白光發(fā)光二極管的制作方法(一)——利用顏色光二極管

　　LED的優(yōu)點(diǎn)是無斯托克斯位移（Stokes Shift）的損失，而且也可以得到高演色性，但是價(jià)格比較高，而且每個(gè)顏色LED的η_wp不一樣，并且受電流及溫度的影響大。圖1(a)所示是η_wp與波長(zhǎng)即不同顏色LED的關(guān)系。由圖可知，每一個(gè)波長(zhǎng)其η_wp不一樣，尤其是在570nm附近時(shí)η_wp最低，是一大難題。最新資料表明，波長(zhǎng)為450nm時(shí)η_wp為43%，可見已在逐步改進(jìn)中。另外，LED光強(qiáng)度受電流及溫度的影響，例如圖1(b)中的藍(lán)光LED波峰隨溫度及電流的改變而改變。圖2則是紅光、綠光、藍(lán)光及琥珀光LED受溫度影響的結(jié)果。由圖可知，藍(lán)光尚是受溫度影響最少的光。圖3是波長(zhǎng)為502nm及527nm的LED的受光效率與電流的關(guān)系，電流愈大效率愈低。這些都是影響用各色LED制作白光LED的特性。

    用多個(gè)不同顏色LED產(chǎn)生白光的方法很多，可以用兩個(gè)以上的LED即可。A.Zukauskas等人計(jì)算了采用2~5個(gè)不同波長(zhǎng)LED產(chǎn)生白光的K及R_a值，圖4是不同波長(zhǎng)LED的譜功率分布(SPD：Spectral Power Distribution)圖，圖中有不同波長(zhǎng)的LED的K及R_a值，由圖可見采用2個(gè)LED時(shí)，K值高約430lm/W，但R_a值非常低約等于3；采用5個(gè)LED時(shí)K值較低約324lm/W，但R_a值為99，采用3個(gè)LED時(shí)R_a值可達(dá)85。A.Zukauskas等人又采用不同數(shù)目的LED產(chǎn)生白光時(shí)的波長(zhǎng)及R_a的關(guān)系如圖5所示，圖中指出，如果只用兩個(gè)LED，則R_a值不易超過20，3個(gè)LED時(shí)R_a值可達(dá)90。若要超過90，則需要4個(gè)以上光源。

    基本上采用兩個(gè)光源就可以產(chǎn)生白光（如藍(lán)光和黃光），只是其R_a值低。圖6所示是X.Guo等人計(jì)算出的當(dāng)一個(gè)光源波長(zhǎng)為380~500nm時(shí)所需第二個(gè)光源的互補(bǔ)波長(zhǎng)。圖7(a)所示與Y.Li計(jì)算出的表示互補(bǔ)波長(zhǎng)的圖6所示結(jié)果有點(diǎn)差距，圖中并有不同半高寬時(shí)的發(fā)光效率與波長(zhǎng)的關(guān)系；圖7(b)則是利用三個(gè)不同波長(zhǎng)455nm、530nm及610nm在不同光譜半高寬ΔE=5kT及8kT時(shí)的光譜，圖中實(shí)線是普朗克輻射體的光譜。{{分頁}}

    將R.Mueller-Mach等人研究的460-530-630(nm)及450-550-610(nm)兩種三色LED產(chǎn)生白光LED的結(jié)果，如圖8 所示。在該色度圖中，實(shí)線代表460-530-630(nm)，而虛線則代表450-550-610(nm)。圖9是460-530-630(nm)在不同色溫時(shí)的光譜，圖中表所列是當(dāng)改變藍(lán)綠紅三色成分時(shí)得到的不同R_a值、CCT色溫及發(fā)光效率K。由圖可知，用此三色組成的白光雖然接近普朗克線，但是其演色性極低。圖10是用460-550-610(nm)三色所組成的白光在不同結(jié)溫度及色溫時(shí)的光譜，附表也列出在不同結(jié)溫度時(shí)的R_a、CCT及K值，用此三色R_a值可以大于80，但受溫度的影響。所以，采用460-530-630(nm)三色產(chǎn)生白光可以得到較好的K值，但是R_a值太低，而采用460-550-610(nm)產(chǎn)生白光雖然R_a值增加，但是導(dǎo)致其他問題的產(chǎn)生，因?yàn)?10nm AlGaInP LED受溫度影響大，而550nm InGaN LED的發(fā)光效率及光的穩(wěn)定性均差。

    因?yàn)長(zhǎng)ED光源易受電流及溫度的影響而導(dǎo)致顏色錯(cuò)誤（Color Error），S.Muthu等人利用圖11（a）中的Δuv值具體表示改變光源時(shí)的影響。{{分頁}}

（u,v）是變動(dòng)的坐標(biāo)，而（u₀，v₀）是該顏色所需要的坐標(biāo)。一般日光燈的Δuv都在0.003 內(nèi)。由圖可知，當(dāng)改變紅色及綠色的發(fā)光強(qiáng)度10%時(shí)，將使Δuv大過0.005，超過日光燈的要求，改變LED的溫度會(huì)改變光輸出功率及波長(zhǎng)。由圖11 (b)所示可知，當(dāng)溫度增至T=60℃（改變10℃）時(shí)Δuv將改變?yōu)?.005。S.Muthu建議用反饋控制（Feedback Control）以減少Δuv。圖12所示是有無反饋控制的結(jié)果，有控制及散熱設(shè)備時(shí)，Δuv可以小于0.002。

    A.Zukauskas等人由于570nm LED發(fā)光效率太低，因此不用該色而用其他顏色制作白光并對(duì)其可能性與結(jié)果進(jìn)行了討論。他們采用四個(gè)顏色LED及反饋控制得到了如下結(jié)果。

    在表1中列出A.Zukauskas采用2~5個(gè)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在不同顏色時(shí)的特性，可惜沒有與表1中結(jié)果完全吻合。圖13(a)所示是采用三個(gè)顏色在色溫5800K時(shí)可以得到的發(fā)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；圖13(b)所示是603-520-420(nm)點(diǎn)的放大圖，圖中并有四條采用四個(gè)顏色LED時(shí)的延伸線。圖14所示是在不同色溫下要得到1000 lm白光時(shí)四個(gè)顏色645-603-520-452(nm)所需要的發(fā)光功率。引四種顏色LED也可在市場(chǎng)上獲得。若用反饋控制來控制溫度得到白光，其R_a大于80，他們并用此白光來作醫(yī)療光源醫(yī)治SAD（Seasonal Affective Disorder），取得了成功。

    圖15(a)所示是不同類型的視網(wǎng)膜的感光靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系，L型、M型及S型是圓錐體對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)、中波長(zhǎng)及短波長(zhǎng)的感應(yīng)曲線，圖15(b)及(c)是四色在2856K及6504K時(shí)的光譜，在2500~6500K范圍內(nèi)改變色溫可以改變紅光及藍(lán)光的強(qiáng)度比。紅光及琥珀光對(duì)L型圓錐體感應(yīng)強(qiáng)，而綠光激發(fā)L 型及M型，黃光激發(fā)三者，所以改變色溫，則相對(duì)間的感應(yīng)可以改變，這樣可以改變顏色以配合不同的治療。{{分頁}}

    圖16所示是Osram公司用6個(gè)不同顏色LED所得的光譜，CCT=4000K，R_a=92，K=33lm/W，要得到150lm/W,則外部量子效率要增加2~5倍。

    以上是介紹的是一種LED發(fā)光一種顏色的情況，下面介紹如何用一個(gè)LED產(chǎn)生多種顏色。

    I.Ozden等人用隧道結(jié)（Tunneling Junction）做成兩個(gè)顏色（470nm及535nm）雙波長(zhǎng)LED，其結(jié)構(gòu)如圖17(a)所示，在隧道結(jié)上下均有InGaN/GaN MQW，但是In含量不同，其I-V特性曲線不同，如圖17(b)所示，光譜如圖18所示，是接近白光（Near White）的LED。

    C.H.Chen等人在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)綠光InGaN/GaN LED，然后在其上再生長(zhǎng)藍(lán)光InGaN/GaN LED，其結(jié)構(gòu)如圖19(a)所示，圖19(b)是表面電接觸圖。圖20(a)所示是在不同電流時(shí)的LED的光譜，此LED是采用大面積2.1mm