征服LED之不得不看的重要概念

    光谱

　　表示相对于光的波长，光的强度的分布。led的光谱一般为单色LED，例如蓝色LED以波长470nm时为峰值呈山峰分布，以峰值波长较短的紫外领域和峰值波长较长的绿色领域为光的强度的测定极限。而白炽灯的光谱，其发光强度广泛分布于400nm多的蓝色领域至700nm多的近红外领域，在紫外领域和红外领域也能观测到发光强度。荧光灯方面，组合使用的荧光体的发光波长部分为光谱的峰值。

　　与普通红色、绿色和蓝色LED的光谱峰值只有一个相比，白色LED的光谱则有很大不同。例如蓝色领域和黄色领域会有两个发光强度的峰值，或者在蓝色领域、黄色领域和红色领域有三个峰值，甚至还会出现更多的峰值。这是因为，白色LED的白色光是组合了多个波长的光获得的。例如，组合蓝色LED和黄色荧光体时，峰值在蓝色领域和黄色领域出现。另外，基于蓝色LED的发光强度的峰值较尖，而基于荧光体的峰值较为平缓。

　　将LED用于液晶面板背照灯时，最理想的情况是LED的光谱在红色、绿色和蓝色三个领域出现发光强度的峰值。这是因为LED的光最终将经由液晶面板的彩色滤光片（红色、绿色、蓝色）输出到外部。

　　获得三个发光强度的峰值时，有使用红色、绿色和蓝色三种LED的方法，以及通过改进荧光体材料、使用可获得三个峰值的白色LED的方法。

 
发光光谱有很大不同

　　蓝色LED和YAG类荧光体、蓝色LED和ZnSe单结晶底板的发光、紫外LED和RGB荧光体等白色LED的发光光谱与荧光灯和自然光的比较。虽然都是白色，但发光光谱大为不同。

　　另一方面，LED用于普通的照明器具时，光谱广泛分布在可视光领域的白色LED较受欢迎。原因是接近自然光，即太阳光的光谱的光线照射物体时，物体的颜色与照射自然光时接近的缘故。

   光通量、光强、亮度和照度

　　光通量是表示光源整体亮度的指标。单位为lm（流明）。在表示照明光源的明亮程度时经常使用。是参考人眼的灵敏度（视觉灵敏度）来表示光源放射光亮度的物理量。具体数值为各向同性的发光强度为1cd（堪德拉）的光源在1sr（立体弧度）的立体角内放射的光通量为1lm。此处的sr为立体角的单位，表示从球面向球心截取的面积为半径（r）的2次方（r2）的圆锥体的顶角。

　　光强是表示光通量立体角密度的指标。单位为cd。多在表示显示用LED等的眩光时使用。其定义为：发射540×1012Hz（波长555nm）频率单色光，在指定方向的光线发射强度为1/683W/sr的光源，在该方向的光强就定义为1cd。

　　亮度是表示从光源及反射面和透射面等二次光源向观测者发出的光的强度指标。单位为cd/m2。与光通量一样，是结合人眼的灵敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等显示器画面的亮度时使用。

　　照度是表示照射到平面上的光的亮度指标。单位为lx（勒克司），有时也标记为lm/m2。是指光源射向平面状物体的光通量中，每单位面积的光通量。用于比较照明器具照射到平面上的明亮程度。

 
光通量与照度和光强的关系

　　光通量、光强、亮度和照度的关系简单归纳如下：光通量除以单位立体角等于光强；光通量除以单位面积等于照度，光强除以单位面积等于亮度。

    发光效率（luminous efficacy）

　　评测光源效率的指标，用光源发出的光通量（lm）与向光源输入的电力（W）之比表示。单位为lm/W。

　　发光效率只表示光源的效率，与将光源安装到照明器具上后器具的整体效率（综合效率）是不同的概念。

　　发光效率是将外部量子效率用视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）来表示的数值。外部量子效率是发射到LED芯片和封装外的光子个数相对于流经LED的电子个数（电流）所占的比例。组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED的外部量子效率，是相对于内部量子效率（在LED芯片发光层内发生的光子个数占流经LED芯片的电子个数（电流）的比例）、芯片的光取出效率（将所发的光取出到LED芯片之外的比例）、荧光体的转换效率（芯片发出的光照到荧光体上转换为不同波长的比例）以及封装的光取出效率（由LED和荧光体发射到封装外的光线比例）的乘积决定。

　　在发光层产生的光子的一部分或在LED芯片内被吸收，或在LED芯片内不停地反射，出不了LED芯片。因此，外部量子效率比内部量子效率要低。发光效率为100lm/W的白色LED，其输入电力只有32％作为光能输出到了外部。剩余的68％转变为热能。

　　今后3年将提高100lm/W

　　发光效率在2003年之前一直以每年数lm/W的速度缓慢提高。在提高发光效率时，最初未改变荧光体和封装，而是致力于改进芯片技术。具体而言，进行了诸如改善蓝色LED芯片所使用的GaN类半导体结晶的MOCVD结晶成长技术等。

　　从2004年开始，发光效率以每年10～20lm/W的速度提高。由此，从2004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年间提高了50lm/W。这种速度的实现，借助了将原来聚集于成膜技术的芯片技术改进扩展至了整个LED制造工艺那样的重大调整。另外，除了改进芯片技术外，还开始对荧光体进行改善。

 
68％为热损失

　　对发光效率为100lm/W的白色LED的能源转换进行模拟的结果。白色LED实现了与荧光灯同等以上的发光效率，但只有输入电力的32％能作为光能输出到外部。剩余的68％转变为了热能。该模拟为向直径5mm的炮弹型白色LED输入62mW电力时的结果。白色LED是通过组合使用蓝色LED芯片和黄色荧光体获得的。

　　今后，各LED厂商拟将把2008年实现的100lm/W发光效率，提高至2010年的140～170lm，2011年提高至150～200lm/W。也就是说，在发光效率上领先于新加入进来的厂商的LED厂的目标是，平均每年提高30lm/W以上，3年提高100lm/W。LED的发光效率的上限被认为是250lm/W左右，各LED厂商正在挑战能以何种程度逼近上限。

　　为挑战该上限，LED厂商正在全面导入最新的芯片技术、荧光体技术以及封装技术。芯片技术方面，将继续提高内部量子效率和光取出效率。荧光体方面，除了提高变换效率外，还要采取措施降低因荧光体散射造成的衰减。封装技术方面，要改善材料和构造，以提高光取出效率。

    色温（color temperature）

　　指用黑体（理论上可完全吸收外来光的虚拟物体）的温度表示光的颜色的数值。单位为K（开尔文）。黑体发出光的波长分布（色调）因温度而异。色温常用于表示荧光灯和白色LED的光色，及显示器可显示的白色的程度。一般来说，色温低时看上去发红，色温高时发青……

　　指用黑体（理论上可完全吸收外来光的虚拟物体）的温度表示光的颜色的数值。单位为K（开尔文）。黑体发出光的波长分布（色调）因温度而异。色温常用于表示荧光灯和白色LED的光色，及显示器可显示的白色的程度。一般来说，色温低时看上去发红，色温高时发青。

　　以白色LED为例，结合使用蓝色LED芯片和黄色荧光体的一般品种（平均演色性指数Ra为70以上）多为色温在6000K以上的昼光色，而追加红色荧光体等红色光的灯泡色LED的色温多在3000K以下。改进与蓝色LED芯片组合的荧光体的光色，还可获得4000K以上和5000K以上等色温。色温可依照明器具的设置场所分别使用。例如，办公室等最好设置与太阳光接近、色温较高的照明器具，而一般家庭和饭店等大多喜欢采用与白炽灯接近、色温较低的照明器具。

 
照度和色温的变化 

　　最近，按照一天内的时间变化及季节进行调光的产品已实现。例如，日本冈村制作所上市了使用LED进行细微调整的照明系统。特点是具有可随着人体生物钟按照约一天周期有规律地改变照度和色温的功能。预设了调光程序，对1年中每一天，可按照时间和季节的变化，使照度在400～800lx范围内分5个阶段、色温在3000～5000K范围内分5个阶段而变化。这样便可按照人们早上醒来、白天活动、夜晚睡眠的自然环境进行周期性调光。人们有了更加舒适的光照环境，能够更有效地工作。

    演色性（color rendition）

　　指利用照明器具的光照射物体时，反映以何种程度再现了与自然光照射时相同颜色的指标。一般情况下，多使用平均演色性指数（Ra）来表示。平均演色性指数越接近100的光源，越能再现与自然光照射时相同的颜色。作为照明用途，普通家庭和办公室室内使用的照明器具的Ra为80以上、走廊等为70以上；美术馆、物品检验以及店铺等注重演色性的用途，大多在90以上。

　　用于照明的白色LED，大体分为低Ra和高Ra品种。演色性与发光效率具有此消彼长的关系，优先考虑演色性，发光效率会降低20～30％。为此，出现了发光效率优先和演色性优先的不同品种。演色性高的光，其光谱接近自然光。也就是说，发光强度相对于发光波长的变化较小；而发光效率高的光，在人眼视觉灵敏度（人眼对光的灵敏度）高的领域（550nm附近的峰值），其发光峰值较大。

　　例如，组合蓝色LED芯片和黄色荧光体得到的疑似白光的普通白色LED，其Ra只有70多。在其中添加红色荧光体等即可将Ra提高到80以上。Ra超过90的白色LED则是出于使发光光谱的变化更加平滑的目的，而对蓝色LED组合使用了绿色荧光体和红色荧光体等。此外，对近紫外LED组合使用红色、绿色和蓝色等多种荧光体，可获得Ra超过90的白色LED。

 
高效率、高演色LED

　　目前使用蓝宝石底板的蓝色LED和黄色荧光体等白色led封装是主流，但三菱化学计划通过组合采用m面-GaN底板的近紫外LED和红/绿/蓝色（RGB）荧光体来实现高效率、高演色的LED。

　　Ra是对普遍存在的、有代表性的8种颜色的演色性指数（将待评测照明光源照射物体时的颜色与基准光源照射时的颜色相比较的值）的平均值。计算演色性指数的8种代表性颜色为：暗灰色、暗黄色、深黄绿色、黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫色、红紫色。

    调光（dimming）

　　将光源发出的光调节为希望的亮度的做法。LED与白炽灯一样，比荧光管更容易进行微细调光。通过在点亮LED的电源电路中，改变输入LED的电流大小和占空比（导通时间与截至时间之比）来调节亮度。

　　如同利用滑线电阻调压器调节白炽灯亮度一样，LED照明也能实现所希望的亮度，目前已经开发出了具备调光功能的产品。除了埋入天花板等的LED照明器具外，LED灯泡中也有利用遥控器进行调光的产品。组合使用光传感器，根据外光的亮度自动调光的LED照明器具也已经面世。

　　液晶面板的LED背照灯的调光是指，整体调节LED背照灯的发光，或者对背照灯进行部分控制。通过根据液晶面板显示的影像控制LED的发光，能够在确保峰值亮度的同时，降低较暗部分的亮度。例如，东芝的“CELL REGZA 55X1”液晶电视配备了直下型白色LED背照灯。针对输入影像对512个领域（16×32）的LED发光情况分别进行控制。通过使领域内配备的多个白色LED以最大亮度发光，峰值亮度实现了1250cd/m2，影像显示时的对比度实现了500万比1。

    光效下降现象（LED droop）

　　光效下降现象是指，向芯片输入较大电力时LED的发光效率反而会降低的现象。作为有助于削减单位光通量成本的技术，各LED厂商都在致力于抑制光效下降现象。如果能抑制该现象，使用相同的芯片，在输入较大的电力时会增加光通量。因此，可减少用于获得相同光通量的芯片数，从而削减单位光通量的成本。

　　美国飞利浦流明（Philips Lumileds Lighting）等很早就开始研究如何抑制光效下降现象。现在，日亚化学工业和德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）等众多LED厂商也开始倾力研究。各LED厂商打算把在输入电流1A，输入功率3W时明显出现光效下降现象的电流和功率的领域扩大约3倍。

 
抑制“光效下降现象”
作为削减单位光通量成本的方法，各LED厂商纷纷致力于抑制“光效下降现象”。

　　各LED厂商均没有公布光效下降现象的发生原理及其抑制方法的详情。然而，有厂商透露，芯片的发热及电流集中等若干参数与光效下降现象有关。例如，输入较大电力时，芯片的光发生量增多，同时发热也增多。这种发热会使芯片内部的量子效率恶化，从而导致光效下降现象。因此，有LED厂商认为，为抑制光效下降现象，采用散热性高的封装构造，即使输入较大电力芯片温度也不会上升的改进会对抑制光效下降现象有效。另外，有观点认为，如果LED芯片内的电流密度变大，就容易引发光效下降现象。

    量子阱（quantum well）

　　利用带隙较宽的层夹住带隙窄且极薄的层形成的构造。带隙较窄的层的电势要比周围（带隙较宽的层）低，因此形成了势阱（量子阱）。在LED和半导体激光器中，量子阱构造用于放射光的活性层。重叠多层量子阱的构造被称为多重量子阱（MQW：multiquantum well）。

　　蓝色LED等是通过改良量子阱构造等GaN类结晶层的构造取得进展的。GaN类LED在成为MIS（metal-insulatorsemiconductor）构造，pn接合型双异质结构造，采用单一量子阱的双异质结构造以及采用多重量子阱的双异质结构造的过程中，其亮度和色纯度得到了提高。采用MIS构造的蓝色LED在还没有实现p型GaN膜时，就被广泛开发并实现了产品化。缺点是光强只有数百mcd。p型GaN膜被造出来之后，采用pn接合型双异质结构造的蓝色LED得以实现。与MIS构造相比，发光亮度达到了1cd，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱构造来取代pn接合型双异质结构造，发光光度和色纯度会进一步提高（发光光谱的半值幅度变窄）。

 
GaN类蓝色发光二极管的构造变迁
（a）为采用MIS（metal-insulator-semiconductor）构造的蓝色LED。
（b）为采用多重量子阱（MQW ：multi quantum well）构造的蓝色LED。

　　双异质结构造是指在LED和半导体激光器等中，在活性层的两侧设置了能隙比活性层还要大的包覆层的构造。可获得将电子和空穴封闭在活性层内的效果。所以发光元件采用双异质结构造的话，可提高光输出。另外，只在活性层的一侧设置能隙较大的包覆层的构造被称为单异质结。

   接合温度（junction temperature）

　　半导体元件内部的温度。在LED中是指芯片内发光层（pn结间设置多重量子阱构造的位置）的温度。LED芯片的发光层在点亮时温度会上升。一般情况下，接合温度越高，发光效率就越低。LED随着输入电流的增加尽管光通量会提高，但发热量会变大。由此会出现发光层的温度（接合温度）升高而使发光效率降低，功耗增加，从而使接合温度进一步上升的恶性循环。通过降低LED芯片封装及该封装安装底板的热阻，使芯片产生的热量得以散发，避免接合温度上升等改进，可以提高亮度。

　　接合温度为：热阻×输入电力+环境温度，因此如果提高接合温度的最大额定值，即使环境温度非常高，LED也能正常工作。例如，在白色LED中，有的LED芯片品种的可容许接合温度最高达到+185℃。接合温度可因LED的点亮方式而大为不同。例如，脉冲驱动（向LED输入断续电流驱动，间歇点亮）LED时，接合温度就不容易上升，而连续驱动（向LED输入稳定电流驱动，连续点亮）LED，接合温度就容易上升。

 
芯片蓄热的话光强就会降低

　　白色LED配备的LED芯片的发光层在点灯过程中温度会上升。一般情况下，如果被称为接合温度的发光层部分的温度上升，发光效率就会降低，即使输入电力也不亮。通过降低LED芯片封装和封装底板的热阻，散发芯片上产生的热量，设法使接合温度不上升，能够使发光更亮

　　如果使用提高了接合温度最大额定值的LED芯片，在安装使用时能够获得很多优点。例如，由于增加了输入电力，可提高输出功率。还可以缩小底板的散热片等。

    基片（substrate）

　　LED和半导体激光器等的发光部分的半导体层，是在基片上生长结晶而成。采用的基片根据LED的发光波长不同而区分使用。如果是蓝色LED和白色LED等GaN类半导体材料的LED芯片，则使用蓝宝石、SiC和Si等作为基片，如果是红色LED等采用AlInGaP类材料的LED芯片，则使用GaAs等作为基片。

　　因LED发光波长而使用不同基片的原因是为了选择与LED发光部分——半导体结晶的晶格常数尽量接近的晶格常数的廉价基片材料。这样做晶格常数的差距（晶格失配）就会缩小，在半导体层中阻碍发光的结晶缺陷的可能性就会减少。而且能降低LED芯片的单价。另外，蓝紫色半导体激光器等电流密度和光输出密度较大的元件，则采用昂贵的GaN基片。GaN基片还用于部分蓝色LED。

 
底板剥离方法示例

　　欧司朗的做法是在蓝宝石底板上形成GaN类结晶层，粘帖金属反射膜，然后再粘帖作为支持底板的Ge晶圆。之后，利用激光照射溶解掉GaN类结晶层与蓝宝石底板的界面部分，剥离蓝宝石底板。

　　近年来，为了增加从LED芯片中提取光线，在基片上形成半导体结晶层后，将基片张贴到其他基片上的技术已经实用化。在粘贴到其他基片上时，与半导体结晶层之间的界面上设置了光的反射层。反射层具有反射发光层朝向基片侧的光线，将其提取到LED表面侧的效果。除了已用于红色LED外，最近蓝色LED等GaN类半导体LED芯片也扩大了采用。采用GaN类半导体材料的LED还有不张贴基片，使之保持剥离状态的方法。

　　这些方法在外形尺寸较大的LED芯片上较为有效。大尺寸芯片存在着芯片内发生的光射出芯片外时的光径变长，导致光在这一过程中发生衰减的问题。该问题可通过张贴基片解决。

    外延生长（epitaxial growth）

　　在基片上生长结晶轴相互一致的结晶层的技术。用于制作没有杂质和缺陷的结晶层。包括在基片上与气体发生反应以积累结晶层的VPE（气相生长）法、以及与溶液相互接触以生长结晶相的LPE（液相生长）法等。

　　蓝色LED、白色LED以及蓝紫色半导体激光器等GaN类发光元件一般采用VPE法之一的MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法进行生产。MOCVD采用有机金属气体等作为原料。蓝色LED在蓝宝石基片和SiC基片上，蓝紫色半导体激光器在GaN基片上使用MOCVD装置使得GaN类半导体层形成外延生长。

 
“404专利”的内容

　　中村修二提出专利权归属问题而进行诉讼的“404专利”，是将原料气体封入蓝宝石底板表面附近的方式之一。在生长GaN类半导体膜的底板（蓝宝石底板等）表面沿水平方向通入原料气体，同时为了将原料气体固定在底板表面，沿垂直方向向底板表面通入非活性气体。

　　中村修二就其在日亚化学工业工作时所发明专利的“正当价格”与日亚化学工业展开的诉讼中所涉及的GaN类发光元件专利（专利第2628404号，以下称404专利）就是外延生长GaN类半导体层技术的相关专利。404专利是与在蓝宝石基片表面附近封入原料气体的技术。其特点是，在生长GaN类半导体膜的基片（蓝宝石基片等）表面沿水平方向通入原料气体，同时为了将原料气体固定在基片表面，还沿垂直方向向基片表面通入非活性气体。