白光LED的特征
(1).利用藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光體之白光LED
圖5是圓頭桶狀型白光LED(10cd級(jí))的發(fā)光頻譜溫度依存特性圖(20～160 )，該圓頭桶狀型白光LED 燈泡是由復(fù)數(shù)LED矩陣(array)所構(gòu)成，室溫時(shí)藍(lán)光LED的波長(zhǎng)最大值為465nm。波長(zhǎng)555nm的黃光是由具有150nm發(fā)光幅寬(broad)的YAG:Ce3+離子(5d→4f遷移)所構(gòu)成。YAG:Ce3+的發(fā)光激發(fā)波長(zhǎng)設(shè)于460nm，隨著溫度上升465nm最大發(fā)光激發(fā)波長(zhǎng)會(huì)遷移到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)段，這與InGaN半導(dǎo)體的禁止波長(zhǎng)領(lǐng)域的溫度變化相同。555nm的黃光波長(zhǎng)區(qū)段則幾乎不會(huì)有遷移現(xiàn)象，不過(guò)如此一來(lái)發(fā)光強(qiáng)度卻會(huì)急遽下降。主要原因根據(jù)推測(cè)可能是溫度上升后藍(lán)光LED的最大發(fā)光波長(zhǎng)遷移到長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)段，YAG:Ce激發(fā)區(qū)段的共鳴位置依序偏移，造成發(fā)光強(qiáng)度隨之下降。由于白光LED的發(fā)光特性受到溫度的影響，因此溫度若超過(guò)500C時(shí)黃色發(fā)光強(qiáng)度會(huì)急遽下降，白光的演色性變差，色度則大幅偏移。
圖6是白光LED發(fā)光效率的順?lè)较蚱珘?bias)依存特性圖，由圖可知白光LED的偏壓約為 mA，換言之每一mA的發(fā)光效率約等于45lm/W。不過(guò)10，20mA時(shí)則變?yōu)?7與23lm/W，如此高的發(fā)光效率可能是藍(lán)光LED本身具有很高的內(nèi)部量子效率，以及低電流時(shí)的高注入效率所造成。一般而言紅光AlGaAs與黃光AlInGaP LED并不具備這種特征，不過(guò)整體而言有關(guān)高發(fā)光效率的物理機(jī)制仍不清楚。此外藍(lán)光LED無(wú)法接受超過(guò)50mA的直流高電流，也就是說(shuō)藍(lán)光LED的發(fā)光有它的極限。
(2).利用UV LED激發(fā)R.G.B熒光體之白光LED
圖7是白光LED結(jié)構(gòu)圖。如上所述紫外線(UV)LED屬于InGaN系LED(發(fā)光波長(zhǎng)382nm)，它是由高反射率的金屬電極與覆芯片(chip)和藍(lán)寶石基板取光結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，可被紫外線LED波長(zhǎng)激發(fā)變成白光之熒光體則涂布于作為紫外線反射膜之玻璃基板表面，之后貼附于紫外線LED芯片上方，紫外線LED芯片端緣則鍍有一層可把紫外線轉(zhuǎn)換成可視光的膜層。。不論熒光體膜厚、紫外線反射膜有無(wú)、芯片端緣膜層有無(wú)，白光LED的發(fā)光特性量測(cè)方法與傳統(tǒng)的熒光燈管完全相同。
圖8是室溫時(shí)注入型發(fā)光頻譜的電流注入依存特性。如圖所示10mA時(shí)發(fā)光波長(zhǎng)為382nm(3.24eV)，半值幅100nm時(shí)卻隨著電流的增加，發(fā)光波長(zhǎng)會(huì)朝短波長(zhǎng)區(qū)段移動(dòng)，最后造成發(fā)光broad。100mA時(shí)則移動(dòng)至3.14 eV(約等于394nm)低能量范圍。
圖9是UV LED所使用可產(chǎn)生白光的激發(fā)源紅色(Y2O2S:Eu3+)，綠色(ZnS:Cu,Al)，藍(lán)色(Sr,Ca,Ba,Mg)10(PO4)6(Cl2:Eu2+)等熒光體混合物的發(fā)光頻譜電流注入依存性。由圖可知發(fā)光強(qiáng)度最大值(peak)分別依附于波長(zhǎng)626，528，447nm范圍內(nèi)，即使增加注入電流發(fā)光頻譜也沒(méi)有顯著的改變，反而是發(fā)光強(qiáng)度隨著電流的增加成直線型成長(zhǎng)。此時(shí)白光LED的發(fā)光效率約為10lm/W，平均演色指數(shù)Ra可透過(guò)R.G.B熒光體劑量的最佳化選擇而達(dá)到83～90左右。
圖10是利用UV光激發(fā)之白光LED與藍(lán)光激發(fā)之白光LED的電流注入色度依存性。如圖所示注入電流從1～150mA的增加，藍(lán)光與YAG所構(gòu)成的LED，藍(lán)光反而逐漸變強(qiáng)，白光的色度變化則顯著改變；而UV光激發(fā)之白光LED幾乎沒(méi)有發(fā)生任何變化，換句話說(shuō)利用UV激發(fā)R.G.B之白光LED照明光源可透過(guò)熒光體的組合獲得Ra值超過(guò)90之高演色性白光，使得未來(lái)一般室內(nèi)用照明的應(yīng)用范圍更加廣闊。
圖10 兩種白光LED的色度電流注入依存度
(3).利用R.G.B三色LED組合之白光LED
R.G.B三色LED所構(gòu)成的白光LED技術(shù)上可說(shuō)是最單純(simple)，但是至今還遲遲無(wú)法商業(yè)化，主要原因是R.G.B三色LED的半導(dǎo)體材質(zhì)彼此差異極大，因此驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也變得極為煩瑣復(fù)雜。就以實(shí)例來(lái)說(shuō)紅光LED的驅(qū)動(dòng)電壓為1.8V，其它兩色綠光與藍(lán)光則為3.5V，且R.G.B三色的發(fā)光波長(zhǎng)分別是紅光640nm，綠光525nm，藍(lán)光470nm(圖11)，彼此的半幅值相當(dāng)狹窄，因此R.G.B三色LED所構(gòu)成的白光LED距離實(shí)用階段，除了技術(shù)上還有許多問(wèn)題有待克服之外，每顆白光LED20～40美元的成本也是實(shí)用化的阻力之一。雖然美國(guó)業(yè)者曾經(jīng)利用藍(lán)綠光LED(波長(zhǎng)500nm)與琥珀色LED(波長(zhǎng)612nm)的互補(bǔ)色關(guān)系制作虛擬白光LED(BCW:Binary Complementary White)，但實(shí)際上Ra值相當(dāng)?shù)鸵虼饲熬安⒉粯?lè)觀。
化合物半導(dǎo)體長(zhǎng)晶技術(shù)的不斷進(jìn)步、成本降低以及封裝技術(shù)的改善，今后更有機(jī)會(huì)制作出非常完美的照明用白光LED。例如波長(zhǎng)分別是紅光459.7nm，綠光542.4nm，藍(lán)光607.3nm R.G.B三色LED的組合，Ra值約為80，K值為400 lm/W，設(shè)若各LED的外部量子效率為20%時(shí)，K值便成為80 lm/W，如此一來(lái)便可獲得足夠的亮度。
白光LED照明應(yīng)用的課題
白光LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域還有諸多問(wèn)題需要解決，首先是白光LED的效率提升，例如GaInN系的綠光、藍(lán)光以及近紫外光LED的效率仍有很大的進(jìn)化裕度。此外綜合能源效率(wall plug efficiency)的內(nèi)部量子效率提升可說(shuō)是最重要的項(xiàng)目(item)，內(nèi)部量子效率是由活性層的非發(fā)光再結(jié)合百分比與發(fā)光再結(jié)合百分比所決定，因此可以把焦點(diǎn)鎖定在非發(fā)光再結(jié)合這部份，并設(shè)法降低結(jié)晶缺陷瑕疵。如上所述減少紫外線LED的轉(zhuǎn)位密度確實(shí)可以明顯提高內(nèi)部量子效率，未來(lái)必需針對(duì)紫外線LED更加減低它的轉(zhuǎn)位密度。不過(guò)這項(xiàng)對(duì)策對(duì)綠光、藍(lán)光LED并沒(méi)有明顯的影響。若是以高電流密度作高輸出之照明用途的立場(chǎng)與結(jié)晶的可靠度觀之，低轉(zhuǎn)位化就變得極為關(guān)鍵性。
此外綠光與藍(lán)光LED在低電流密度(約1A/cm2左右)時(shí)具有最大量子效率，高電流密度時(shí)量子效率反而會(huì)下降(圖12)。從成本觀點(diǎn)考量時(shí)則希望LED能夠以高電流密度來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開(kāi)綠光與藍(lán)光LED高電流密度時(shí)量子效率下降的動(dòng)作機(jī)制與原因，不單是材料物理特性探索上的需要而已，這項(xiàng)研究對(duì)于未來(lái)應(yīng)用層面來(lái)說(shuō)也是具有關(guān)鍵性的角色。目前的研究顯示紫光LED(波長(zhǎng)382nm)即使施加高電流密度(50A/cm2) 量子效率也不會(huì)下降。
圖12 GaInN系LED量子效率的 電流密度依存性
傳統(tǒng)的LED都是將200～350μm方形chip封裝成圓頭柱狀外形，之后為了獲得照明所需要的光束，再將已封裝之復(fù)數(shù)個(gè)LED組件(device)排列成矩陣狀，若從成本面與組件特性的角度觀之，如此設(shè)計(jì)似乎顯得有點(diǎn)不務(wù)實(shí)。單純基于高輸出功率為目地特別開(kāi)發(fā)出面積比以chip往大6～10倍，外形尺寸更高達(dá)500μm～1mm的LED，雖然封裝后可獲得數(shù)百mW(數(shù)十lm)的輸出功率，不過(guò)實(shí)際上一昧加大chip外形尺寸，反而會(huì)使LED內(nèi)部的光吸收比率增加，外部取光率降低等反效果。就以AlGaInP系LED為例，chip外形尺寸從0.22x0.22mm2加大為0.50x0.50mm2后，測(cè)試結(jié)束顯示外部取光率反而降低20%左右。如果改用上述TIP結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部多重反射的結(jié)果使得內(nèi)部光吸收率降低，外部取光率則明顯的提高。同理轉(zhuǎn)用于GaInN系LED也有相同的效果，由此獲得的結(jié)論就是如何提高LED chip(芯片)的外部取光率是LED應(yīng)用于一般照明領(lǐng)域的主要關(guān)鍵。此外熱阻抗高達(dá)150～200K/W，如此高的熱阻抗對(duì)日后高亮度輸出的需求相當(dāng)不利。LED內(nèi)部量子效率對(duì)活性層溫度的依存度極大，因此除了低熱阻抗封裝技術(shù)之外，利用散熱片(heat sink)排除活性層的熱流變成日后必需嚴(yán)肅思考的決擇。圖13為另類LED封裝的外觀圖，在中央部位是圓柱形金屬材質(zhì)所構(gòu)成的散熱片兼光線反射罩，LED chip所產(chǎn)生的熱能透過(guò)此散熱片傳遞至外部，這樣的結(jié)構(gòu)可使封裝后的LED組件熱阻抗維持在10～15K/W左右，相當(dāng)于傳統(tǒng)圓頭柱狀封裝的十分之一以下。未來(lái)則必需根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需求，開(kāi)發(fā)各種低熱阻抗的封裝技術(shù)。圖14是白光LED發(fā)展履歷統(tǒng)計(jì)表，如圖所示白光LED進(jìn)入一般的照明領(lǐng)域并低價(jià)大量生產(chǎn)，依目前的技術(shù)發(fā)展進(jìn)度觀之預(yù)估是2010年以后吧！
結(jié)語(yǔ)
目前已商品化的圓頭柱狀白光LED大多是利用色互補(bǔ)關(guān)系產(chǎn)生的仿真白光，結(jié)構(gòu)上藍(lán)光與黃光之間的色差，加上模擬光容易使人產(chǎn)生一種不協(xié)調(diào)感(stress)，此外無(wú)法獲得高演色性(Ra>90)，且高電流時(shí)會(huì)有色度偏差等問(wèn)題，都是今后仍需努力的方向。
國(guó)內(nèi)外業(yè)界普遍認(rèn)為一般照明用白光LED的預(yù)期功能，在2010年之前發(fā)光效率應(yīng)該可達(dá)到100lm/W，組件單位光束為25lm以上，每單位流明(lm)成本必需低于100美金，壽命可望超過(guò)十萬(wàn)小時(shí)。
如上所述白光LED具有輕巧、省電、壽命長(zhǎng)、亮度高等特征，因此英、美、日等國(guó)家先后成立國(guó)家規(guī)模的研究單位，試圖在未來(lái)能搶奪商業(yè)先機(jī)。身處在如此激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，加上嚴(yán)苛的預(yù)期功能可以肯定的這將是一場(chǎng)純腦力的國(guó)際爭(zhēng)霸戰(zhàn)。 |
