光譜

　　表示相對于光的波長,，光的強度的分布,。LED的光譜一般為單色LED,，例如藍色LED以波長470nm時為峰值呈山峰分布,，以峰值波長較短的紫外領(lǐng)域和峰值波長較長的綠色領(lǐng)域為光的強度的測定極限,。而白熾燈的光譜，其發(fā)光強度廣泛分布于400nm多的藍色領(lǐng)域至700nm多的近紅外領(lǐng)域,，在紫外領(lǐng)域和紅外領(lǐng)域也能觀測到發(fā)光強度,。熒光燈方面,，組合使用的熒光體的發(fā)光波長部分為光譜的峰值,。

　　與普通紅色,、綠色和藍色LED的光譜峰值只有一個相比，白色LED的光譜則有很大不同,。例如藍色領(lǐng)域和黃色領(lǐng)域會有兩個發(fā)光強度的峰值,，或者在藍色領(lǐng)域、黃色領(lǐng)域和紅色領(lǐng)域有三個峰值,，甚至還會出現(xiàn)更多的峰值,。這是因為，白色LED的白色光是組合了多個波長的光獲得的,。例如,，組合藍色LED和黃色熒光體時，峰值在藍色領(lǐng)域和黃色領(lǐng)域出現(xiàn),。另外,，基于藍色LED的發(fā)光強度的峰值較尖，而基于熒光體的峰值較為平緩,。

　　將LED用于液晶面板背照燈時,，最理想的情況是LED的光譜在紅色、綠色和藍色三個領(lǐng)域出現(xiàn)發(fā)光強度的峰值,。這是因為LED的光最終將經(jīng)由液晶面板的彩色濾光片（紅色,、綠色、藍色）輸出到外部,。

　　獲得三個發(fā)光強度的峰值時,，有使用紅色、綠色和藍色三種LED的方法,，以及通過改進熒光體材料,、使用可獲得三個峰值的白色LED的方法。

 
發(fā)光光譜有很大不同

　　藍色LED和YAG類熒光體,、藍色LED和ZnSe單結(jié)晶底板的發(fā)光,、紫外LED和RGB熒光體等白色LED的發(fā)光光譜與熒光燈和自然光的比較。雖然都是白色,，但發(fā)光光譜大為不同,。

　　另一方面，LED用于普通的照明器具時,，光譜廣泛分布在可視光領(lǐng)域的白色LED較受歡迎,。原因是接近自然光，即太陽光的光譜的光線照射物體時,，物體的顏色與照射自然光時接近的緣故,。

　　光通量、光強,、亮度和照度

　　光通量是表示光源整體亮度的指標,。單位為lm（流明）,。在表示照明光源的明亮程度時經(jīng)常使用。是參考人眼的靈敏度（視覺靈敏度）來表示光源放射光亮度的物理量,。具體數(shù)值為各向同性的發(fā)光強度為1cd（堪德拉）的光源在1sr（立體弧度）的立體角內(nèi)放射的光通量為1lm,。此處的sr為立體角的單位，表示從球面向球心截取的面積為半徑（r）的2次方（r2）的圓錐體的頂角,。

　　光強是表示光通量立體角密度的指標,。單位為cd。多在表示顯示用LED等的眩光時使用,。其定義為：發(fā)射540×1012Hz（波長555nm）頻率單色光,，在指定方向的光線發(fā)射強度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強就定義為1cd,。

　　亮度是表示從光源及反射面和透射面等二次光源向觀測者發(fā)出的光的強度指標,。單位為cd/m2。與光通量一樣,，是結(jié)合人眼的靈敏度表示的物理量,。大多在表示液晶面板和PDP等顯示器畫面的亮度時使用。

　　照度是表示照射到平面上的光的亮度指標,。單位為lx（勒克司）,，有時也標記為lm/m2。是指光源射向平面狀物體的光通量中,，每單位面積的光通量,。用于比較照明器具照射到平面上的明亮程度。

 
光通量與照度和光強的關(guān)系

　　光通量,、光強,、亮度和照度的關(guān)系簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等于光強；光通量除以單位面積等于照度,，光強除以單位面積等于亮度,。

　　發(fā)光效率（luminous efficacy）

　　評測光源效率的指標，用光源發(fā)出的光通量（lm）與向光源輸入的電力（W）之比表示,。單位為lm/W,。

　　發(fā)光效率只表示光源的效率，與將光源安裝到照明器具上后器具的整體效率（綜合效率）是不同的概念,。

　　發(fā)光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）來表示的數(shù)值,。外部量子效率是發(fā)射到LED芯片和封裝外的光子個數(shù)相對于流經(jīng)LED的電子個數(shù)（電流）所占的比例。組合使用藍色LED芯片和熒光體的白色LED的外部量子效率,，是相對于內(nèi)部量子效率（在LED芯片發(fā)光層內(nèi)發(fā)生的光子個數(shù)占流經(jīng)LED芯片的電子個數(shù)（電流）的比例）,、芯片的光取出效率（將所發(fā)的光取出到LED芯片之外的比例）、熒光體的轉(zhuǎn)換效率（芯片發(fā)出的光照到熒光體上轉(zhuǎn)換為不同波長的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和熒光體發(fā)射到封裝外的光線比例）的乘積決定。

　　在發(fā)光層產(chǎn)生的光子的一部分或在LED芯片內(nèi)被吸收,，或在LED芯片內(nèi)不停地反射,，出不了LED芯片。因此,，外部量子效率比內(nèi)部量子效率要低。發(fā)光效率為100lm/W的白色LED,，其輸入電力只有32％作為光能輸出到了外部,。剩余的68％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

　　今后3年將提高100lm/W

　　發(fā)光效率在2003年之前一直以每年數(shù)lm/W的速度緩慢提高。在提高發(fā)光效率時,，最初未改變熒光體和封裝,，而是致力于改進芯片技術(shù)。具體而言,，進行了諸如改善藍色LED芯片所使用的GaN類半導體結(jié)晶的MOCVD結(jié)晶成長技術(shù)等,。

　　從2004年開始，發(fā)光效率以每年10～20lm/W的速度提高,。由此,，從2004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年間提高了50lm/W,。這種速度的實現(xiàn),，借助了將原來聚集于成膜技術(shù)的芯片技術(shù)改進擴展至了整個LED制造工藝那樣的重大調(diào)整。另外,，除了改進芯片技術(shù)外,，還開始對熒光體進行改善。

 
68％為熱損失

　　對發(fā)光效率為100lm/W的白色LED的能源轉(zhuǎn)換進行模擬的結(jié)果,。白色LED實現(xiàn)了與熒光燈同等以上的發(fā)光效率,，但只有輸入電力的32％能作為光能輸出到外部。剩余的68％轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷崮?。該模擬為向直徑5mm的炮彈型白色LED輸入62mW電力時的結(jié)果,。白色LED是通過組合使用藍色LED芯片和黃色熒光體獲得的。

　　今后,，各LED廠商擬將把2008年實現(xiàn)的100lm/W發(fā)光效率,，提高至2010年的140～170lm，2011年提高至150～200lm/W,。也就是說,，在發(fā)光效率上領(lǐng)先于新加入進來的廠商的LED廠的目標是，平均每年提高30lm/W以上,，3年提高100lm/W,。LED的發(fā)光效率的上限被認為是250lm/W左右，各LED廠商正在挑戰(zhàn)能以何種程度逼近上限,。

　　為挑戰(zhàn)該上限,，LED廠商正在全面導入最新的芯片技術(shù),、熒光體技術(shù)以及封裝技術(shù)。芯片技術(shù)方面,，將繼續(xù)提高內(nèi)部量子效率和光取出效率,。熒光體方面，除了提高變換效率外,，還要采取措施降低因熒光體散射造成的衰減,。封裝技術(shù)方面，要改善材料和構(gòu)造,，以提高光取出效率,。

　　色溫（color temperature）

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數(shù)值。單位為K（開爾文）,。黑體發(fā)出光的波長分布（色調(diào)）因溫度而異,。色溫常用于表示熒光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度,。一般來說,，色溫低時看上去發(fā)紅，色溫高時發(fā)青……

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數(shù)值,。單位為K（開爾文）,。黑體發(fā)出光的波長分布（色調(diào)）因溫度而異。色溫常用于表示熒光燈和白色LED的光色,，及顯示器可顯示的白色的程度,。一般來說，色溫低時看上去發(fā)紅,，色溫高時發(fā)青,。

　　以白色LED為例，結(jié)合使用藍色LED芯片和黃色熒光體的一般品種（平均演色性指數(shù)Ra為70以上）多為色溫在6000K以上的晝光色,，而追加紅色熒光體等紅色光的燈泡色LED的色溫多在3000K以下,。改進與藍色LED芯片組合的熒光體的光色，還可獲得4000K以上和5000K以上等色溫,。色溫可依照明器具的設(shè)置場所分別使用,。例如，辦公室等最好設(shè)置與太陽光接近,、色溫較高的照明器具,，而一般家庭和飯店等大多喜歡采用與白熾燈接近、色溫較低的照明器具,。

 
照度和色溫的變化 

　　最近,，按照一天內(nèi)的時間變化及季節(jié)進行調(diào)光的產(chǎn)品已實現(xiàn)。例如，日本岡村制作所上市了使用LED進行細微調(diào)整的照明系統(tǒng),。特點是具有可隨著人體生物鐘按照約一天周期有規(guī)律地改變照度和色溫的功能,。預(yù)設(shè)了調(diào)光程序，對1年中每一天,，可按照時間和季節(jié)的變化,，使照度在400～800lx范圍內(nèi)分5個階段、色溫在3000～5000K范圍內(nèi)分5個階段而變化,。這樣便可按照人們早上醒來,、白天活動、夜晚睡眠的自然環(huán)境進行周期性調(diào)光,。人們有了更加舒適的光照環(huán)境，能夠更有效地工作,。

　　演色性（color rendition）

　　指利用照明器具的光照射物體時,，反映以何種程度再現(xiàn)了與自然光照射時相同顏色的指標。一般情況下,，多使用平均演色性指數(shù)（Ra）來表示,。平均演色性指數(shù)越接近100的光源，越能再現(xiàn)與自然光照射時相同的顏色,。作為照明用途,，普通家庭和辦公室室內(nèi)使用的照明器具的Ra為80以上、走廊等為70以上,；美術(shù)館,、物品檢驗以及店鋪等注重演色性的用途，大多在90以上,。

　　用于照明的白色LED,，大體分為低Ra和高Ra品種。演色性與發(fā)光效率具有此消彼長的關(guān)系,，優(yōu)先考慮演色性,，發(fā)光效率會降低20～30％。為此,，出現(xiàn)了發(fā)光效率優(yōu)先和演色性優(yōu)先的不同品種,。演色性高的光，其光譜接近自然光,。也就是說,，發(fā)光強度相對于發(fā)光波長的變化較小,；而發(fā)光效率高的光,，在人眼視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）高的領(lǐng)域（550nm附近的峰值），其發(fā)光峰值較大。

　　例如,，組合藍色LED芯片和黃色熒光體得到的疑似白光的普通白色LED,，其Ra只有70多。在其中添加紅色熒光體等即可將Ra提高到80以上,。Ra超過90的白色LED則是出于使發(fā)光光譜的變化更加平滑的目的,，而對藍色LED組合使用了綠色熒光體和紅色熒光體等。此外，對近紫外LED組合使用紅色,、綠色和藍色等多種熒光體,，可獲得Ra超過90的白色LED。

 
高效率,、高演色LED

　　目前使用藍寶石底板的藍色LED和黃色熒光體等白色LED封裝是主流，但三菱化學計劃通過組合采用m面-GaN底板的近紫外LED和紅/綠/藍色（RGB）熒光體來實現(xiàn)高效率,、高演色的LED,。

　　Ra是對普遍存在的、有代表性的8種顏色的演色性指數(shù)（將待評測照明光源照射物體時的顏色與基準光源照射時的顏色相比較的值）的平均值,。計算演色性指數(shù)的8種代表性顏色為：暗灰色,、暗黃色、深黃綠色,、黃綠色,、淡藍綠色、淡藍色,、淡紫色,、紅紫色。

　　調(diào)光（dimming）

　　將光源發(fā)出的光調(diào)節(jié)為希望的亮度的做法,。LED與白熾燈一樣,，比熒光管更容易進行微細調(diào)光。通過在點亮LED的電源電路中,，改變輸入LED的電流大小和占空比（導通時間與截至時間之比）來調(diào)節(jié)亮度,。

　　如同利用滑線電阻調(diào)壓器調(diào)節(jié)白熾燈亮度一樣，LED照明也能實現(xiàn)所希望的亮度,，目前已經(jīng)開發(fā)出了具備調(diào)光功能的產(chǎn)品,。除了埋入天花板等的LED照明器具外，LED燈泡中也有利用遙控器進行調(diào)光的產(chǎn)品,。組合使用光傳感器,，根據(jù)外光的亮度自動調(diào)光的LED照明器具也已經(jīng)面世。

　　液晶面板的LED背照燈的調(diào)光是指,，整體調(diào)節(jié)LED背照燈的發(fā)光,，或者對背照燈進行部分控制,。通過根據(jù)液晶面板顯示的影像控制LED的發(fā)光，能夠在確保峰值亮度的同時,，降低較暗部分的亮度,。例如，東芝的“CELL REGZA 55X1”液晶電視配備了直下型白色LED背照燈,。針對輸入影像對512個領(lǐng)域（16×32）的LED發(fā)光情況分別進行控制,。通過使領(lǐng)域內(nèi)配備的多個白色LED以最大亮度發(fā)光，峰值亮度實現(xiàn)了1250cd/m2,，影像顯示時的對比度實現(xiàn)了500萬比1,。

 
利用LED改變色溫和照度

　　光效下降現(xiàn)象（LED droop）

　　光效下降現(xiàn)象是指，向芯片輸入較大電力時LED的發(fā)光效率反而會降低的現(xiàn)象,。作為有助于削減單位光通量成本的技術(shù),，各LED廠商都在致力于抑制光效下降現(xiàn)象。如果能抑制該現(xiàn)象,，使用相同的芯片,，在輸入較大的電力時會增加光通量。因此,，可減少用于獲得相同光通量的芯片數(shù),，從而削減單位光通量的成本,。

　　美國飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）等很早就開始研究如何抑制光效下降現(xiàn)象?，F(xiàn)在，日亞化學工業(yè)和德國歐司朗光電半導體（OSRAM Opto Semiconductors GmbH）等眾多LED廠商也開始傾力研究,。各LED廠商打算把在輸入電流1A,，輸入功率3W時明顯出現(xiàn)光效下降現(xiàn)象的電流和功率的領(lǐng)域擴大約3倍。

 
抑制“光效下降現(xiàn)象”
作為削減單位光通量成本的方法,，各LED廠商紛紛致力于抑制“光效下降現(xiàn)象”,。

　　各LED廠商均沒有公布光效下降現(xiàn)象的發(fā)生原理及其抑制方法的詳情。然而,，有廠商透露,，芯片的發(fā)熱及電流集中等若干參數(shù)與光效下降現(xiàn)象有關(guān)。例如,，輸入較大電力時,，芯片的光發(fā)生量增多，同時發(fā)熱也增多,。這種發(fā)熱會使芯片內(nèi)部的量子效率惡化,，從而導致光效下降現(xiàn)象。因此,，有LED廠商認為,，為抑制光效下降現(xiàn)象,，采用散熱性高的封裝構(gòu)造，即使輸入較大電力芯片溫度也不會上升的改進會對抑制光效下降現(xiàn)象有效,。另外,，有觀點認為，如果LED芯片內(nèi)的電流密度變大,，就容易引發(fā)光效下降現(xiàn)象,。

　　量子阱（quantum well）

　　利用帶隙較寬的層夾住帶隙窄且極薄的層形成的構(gòu)造。帶隙較窄的層的電勢要比周圍（帶隙較寬的層）低,，因此形成了勢阱（量子阱）,。在LED和半導體激光器中，量子阱構(gòu)造用于放射光的活性層,。重疊多層量子阱的構(gòu)造被稱為多重量子阱（MQW：multiquantum well）,。

　　藍色LED等是通過改良量子阱構(gòu)造等GaN類結(jié)晶層的構(gòu)造取得進展的。GaN類LED在成為MIS（metal-insulatorsemiconductor）構(gòu)造,，pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造,，采用單一量子阱的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造以及采用多重量子阱的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的過程中，其亮度和色純度得到了提高,。采用MIS構(gòu)造的藍色LED在還沒有實現(xiàn)p型GaN膜時,，就被廣泛開發(fā)并實現(xiàn)了產(chǎn)品化。缺點是光強只有數(shù)百mcd,。p型GaN膜被造出來之后,，采用pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的藍色LED得以實現(xiàn)。與MIS構(gòu)造相比,，發(fā)光亮度達到了1cd,，是前者的10倍左右。如果用多重量子阱構(gòu)造來取代pn接合型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造,，發(fā)光光度和色純度會進一步提高（發(fā)光光譜的半值幅度變窄）,。

 
GaN類藍色發(fā)光二極管的構(gòu)造變遷
（a）為采用MIS（metal-insulator-semiconductor）構(gòu)造的藍色LED。
（b）為采用多重量子阱（MQW ：multi quantum well）構(gòu)造的藍色LED,。

　　雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造是指在LED和半導體激光器等中,，在活性層的兩側(cè)設(shè)置了能隙比活性層還要大的包覆層的構(gòu)造?？色@得將電子和空穴封閉在活性層內(nèi)的效果,。所以發(fā)光元件采用雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)造的話，可提高光輸出,。另外,，只在活性層的一側(cè)設(shè)置能隙較大的包覆層的構(gòu)造被稱為單異質(zhì)結(jié)。

　　接合溫度（junction temperature）

　　半導體元件內(nèi)部的溫度,。在LED中是指芯片內(nèi)發(fā)光層（pn結(jié)間設(shè)置多重量子阱構(gòu)造的位置）的溫度,。LED芯片的發(fā)光層在點亮時溫度會上升,。一般情況下，接合溫度越高,，發(fā)光效率就越低,。LED隨著輸入電流的增加盡管光通量會提高，但發(fā)熱量會變大,。由此會出現(xiàn)發(fā)光層的溫度（接合溫度）升高而使發(fā)光效率降低,，功耗增加，從而使接合溫度進一步上升的惡性循環(huán),。通過降低LED芯片封裝及該封裝安裝底板的熱阻,，使芯片產(chǎn)生的熱量得以散發(fā)，避免接合溫度上升等改進,，可以提高亮度,。

　　接合溫度為：熱阻×輸入電力+環(huán)境溫度，因此如果提高接合溫度的最大額定值,，即使環(huán)境溫度非常高,，LED也能正常工作。例如,，在白色LED中,，有的LED芯片品種的可容許接合溫度最高達到+185℃。接合溫度可因LED的點亮方式而大為不同,。例如,，脈沖驅(qū)動（向LED輸入斷續(xù)電流驅(qū)動，間歇點亮）LED時,，接合溫度就不容易上升,，而連續(xù)驅(qū)動（向LED輸入穩(wěn)定電流驅(qū)動,，連續(xù)點亮）LED,，接合溫度就容易上升。

 
芯片蓄熱的話光強就會降低

　　白色LED配備的LED芯片的發(fā)光層在點燈過程中溫度會上升,。一般情況下,，如果被稱為接合溫度的發(fā)光層部分的溫度上升，發(fā)光效率就會降低,，即使輸入電力也不亮,。通過降低LED芯片封裝和封裝底板的熱阻，散發(fā)芯片上產(chǎn)生的熱量,，設(shè)法使接合溫度不上升,，能夠使發(fā)光更亮

　　如果使用提高了接合溫度最大額定值的LED芯片，在安裝使用時能夠獲得很多優(yōu)點,。例如,，由于增加了輸入電力,，可提高輸出功率。還可以縮小底板的散熱片等,。

　　基片（substrate）

　　LED和半導體激光器等的發(fā)光部分的半導體層,，是在基片上生長結(jié)晶而成。采用的基片根據(jù)LED的發(fā)光波長不同而區(qū)分使用,。如果是藍色LED和白色LED等GaN類半導體材料的LED芯片,，則使用藍寶石、SiC和Si等作為基片,，如果是紅色LED等采用AlInGaP類材料的LED芯片,，則使用GaAs等作為基片。

　　因LED發(fā)光波長而使用不同基片的原因是為了選擇與LED發(fā)光部分——半導體結(jié)晶的晶格常數(shù)盡量接近的晶格常數(shù)的廉價基片材料,。這樣做晶格常數(shù)的差距（晶格失配）就會縮小,，在半導體層中阻礙發(fā)光的結(jié)晶缺陷的可能性就會減少。而且能降低LED芯片的單價,。另外,，藍紫色半導體激光器等電流密度和光輸出密度較大的元件，則采用昂貴的GaN基片,。GaN基片還用于部分藍色LED,。

 
底板剝離方法示例

　　歐司朗的做法是在藍寶石底板上形成GaN類結(jié)晶層，粘帖金屬反射膜,，然后再粘帖作為支持底板的Ge晶圓,。之后，利用激光照射溶解掉GaN類結(jié)晶層與藍寶石底板的界面部分,，剝離藍寶石底板,。

　　近年來，為了增加從LED芯片中提取光線,，在基片上形成半導體結(jié)晶層后,，將基片張貼到其他基片上的技術(shù)已經(jīng)實用化。在粘貼到其他基片上時,，與半導體結(jié)晶層之間的界面上設(shè)置了光的反射層,。反射層具有反射發(fā)光層朝向基片側(cè)的光線，將其提取到LED表面?zhèn)鹊男Ч?。除了已用于紅色LED外,，最近藍色LED等GaN類半導體LED芯片也擴大了采用。采用GaN類半導體材料的LED還有不張貼基片,，使之保持剝離狀態(tài)的方法,。

　　這些方法在外形尺寸較大的LED芯片上較為有效。大尺寸芯片存在著芯片內(nèi)發(fā)生的光射出芯片外時的光徑變長,，導致光在這一過程中發(fā)生衰減的問題,。該問題可通過張貼基片解決,。

　　外延生長（epitaxial growth）

　　在基片上生長結(jié)晶軸相互一致的結(jié)晶層的技術(shù)。用于制作沒有雜質(zhì)和缺陷的結(jié)晶層,。包括在基片上與氣體發(fā)生反應(yīng)以積累結(jié)晶層的VPE（氣相生長）法,、以及與溶液相互接觸以生長結(jié)晶相的LPE（液相生長）法等。

　　藍色LED,、白色LED以及藍紫色半導體激光器等GaN類發(fā)光元件一般采用VPE法之一的MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法進行生產(chǎn),。MOCVD采用有機金屬氣體等作為原料。藍色LED在藍寶石基片和SiC基片上,，藍紫色半導體激光器在GaN基片上使用MOCVD裝置使得GaN類半導體層形成外延生長,。

 
“404專利”的內(nèi)容

　　中村修二提出專利權(quán)歸屬問題而進行訴訟的“404專利”，是將原料氣體封入藍寶石底板表面附近的方式之一,。在生長GaN類半導體膜的底板（藍寶石底板等）表面沿水平方向通入原料氣體,，同時為了將原料氣體固定在底板表面，沿垂直方向向底板表面通入非活性氣體,。

　　中村修二就其在日亞化學工業(yè)工作時所發(fā)明專利的“正當價格”與日亞化學工業(yè)展開的訴訟中所涉及的GaN類發(fā)光元件專利（專利第2628404號,，以下稱404專利）就是外延生長GaN類半導體層技術(shù)的相關(guān)專利。404專利是與在藍寶石基片表面附近封入原料氣體的技術(shù),。其特點是,，在生長GaN類半導體膜的基片（藍寶石基片等）表面沿水平方向通入原料氣體，同時為了將原料氣體固定在基片表面,，還沿垂直方向向基片表面通入非活性氣體,。