用紫外光或紫光（300～400nm）LED+RGB荧光粉和利用三基色原理将RGB三只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。

现市售白光LED的特性为：室温下，正向工作电压为3.6V，电流为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可以制成最大亮度为500cd/m²的白色平板光源。

4.白光LED的特性

目前，单只白光LED的光束（lm）仍相当微弱，因此应用于一般照明领域时需由数只白光LED组合成照明光源。最近几年国内外非常热衷紫外光LED的研发，紫外光LED是在蓝宝石基板上制作具有MQW（x=0.08）构造的覆芯片化结构，20mA，3.4V正向电压条件下可获得15.6mW的光输出与24%的外部量子效率，发光波长为382nm。此种紫外光LED即使输入50mA电流，光输出亦不会出现饱和现象，同时还可以获得40mW以上的光输出。

（1）蓝光LED激发YAG荧光体的白光LED特性

图2-17所示是圆头桶状型白光LED（10cd级）的发光频谱与温度的关系曲线。该圆头桶状型白光LED是由多个LED矩阵所构成，室温时蓝光LED的波长最大值为465nm。波长555nm的黄光是由具有150nm发光幅宽的YAG:Ce3+离子（5d→4f迁移）所构成。YAG:Ce3+的发光激发波长设于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。555nm的黄光波长区段则几乎不会有迁移现象，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:Ce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影响，因此温度若超过50℃时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2-18所示是白光LED发光效率与正向电流的关系曲线，由图2-18可知白光LED每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由于蓝光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。

图2-17 圆头桶状型白光LED的发光频谱与温度的关系曲线

图2-18 白光LED发光效率与正向电流的关系曲线

蓝光LED+YAG荧光粉的白光LED的发射波长如图2-19中实线所示，包括蓝光和黄光区域的峰值，但是在肉眼看来就是白色。肉眼的相对光敏感性如图2-19中虚线所示。

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，因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，如图2-20所示。

正向电流的变化改变了白光LED的色坐标，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）会随着正向电流而改变，如图2-21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的波长变化。从图2-20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，因为白光LED没有明确的波长。在图2-21中，通过增加正向电流改变其发射波长而改变了蓝光LED的色彩。

图2-19 白光LED的发射波长及肉眼的相对光敏感性

当正向电流高至10mA时，正向电压的变化很大。变化量的范围大约为800mV（有些白光LED型号变化会更大一些）。白光LED工作电压的变化会改变白光LED发光的色彩，其原因是因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差异。

图2-20 白光LED色坐标随正向电流变化曲线

图2-21 InGaNLED的显示波长（色彩）随着正向电流改变的曲线

（2）紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED特性

图2-22所示是利用紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED结构图。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），它是由具有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，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，之后贴附于紫外光LED芯片上方，紫外光LED芯片边缘则镀有一层可把紫外线转换成可视光的膜层。不论荧光体膜厚、紫外线反射膜有无、芯片边缘膜层有无，白光LED的发光特性测量方法与传统的荧光灯管完全相同。

图2-23所示是室温时注入型发光频谱与电流的关系曲线。在电流为10mA时，发光波长为382nm（3.24eV），半幅值为100nm时，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。

图2-22 利用紫外光LED激发RGB荧光体的白光LED结构图

图2-24所示是紫外光LED的发光频谱与正向电流的关系曲线，由图2-24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成直线型成长。此时白光LED的发光效率约为10lm/W，平均演色指数R_a可通过RGB荧光体剂量的最佳化选择而达到83～90。

图2-23 室温时注入型发光频谱与电流的关系曲线

图2-24 紫外光LED的发光频谱与正向 电流的关系曲线

图2-25所示是利用紫外光激发的白光LED与用蓝光激发的白光LED的电流与色度关系曲线。电流从1～150mA的增加，蓝光与YAG所构成的白光LED，蓝光反而逐渐变强，白光的色度变化则显著改变。而紫外光激发的白光LED几乎没有发生任何变化，换句话说，利用紫外光激发RGB的白光LED照明光源可通过荧光体的组合获得R_a值超过90的高演色性白光，使得未来一般室内用照明的应用范围更加广阔。

（3）RGB三基色LED的白光LED特性

图2-26所示是利用RGB三基色LED组合的白光LED的发光光谱。利用RGB三基色LED组合构成的白光LED，从技术上可以说是最单纯的，在商业化过程遇到的问题较多，主要原因是RGB三基色LED的半导体材质彼此差异极大，因此驱动电路的设计也变得极为复杂。因为红光LED的驱动电压为1.8V，绿光与蓝光则为3.5V，且RGB三基色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。除了技术上还有许多问题有待克服之外，每只白光LED的成本价格也是其实用化的阻力。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，但实际上R_a值相当低，因此前景并不乐观。

图2-25 两种白光LED的电流与色度关系曲线

图2-26 利用RGB三基色LED组合的白光 LED的发光光谱

为了使白光LED能具有高发光效率（K）与高演色性（R_a=80），基本上有单晶片与多晶片两种封装方式。所谓单晶片是使用蓝色或紫色以及紫外线的光线撞击荧光体或ZnSe结晶产生白光。另外一种方式是使用RGB三基色LED外加黄橙色LED，3～４种LED同时点灯产生白光，这种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亦有很大的差异，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。(www.daowen.com)

白光LED的分类见表2-9。在表2-9中的K与R_a值适用于上述任何种类的白光LED。紫外光系白光LED的基本特性见表2-10。

表2-9 白光LED的分类

表2-10 紫外光系白光LED的基本特性

从理论和技术发展上分析，白光LED的光效可以达到200lm/W以上。目前，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LED芯片（蓝色、紫外光）、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，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）技术研制出发射峰值为305～340nm的紫外光LED。这是目前最短的紫外光LED。对20μm×1000μm这种条状LED器件而言，发射峰为340nm时的输出功率高达1mW。

5.GaInN-LED

GaInN-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型或是AlGaInP-LED完全不同。自从GaInN-LED实用化后加上长晶技术的改善使得发光效率有了明显的提高，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8lm/W与40lm/W（发光效率是以20mA动作电流与典型的动作电压值计算结果）。

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。此外，AlGaInP-LED除了内部量子效率等因素，也可通过改善取光技术提高GaInN-LED的发光效率，例如LED覆芯片化后便可增加两倍输出。图2-27所示是覆芯片化的断面图与以往上方取光结果的比较。覆芯片化的结构是以反射率极高的金属作为P型的电极，由蓝宝石基板边缘取光，因此电极的光损耗相对减少。目前，覆芯片化结构的LED已经进入量产阶段。

图2-27 GaInN系列LED取光效果

6.白光LED的光衰

（1）晶片对白光LED光衰的影响

从目前实验的结果来看，晶片对光衰的影响分为两大类：第一类是晶片的材质不同导致衰减不同，目前常用的蓝光晶片衬底材质为碳化硅和蓝宝石，碳化硅一般结构设计为单电极，其导热效果比较好，蓝宝石一般设计为双电极，热量较难导出，导热效果较差；第二类是晶片的尺寸大小，在晶片材质相同时，尺寸大小不同衰减差距也不同。

（2）固晶底胶对白光LED光衰的影响

在白光LED封装行业中通常用到的固晶胶有环氧树脂绝缘胶、硅树脂绝缘胶、银胶。三者各有利弊，在选用时要综合考虑。环氧树脂绝缘胶导热性差，但亮度高；硅树脂绝缘胶导热效果比环氧树脂绝缘胶稍好，亮度高，但由于硅成分占一定比例，固晶片时旁边残留的硅树脂与荧光胶里的环氧树脂相结合时会产生隔层现象，经过冷热冲击后将产生剥离而导致LED故障；银胶的导热性比前两者都好，可以延长LED芯片的寿命，但银胶对光的吸收比较大，导致亮度低。对于双电极蓝光晶片在用银胶固晶时，对胶量的控制要求严格，否则容易产生短路，直接影响到产品的合格率。

（3）荧光粉对白光LED光衰的影响

实现白光LED的途径有多种，目前使用最为普遍最成熟的一种是通过在蓝光晶片上涂抹一层黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合成白光，所以荧光粉的材质对白光LED的衰减影响很大。市场上最主流的荧光粉是YAG钇铝石榴石荧光粉、硅酸盐荧光粉、氮化物荧光粉，与蓝光LED芯片相比荧光粉有加速老化白光LED的作用，而且不同厂商的荧光粉对光衰的影响程度也不相同，这与荧光粉的原材料成分关系密切。

（4）荧光胶水对白光LED光衰的影响

传统封装的白光LED，荧光胶一般采用环氧树脂或硅胶，经过光衰实验的结果得出，用硅胶配粉的白光LED寿命明显比环氧树脂的长。原因之一是用以上两种方法封装成成品白光LED，硅胶比环氧树脂抗紫外线能力强且硅胶散热效果比环氧树脂好。但在相同条件下，用硅胶配粉的初始亮度要比环氧树脂配粉的要低，最主要的原因是由于硅胶的折射率（1.3～1.4）比环氧树脂（1.5以上）低，所以初始光效不及环氧树脂高。

（5）支架对白光LED光衰的影响

白光LED支架主要有铜支架和铁支架。铜支架导热、导电性能好，价格高。铁支架的导热、导电性能相对较差，更容易生锈，但价格便宜。市场上的白光LED大部分使用铁支架。不同材料的支架对白光LED的性能影响也不同，特别是对光衰的影响尤为突出。这主要是由于铜的导热性能比铁好很多，铜的导热系数为398W/m.k，而铁的导热系数只有50W/m.k左右，仅为前者的1/8，这还与支架的电镀层厚度密切相关。在选用支架时，还要注意支架的碗杯大小是否与发光芯片以及模粒匹配，其匹配质量的优劣，直接影响白光LED的光学效果，否则容易造成光斑形状不对称、有黄圈以及黑斑等，直接影响到产品的质量。

各种品牌的白光LED的光衰是不同的。通常白光LED的生产厂家都给出一套标准的光衰曲线。美国Cree公司生产的LED的光衰曲线就如图2-28所示。

从图2-28中可以看出，白光LED的光衰是和它的结温有关。所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图2-28还可以看出，假如结温为105℃，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95℃就有20000h，而结温降低到75℃，寿命就有50000h，65℃时可以延长至90000h。所以延长寿命的关键就是要降低结温。这些数据只适合于Cree公司生产的白光LED，并不适合于其他公司的LED。

图2-28 Cree公司生产的LED的光衰曲线

7.白光LED的研发动向

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，到相当于白炽灯光效的15lm/W，后又提高到相当于卤钨灯光效的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。

为获得高演色性（R_a≥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是紫外光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1W的和5W的白光LED已有批量的产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高了发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，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，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%，而这种功率型白光LED在工作12000h后，仅下降10%，估计工作50000h后下降30%。这种功率型白光LED的最高效率达到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。Lumileds公司采用460nm的LED配以SrGa2S4：EV2+（绿色）和SrS：EV2+（红色）荧光粉，色温可达到3000～6000K，R_a达到82～87，较前述产品有所提高。

3）InGaN（紫外）/（红+绿+蓝）荧光粉。目前，日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385～405nm的紫外LED。丰田公司已生产此类白光LED，其R_a≥90，但发光效率还不够理想。日亚公司于最近制得365nm、1mm²、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好的效果。

（2）双芯片

可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成白光LED，此种器件成本比较便宜，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R_a>80的白光LED，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，R_a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的程度。

（4）四芯片（蓝色+绿色+红色+黄色）LED

采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成R_a>90的白光LED。此外，NorlVx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2-11是日亚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、平均演色评鉴数R_a等照明光源必备的光学特性比较。

表2-11 BY、RGB、OYGB白光LED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，涵盖从3000～6500K的范围，同时还可以得到R_a＞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。

有关21世纪光源计划小组的RGB白光LED色度变化，由于它的色度变化是沿着等偏差线变化，因此一般认为可由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的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，因此可以获得发光色很稳定的白光。最后是有关发光效率，日亚的BY白光LED的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（R_a>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，基于此观点近紫外、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。

未来白光LED在技术上有朝三波长全彩的方向发展，在亮度上目前为15lm/W，未来的目标是达到50lm/W。因此三波长全彩、高流明、低成本是白光LED的发展趋势。白光LED未来研发动向见表2-12。

表2-12 白光LED未来研发动向