白光發光二極管的制作方法(二)——藍光LED加熒光粉

    最簡單的白光LED是在藍光LED上加黃色熒光粉得到的，又稱其為1-PCLED（Phosphor Converted LED），其基本構造如圖1所示。因為這種LED采用了環氧樹脂封裝，所以光易于放出，所用熒光粉主要成分是YAG：Ce，其化學組成是（Y_1-aGd_a）₃(Al_1-bGa_b)O₁₂：Ce³⁺，Gd(Gadolinum，釓)可以改變Ce³⁺晶體電場，使光的波長增加而發黃光，圖2(a)是465nm藍光LED在室溫20mA時的電致發光（EL：Electroluminescence）光譜，圖2(b)是藍光LED激發YAG：Ce熒光粉所產生的光譜，產生555nm黃光，此黃光與藍光混合而成白光。圖3是不同含量YAG：Ce熒光粉在色度圖中的位置，圖中并有藍光LED與不同含量熒光粉所產生白光在圖中的位置。

    R.Mueller-Mach等人用理論計算出，當LED與熒光粉發光功率不同比例時，460nm藍光LED加YAG：Ce熒光粉所產生白光的色溫CCT值、演色性R_a值及發光效率列在圖4的插表中，圖4是其光譜圖。當色溫大于5000K時，R_a>80。圖5(a)是同一成分P7193熒光粉所產生白光的CCT分布圖及其R_a值，圖5(b)則是同一波長藍光LED但成分不同的YAG熒光粉所產生白光的CCT分布圖及其R_a值，由圖可知，R_a的值均在60~80范圍的值，似乎不太理想。{{分頁}}

    R.Mueller-Mach等人又用理論計算出，pn結溫度對1-pcLED的影響，其結果如圖6 (a)所示，圖6 (b)是實驗結果，兩者頗為相近，由圖可見，溫度上升時，色溫及R_a值均上升。

    M.R.Kramas等人發現，如果將熒光粉隨意放在LED芯片上，如圖7(a)所示發光均勻性不佳，所以改變方式如圖7(b)所示，將熒光粉均勻地涂在LED表面上，圖7(c)則比較兩者的CCT及R_a值，發現用圖7(b)方法者其CCT值變動甚少。圖8是Lumiled公司2002年發表的最佳白光結果，光輸出在350mA時大于40 lm。{{分頁}}

    YAG：Ce熒光粉因為缺少紅色，所以R_a值不高，G.O.Mueller等人加強YAG：Ce的紅色使R_a值>90，其光譜如圖9所示。

    因為一個熒光粉的R_a值較低，R.Mueller-Mach等人利用了兩種熒光粉，一種熒光粉產生綠光TG：Eu(SrGa₂S₄：Eu2+)，另一種熒光粉產生紅光SrS：Eu²⁺，圖10是此兩種熒光粉的激發及輻射光譜。圖11所示是TG：Eu熒光粉特性以及激發與輻射光譜。

    R.Mueller-Mach等人又用理論計算出，在藍光LED加以上兩種熒光粉后的、在不同B/G/R發光功率時的光譜，如圖12所示，圖中有插表，可見其R_a值大于90。圖13是藍光LED及TG：Eu與SrS：Eu熒光粉在CIE色度圖中的位置。圖14所示是實驗結果，圖14(a)是用不同R/G/B發光功率做成白光的光譜，R_a>85，CCT=3200~4400K，圖14(b)是2pcLED的R_a與CCT值的關系，大部分Ra大于80。{{分頁}}

    H.Wu等人用SrGaS₄：Eu²⁺作藍色熒光粉、用Ga_1-xSr_xS：Eu²⁺作紅色熒光粉得到的白光LED的CCT約為5937K，R_a約為92.2，K約為15 lm/W。

    最近R.Mueller-Mach等人用6組兩種熒光粉、用Ga_1-xSr_xS：Eu²⁺作紅色熒光粉得到CCT=3000K的白光，這6種組合的光譜如圖15所示，圖中附表是此6種組合產生的白光在3000K時的R_a及發光效率K值，并有詳細的R₁到R₈值及平均值R_a，另附有R₉值以表示其紅色的反應在32~86之間，紅色似乎不夠高。

    因為1pc缺乏紅色，所以R.Mueller-Mach等人在YAG：Ce熒光粉上加深紅色熒光粉CaS：Eu²⁺改變其比例，得到如圖16所示的不同色溫的光譜，圖中附表有R₁到R₈的值及R_a平均值，以及R₁至R₁₄的R平均值，在CCT 2880K時R_a約為91.9、R約為88.9， CCT=3300K時R_a約為93.2、R約為90.9，CCT=3800K時，R_a約為94.4、R約為92.8。

    Nichia公司的I.NiKi等人利用最新發展的藍光LED（19.3mW@20mA，η_ext~35.8%）與YAG熒光粉制成高功率白光LED，其光強度、發光效率與電流的關系如圖17(a)所示，CCT=5470K，η_L=61.4 lm/W，在CIE色度圖中的坐標是當0.333mA、0.346mA、20mA時4.22 lm(3.44V)，比白熾燈亮四倍，在低電流時η_L約為 100 lm/W。圖17(b)所示是R_a值與色溫CCT的關系，在色溫高是R_a尚可，但是在低色溫時，R_a因缺少紅色而下降。本想建議用有硫（S）的熒光粉以增加紅色，但因有硫的材料不穩定故另行發展了新的熒光粉，圖17(c)中比較了短YAG（黃光 540nm）、長YAG（黃光570nm）及新的紅色熒光粉(655nm)的PLE光譜，圖17(d)是短YAG、長YAG、新的紅色熒光粉受藍光激發時的放射光譜。{{分頁}}

    圖18(a)中比較了高演色性白光LED與目前已商品化的白光LED的光譜，高演色性白光LED是在藍光LED上加短YAG及新的紅熒光粉而制成的。由圖可知，高演色性白光LED的紅色部分增加。圖18(b)中比較此兩種LED的演色性，可見高演色性白光LED的R_a值較高，圖18(c)中則比較高功率及高演色性白光LED的光譜，這兩種LED是比較暖和的白光LED，高功率白光LED在20mA時1.49 lm，CCT約為2810K，η_L約為23.1 lm/W，R_a=72.5，高演色性白光LED在20mA時1.23 lm，CCT約為2830K，η_L約為18.9 lm/W，R_a=87.5。圖18(d)中比較高及高演色性白光LED的R_a值，高演色性白光LED的R_a值較高。

最近H.Y.Chou等人在藍光LED上加YAG熒光粉得到的R_a值約為70，然后再加上625nm紅光LED或者617nm紅橘光LED，將R_a值提高到80以上，而CCT接近3500K。