工程師分享:無熒光體雙波長白光LED分析

　　前言

　　白光LED依照發(fā)光方式，大致上可以分成3種，其中波長介于410~460nm的藍(lán)光LED+黃色熒光體產(chǎn)生白光的方式最普遍，同時也是效率與量產(chǎn)性最好的方式，不過各LED廠商握有各式各樣的專利，加上熒光體本身的生產(chǎn)管理還未建立，因此不易作低價大量生產(chǎn)。

　　除此之外波長介于365~460nm的紫外光+RGB熒光體的白光方式，以及組合RGB三個光原色方式同樣可以獲得白光，不過紫外光方式的封裝材料與周邊組件，長時間暴露在紫外光環(huán)境下有劣化之虞，RGB方式則有波長漂移與控制復(fù)雜等困擾，因此國外業(yè)者開發(fā)雙波長白光LED。

　　發(fā)展歷程

　　圖1是傳統(tǒng)藍(lán)光LED+熒光體，與雙波長白光LED的封裝結(jié)構(gòu)比較，由圖可知雙波長白光LED具備不需作熒光體比率換算與含有量管理，同時還可以徹底解決RGB三原色LED驅(qū)動電路復(fù)雜化問題，獲得的輝度、波長、演色性，還可以在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整。

　　圖2是傳統(tǒng)白光LED與雙波長白光LED的發(fā)光原理比較，由圖可知傳統(tǒng)白光LED，利用熒光體包覆GaN系藍(lán)色芯片獲得白光，雙波長白光LED則利用芯片單體獲得白光。

　　雙波長白光LED基本結(jié)構(gòu)是在芯片單體上，同時產(chǎn)生藍(lán)光與黃綠光，再以極短距離使藍(lán)光與黃綠光混色獲得擬似白光，該擬似白光具有傳統(tǒng)白光LED無法達(dá)成的高透明純凈感。

圖3是傳統(tǒng)白光LED與雙波長白光LED芯片的結(jié)構(gòu)比較，由于LED廠商握有各式各樣的專利，因此此處只能作概略性說明。如圖所示雙波長白光LED芯片的緩沖Multi Dot Active主要是由：
˙多點主動（Multi Dot Active）層
˙活性層
˙Air Ocean層

　　構(gòu)成，當(dāng)藍(lán)光與黃綠光兩相異波長同時發(fā)光時，該部位扮演非常重要的角色，因此研究人員建立各模層的長晶技術(shù)，使雙波長白光LED能夠順利進(jìn)入實用階段。

　　雙波長白光LED的特征

圖4是目前LED主流藍(lán)光LED+黃色熒光體，與雙波長LED的組件特性比較結(jié)果，由圖可知雙波長LED的主要特征，分別是：

˙制程上可以調(diào)整色調(diào)分布不均
˙可作白色以外發(fā)光
˙長壽命

主流藍(lán)光LED+黃色熒光體組合的白光LED，最大問題是它的黃色熒光體壽命，比藍(lán)光LED芯片壽命短。LED芯片的使用壽命隨著使用環(huán)境不同，大約是8~10萬小時，然而熒光體的使用壽命卻只有1~4萬小時。

相較之下雙波長白光LED完全未使用熒光體，組件的使用壽命與LED芯片一致，可作長時間使用，這意味著雙波長白光LED，對今后照明用途應(yīng)用時具有深遠(yuǎn)的影響。

此外雙波長白光LED完全未使用熒光體，它還可以透過芯片制作過程，調(diào)整色調(diào)的分布，尤其是傳統(tǒng)白光LED封裝時，藍(lán)光LED的波長與光主力必需限制在狹窄的范圍內(nèi)，接著再利用熒光體的含量調(diào)整，進(jìn)行繁瑣復(fù)雜的制程控制，相較之下新型雙波長白光LED，在制程的良品率具有絕對優(yōu)勢。

雖然目前絕對生產(chǎn)數(shù)量還未達(dá)到量化階段，不過雙波長白光LED設(shè)計時采用較大的色調(diào)范圍，若將今后的普及化后牽動的生產(chǎn)效率問題，以及組件供應(yīng)一并列入考慮，新型雙波長白光LED的成本，擁有絕對的競爭優(yōu)勢，尤其是面對微型封裝與復(fù)數(shù)組件封裝時，它可以輕易滿足客戶要求的嚴(yán)苛基板光源光學(xué)特性。

新型雙波長白光LED是由藍(lán)光、綠光構(gòu)成，因此可以作白色以外的柔性色彩發(fā)光，具體方法是控制水色系與藍(lán)綠色系的波長，依此獲得的色調(diào)比使用熒光體的LED更純凈色彩，非常適合對色度要求非常嚴(yán)苛的LCD背光模塊使用。

上述發(fā)光亮度已經(jīng)達(dá)到實用化階段，若與藍(lán)光LED+黃色熒光體的高輝度白光LED比較，新型雙波長白光LED的輝度毫不遜色。

此外透過組件表面加工方法的改善，新型雙波長LED的亮度比傳統(tǒng)白光LED更優(yōu)秀。有關(guān)新型雙波長白光LED的演色性，由于它是由藍(lán)光+黃綠光構(gòu)成，因此幾乎沒有紅光混光的困擾。

　　波長分布特性

如上所述新型雙波長白光LED，利用藍(lán)光與黃綠光兩個相異波長同時發(fā)光獲得白光。圖5是新型雙波長白光的波長特性，由圖可知藍(lán)光的峰值波長大約是405nm，黃綠光的峰值波長大約是570nm，因此幾乎沒有紅光成份。

新型雙波長白光LED未來有待克服的課題，是擴大黃綠光波長范圍。相較之下目前主流藍(lán)光LED+黃色熒光體的白光LED組合，在黃色熒光體成份中含有紅光成份，因此它的演色性不如雙波長白光LED。

圖6是接近黃綠光色調(diào)LED的波長特性，由圖可知新型雙波長白光LED的藍(lán)光峰值波長幾乎固定，黃綠光的峰值波長與流藍(lán)光LED+黃色熒光體的白光LED不同，非常接近530nm，這也是黃綠光與藍(lán)光組合后，能夠?qū)崿F(xiàn)軟調(diào)色彩的主要原因。

新型雙波長白光LED的另一個特征，是混合黃綠光水色系的波長分布特性。如圖7所示由于藍(lán)光變成強色調(diào)，因此藍(lán)光端的峰值波長幾乎固定，黃綠光的峰值波長則朝短波長端移動，相較之下其它色調(diào)的藍(lán)色端與綠色端輸出幾乎一定。

換言之新型雙波長白光LED，主要降低綠色端的輸出，達(dá)成軟調(diào)色彩的目的，此處要強調(diào)的是新型雙波長白光LED，可以依照實際需要在一定范圍內(nèi)，自由調(diào)整黃綠光與藍(lán)光的發(fā)光波長，獲得前所未有的LED發(fā)光色。

以上介紹新型雙波長白光LED的優(yōu)點，在此同時研究任人員充分利用傳統(tǒng)封裝技術(shù)，試圖改善新型雙波長白光LED的缺點，藉此建立高輝度化、低成本的技術(shù)。

提高輝度除了選擇高效率封裝方式之外，透過磊晶封裝還可以有效提高輝度，還能夠增加新型雙波長白光LED的附加價值。

雙波長白光LED與藍(lán)光LED一樣，都是對靜電非常脆弱的InGaN系半導(dǎo)體組件，因此使用可以提高輝度的多芯片封裝方式時，必需同時將靜電保護(hù)組件一起封裝（圖8）。

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