五基色LED照明光源技術(shù)進展

劉軍林，莫春蘭，張建立，王光緒，徐龍權(quán)，丁 杰，李樹強，王小蘭，吳小明，潘 拴，方 芳，全知覺，鄭暢達，郭 醒，陳 芳，江風(fēng)益

(1.南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330047；2. 南昌黃綠照明有限公司，江西南昌 330047)

五基色LED照明光源技術(shù)進展

劉軍林1,2，莫春蘭1,2，張建立1,2，王光緒1,2，徐龍權(quán)1,2，丁 杰1,2，李樹強1,2，王小蘭1,2，吳小明1,2，潘 拴1,2，方 芳1,2，全知覺1,2，鄭暢達1,2，郭 醒1,2，陳 芳1,2，江風(fēng)益1

(1.南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330047；2. 南昌黃綠照明有限公司，江西南昌 330047)

現(xiàn)有的白光LED是通過藍光LED激發(fā)黃色熒光粉獲得的，雖然其光電轉(zhuǎn)換效率已遠超白熾燈和日光燈，但其顯色指數(shù)、色溫和光效之間難以協(xié)調(diào)發(fā)展。采用多色高效率LED(紅、黃、綠、青、藍光)可合成低色溫、高顯色指數(shù)、高光效、對人眼安全與舒適的全光譜無熒光粉白光光源，是下一代高品質(zhì)光源。其難點在于獲得高光效黃光LED。目前我們在黃光LED光效提升方面取得重大突破，獲得了電光轉(zhuǎn)換功率效率高達21.5%的硅襯底InGaN基黃光LED(565nm，20A/cm2)，對應(yīng)130 lm/W，遠好于文獻報道和可查詢到的最高水平?；诩t、黃、綠、青、藍五色LED芯片合成的白光燈珠，顯色指數(shù)94.8，色溫3 263K，光效100.5 lm/W，達到了實用化水平。無熒光粉五基色LED照明技術(shù)省去了稀土這一稀缺資源，具有現(xiàn)實價值和戰(zhàn)略意義，同時在可見光通信、情景照明、智能照明方面有優(yōu)勢。

五基色；高品質(zhì)；LED照明；黃光LED

引言

1962年，美國通用電氣公司(GE)的Holonyak發(fā)明了世界上第一支實用化的磷砷化鎵(GaAsP)紅光LED[1]，之后基于砷化鎵和磷化鎵材料體系的橙光、黃光LED相繼出現(xiàn)，在顯示方面得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，高光效GaN基藍光LED技術(shù)取得突破[2-5]，同時基于藍光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光技術(shù)問世，促使LED逐漸被應(yīng)用于通用照明、顯示、顯像、背光、投影、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等多種領(lǐng)域，深入到人類生活的各個角落，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

目前國際上藍光LED主要有三條技術(shù)路線，分別是藍寶石襯底、碳化硅襯底以及硅襯底GaN基LED技術(shù)路線。藍寶石襯底GaN基LED技術(shù)起步最早，相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈最成熟，是目前市場上的主流技術(shù)路線，主要貢獻者赤崎勇、天野浩和中村修二因此獲得2014年度諾貝爾物理學(xué)獎。碳化硅襯底GaN基LED技術(shù)因襯底價格昂貴而被稱為“貴族技術(shù)路線”，主要貢獻者Carter獲得2003年度美國總統(tǒng)技術(shù)獎。第三條技術(shù)路線硅襯底GaN基LED技術(shù)是我國發(fā)展起來的，獲2015年度中國國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

近十年來，隨著藍光LED光效的迅速提升，LED市場規(guī)模高速增長。2016年我國LED上中下游產(chǎn)值達到5 216億元[6]。

現(xiàn)有的白光LED是通過藍光LED激發(fā)黃色熒光粉獲得的，雖然其光電轉(zhuǎn)換效率已遠超白熾燈和日光燈，但其顯色指數(shù)、色溫和光效之間難以協(xié)調(diào)發(fā)展，光效高的時候其色溫高、顯色指數(shù)較低，色溫低、顯色指數(shù)高的時候光效明顯下降，且因白光中短波長藍光占比過多，容易引起視覺疲勞。因此有必要發(fā)展一種光效和光品質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的新技術(shù)，即顯色指數(shù)、色溫和光效之間能同步協(xié)調(diào)發(fā)展，且藍光占比合理，人眼視覺舒適。

1 高品質(zhì)LED照明技術(shù)路線

高品質(zhì)LED照明應(yīng)具備低色溫、高顯色指數(shù)、高光效、對人眼安全與舒適等特點。從技術(shù)上講，實現(xiàn)高品質(zhì)LED照明主要有兩種途徑，途徑一是采用多色高效率LED(如紅、黃、綠、青、藍光)合成全光譜白光，途徑二是采用藍光LED激發(fā)多色熒光粉(如紅粉、黃粉、綠粉、青粉等)獲得白光。

途徑一從物理本質(zhì)上講是最適合的方法，是下一代半導(dǎo)體照明技術(shù)。首先沒有LED激發(fā)熒光粉帶來的能量損失，其次通過多色LED的單獨控制可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜，為可見光通信、智慧照明、情景照明等提供靈活可調(diào)的光源。在可見光LED七彩色范圍內(nèi)，黃光LED的電光轉(zhuǎn)換功率效率長期低于10%，而其他顏色的LED均高于此值，這種“黃光鴻溝”問題是LED鼻祖Holonyak教授5年前所說“LED技術(shù)仍處于嬰兒期”的主要原因，也成為獲得高品質(zhì)五基色LED照明光源的瓶頸。圖1給出了2015年之前國際上一流水平的五種單色光LED電光轉(zhuǎn)換功率效率(英文縮寫為WPE)。

圖1 2015年前，國際上五種單色LED電光轉(zhuǎn)換功率效率水平Fig.1 Wall plug efficiency of the top level five monochrome LEDs before 2015

雖然2015年前黃光光效低，但其發(fā)展歷史卻已很長。早在1965年，美國Bell實驗室的D.G.Thomas 就在摻N的GaP中觀察到黃光光致發(fā)光現(xiàn)象[7]。1971年，美國Monsanto公司M. G. Craford在GaAs襯底上制備了第一支GaAsP基pn結(jié)黃光LED，電光轉(zhuǎn)換功率效率只有0.01%左右[8]。1990年，美國HP公司采用MOCVD技術(shù)在GaAs襯底上生長了AlGaInP四元系黃光LED，電光轉(zhuǎn)換功率效率約0.5%(波長574 nm，電流密度30A/cm2)[9]。1994年，美國HP公司在原外延材料的基礎(chǔ)上，去掉吸光的GaAs襯底，將發(fā)光材料轉(zhuǎn)移到GaP基板上，使黃光發(fā)光效率在原來基礎(chǔ)上提升至1.3%(波長571 nm，電流密度44A/cm2)[10]。2008年，美國UCSB的中村修二課題組在半極性面GaN體單晶襯底上生長了InGaN單量子阱黃光LED，電光轉(zhuǎn)換功率效率達到5.5%(波長562 nm，電流密度7A/cm2)[11]，使GaN基黃光效率超過GaP基黃光。2013年，日本東芝公司在藍寶石襯底上生長了多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN黃光LED，電光轉(zhuǎn)換功率效率達到9.63%(波長569 nm，電流密度9.5A/cm2)[12]。2013年，南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心(以下簡稱為“本單位”)開始研究硅襯底InGaN黃光LED[13]，截至2016年底，電光轉(zhuǎn)換功率效率達到21.5%(波長565 nm，電流密度20A/cm2)，對應(yīng)130 lm/W，為五基色LED照明提供了重要支撐。圖2為黃光LED功率效率發(fā)展歷程。

圖2 黃光LED功率效率發(fā)展歷程Fig.2 The development progress of wall-plug efficiency of yellow LEDs

通過理論計算，當(dāng)藍光(455 nm)、青光(490 nm)、綠光(520 nm)、黃光(570 nm)和紅光(625 nm)的電光轉(zhuǎn)換功率效率分別達到70%、55%、45%、25%、55%時，可以混合獲得色溫3 000K，顯色指數(shù)97.8，光效高達136lm/W的高品質(zhì)五基色LED白光光源，此時藍光占比僅8.76%，圖3給出了其光譜圖。

圖3 五基色LED合成白光光譜圖Fig.3 Spectra of white light combined by five monochrome LEDs

途徑二是對現(xiàn)有藍光LED激發(fā)黃色熒光粉技術(shù)的升級與提升。通過理論計算，采用電光轉(zhuǎn)換功率效率70%的藍光(455 nm)激發(fā)量子效率90%的綠色熒光粉和量子效率70%的紅色熒光粉，也可獲得色溫5 000K，顯色指數(shù)97.5，光效115lm/W的高品質(zhì)白光光源，此時藍光占比為13.7%，光譜如圖4所示。

圖4 藍光LED激發(fā)綠色和紅色熒光粉獲得的白光光譜Fig.4 White light spectra of converting blue LEDs by green and red phosphor

2 五基色LED照明技術(shù)最新進展

圍繞“黃光鴻溝”問題，本單位近3年來開展了系統(tǒng)研究，獲得了電光轉(zhuǎn)換功率效率顯著高于國外公開報道最高水平的黃光和綠光LED，如圖5所示。圖5是本單位研發(fā)的硅襯底綠光及黃光LED電光轉(zhuǎn)換功率效率(20A/cm2電流密度下)與國外公開報道最高水平的對比，本單位565 nm黃光功率效率達到21.5%，圖5中方框代表2013年日本東芝公司報道的在藍寶石襯底上生長的多量子阱結(jié)構(gòu)InGaN黃光LED，電光轉(zhuǎn)換功率效率為9.63%(波長569 nm，電流密度9.5A/cm2)，圖5中圓圈代表2014年德國Osram公司報道的藍寶石襯底InGaN基綠光LED，功率效率為25.8%(波長530 nm，電流密度35A/cm2)。

圖5 本單位研發(fā)的硅襯底高光效綠光和黃光LED電光轉(zhuǎn)換功率效率Fig.5 The wall-plug efficiency of InGaN green and yellow LED on silicon substrate by our team

基于本單位研發(fā)的高光效硅襯底藍光(455 nm)、青光(490 nm)、綠光(530 nm)、黃光(570 nm)LED，以及外購高光效紅光(629 nm)LED，我們研發(fā)了高品質(zhì)五基色LED白光燈珠，顯色指數(shù)94.8，色溫3 263 K，光效100.5 lm/W，達到了實用化水平，圖6給出了其光譜圖。

圖6 實驗獲得的五基色LED白光(無熒光粉)光譜圖Fig.6 Experimentally obtained spectra of white light combined by five monochrome LEDs

3 展望

隨著紅、黃、綠、青和藍光LED，尤其是黃光LED光效的不斷提升，五基色白光LED照明技術(shù)將在光效和光品質(zhì)方面同時獲得提升，成為理想的照明光源。這項技術(shù)不僅省去了稀土這一稀缺資源，還使白光LED成為真正的半導(dǎo)體器件，具備了壽命和可靠性方面的優(yōu)勢，具有現(xiàn)實價值和戰(zhàn)略意義。

五基色白光LED照明技術(shù)和采有藍光激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光的技術(shù)相比，避免了熒光響應(yīng)延遲問題，并具有五個單獨的通信通道，因此在滿足照明的同時，在可見光通信方面具有更高的通信速率。而光譜靈活可調(diào)的特性使其在情景照明、智能照明方面具有明顯優(yōu)勢。

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Progress of Five Primary Colours LED Lighting Source Technology

LIU Junlin1,2，MO Chunlan1,2，ZHANG Jianli1,2，WANG Guangxu1,2，XU Longquan1,2，DING Jie1,2，LI Shuqiang1,2，WANG Xiaolan1,2，WU Xiaoming1,2，PAN Shuan1,2，F(xiàn)ANG Fang1,2，QUAN Zhijue1,2，ZHENG Changda1,2，GUO Xing1,2，CHEN Fang1,2，JIANG Fengyi1

(1.NationalInstituteofofLEDonSiSubstrate,NanchangUniversity,Nanchang330047,China2.NanchangYellowandGreenLightingCo.Ltd.,Nanchang330047,China)

The current LED white lighting is based on phosphor conversion of blue LEDs, although the efficiency is much higher than that of incandescent and fluorescent lamps, the main weak point is the difficulty of attaining the balance among color rendering index (CRI), color temperature (Tc) and light efficiency, and too much blue light may easily cause visual fatigue. Mixing multi-colors (Red/yellow/green/cyan/blue) LEDs to form white light can provides us a healthy, comfortable and phosphor-free light source with lowTc, high CRI and high efficiency, which is a high quality light source for next generation. To realize it, the key point is to make yellow LEDs efficient. Recently, we make a significant breakthrough on improving the efficiency of the yellow LEDs, efficient InGaN based yellow LEDs with 21.5% wall-plug efficiency (WPE) at 565 nm and 20 A/cm2are realized on silicon substrate, the luminous efficiency is 130 lm/W which is far better than the highest level of the public reporting. By mixing blue, cyan, green, yellow and red LEDs, white LEDs with CRI up to 94.8,Tcof 3 263K and efficacy above 100.5 lm/W were obtained. The performance is comparable with those commercialized white LEDs. The phosphor free five primary colors LED lighting technology can save the rare earth materials. It has important practical value and strategic significance, and it will show its advantages in the fields of light communication, scene lighting and smart lighting.

five primary colors；high quality；LED lighting；yellow LED

國家重點研發(fā)計劃(批準(zhǔn)號：2016YFB0400600)，國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：61334001)

江風(fēng)益，E-mail：jiangfy@ncu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.01.001