五基色LED照明光源技术进展

刘军林，莫春兰，张建立，王光绪，徐龙权，丁 杰，李树强，王小兰，吴小明，潘 拴，方 芳，全知觉，郑畅达，郭 醒，陈 芳，江风益

(1.南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心，江西南昌 330047；2. 南昌黄绿照明有限公司，江西南昌 330047)

五基色LED照明光源技术进展

刘军林1,2，莫春兰1,2，张建立1,2，王光绪1,2，徐龙权1,2，丁 杰1,2，李树强1,2，王小兰1,2，吴小明1,2，潘 拴1,2，方 芳1,2，全知觉1,2，郑畅达1,2，郭 醒1,2，陈 芳1,2，江风益1

(1.南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心，江西南昌 330047；2. 南昌黄绿照明有限公司，江西南昌 330047)

现有的白光LED是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的，虽然其光电转换效率已远超白炽灯和日光灯，但其显色指数、色温和光效之间难以协调发展。采用多色高效率LED(红、黄、绿、青、蓝光)可合成低色温、高显色指数、高光效、对人眼安全与舒适的全光谱无荧光粉白光光源，是下一代高品质光源。其难点在于获得高光效黄光LED。目前我们在黄光LED光效提升方面取得重大突破，获得了电光转换功率效率高达21.5%的硅衬底InGaN基黄光LED(565nm，20A/cm2)，对应130 lm/W，远好于文献报道和可查询到的最高水平。基于红、黄、绿、青、蓝五色LED芯片合成的白光灯珠，显色指数94.8，色温3 263K，光效100.5 lm/W，达到了实用化水平。无荧光粉五基色LED照明技术省去了稀土这一稀缺资源，具有现实价值和战略意义，同时在可见光通信、情景照明、智能照明方面有优势。

五基色；高品质；LED照明；黄光LED

引言

1962年，美国通用电气公司(GE)的Holonyak发明了世界上第一支实用化的磷砷化镓(GaAsP)红光LED[1]，之后基于砷化镓和磷化镓材料体系的橙光、黄光LED相继出现，在显示方面得到了广泛应用。20世纪90年代，高光效GaN基蓝光LED技术取得突破[2-5]，同时基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光技术问世，促使LED逐渐被应用于通用照明、显示、显像、背光、投影、农业、医疗等多种领域，深入到人类生活的各个角落，产生了巨大的经济和社会效益。

目前国际上蓝光LED主要有三条技术路线，分别是蓝宝石衬底、碳化硅衬底以及硅衬底GaN基LED技术路线。蓝宝石衬底GaN基LED技术起步最早，相关技术及产业链最成熟，是目前市场上的主流技术路线，主要贡献者赤崎勇、天野浩和中村修二因此获得2014年度诺贝尔物理学奖。碳化硅衬底GaN基LED技术因衬底价格昂贵而被称为“贵族技术路线”，主要贡献者Carter获得2003年度美国总统技术奖。第三条技术路线硅衬底GaN基LED技术是我国发展起来的，获2015年度中国国家技术发明一等奖。

近十年来，随着蓝光LED光效的迅速提升，LED市场规模高速增长。2016年我国LED上中下游产值达到5 216亿元[6]。

现有的白光LED是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的，虽然其光电转换效率已远超白炽灯和日光灯，但其显色指数、色温和光效之间难以协调发展，光效高的时候其色温高、显色指数较低，色温低、显色指数高的时候光效明显下降，且因白光中短波长蓝光占比过多，容易引起视觉疲劳。因此有必要发展一种光效和光品质协调发展的新技术，即显色指数、色温和光效之间能同步协调发展，且蓝光占比合理，人眼视觉舒适。

1 高品质LED照明技术路线

高品质LED照明应具备低色温、高显色指数、高光效、对人眼安全与舒适等特点。从技术上讲，实现高品质LED照明主要有两种途径，途径一是采用多色高效率LED(如红、黄、绿、青、蓝光)合成全光谱白光，途径二是采用蓝光LED激发多色荧光粉(如红粉、黄粉、绿粉、青粉等)获得白光。

途径一从物理本质上讲是最适合的方法，是下一代半导体照明技术。首先没有LED激发荧光粉带来的能量损失，其次通过多色LED的单独控制可以在较大范围内调节光谱，为可见光通信、智慧照明、情景照明等提供灵活可调的光源。在可见光LED七彩色范围内，黄光LED的电光转换功率效率长期低于10%，而其他颜色的LED均高于此值，这种“黄光鸿沟”问题是LED鼻祖Holonyak教授5年前所说“LED技术仍处于婴儿期”的主要原因，也成为获得高品质五基色LED照明光源的瓶颈。图1给出了2015年之前国际上一流水平的五种单色光LED电光转换功率效率(英文缩写为WPE)。

图1 2015年前，国际上五种单色LED电光转换功率效率水平Fig.1 Wall plug efficiency of the top level five monochrome LEDs before 2015

虽然2015年前黄光光效低，但其发展历史却已很长。早在1965年，美国Bell实验室的D.G.Thomas 就在掺N的GaP中观察到黄光光致发光现象[7]。1971年，美国Monsanto公司M. G. Craford在GaAs衬底上制备了第一支GaAsP基pn结黄光LED，电光转换功率效率只有0.01%左右[8]。1990年，美国HP公司采用MOCVD技术在GaAs衬底上生长了AlGaInP四元系黄光LED，电光转换功率效率约0.5%(波长574 nm，电流密度30A/cm2)[9]。1994年，美国HP公司在原外延材料的基础上，去掉吸光的GaAs衬底，将发光材料转移到GaP基板上，使黄光发光效率在原来基础上提升至1.3%(波长571 nm，电流密度44A/cm2)[10]。2008年，美国UCSB的中村修二课题组在半极性面GaN体单晶衬底上生长了InGaN单量子阱黄光LED，电光转换功率效率达到5.5%(波长562 nm，电流密度7A/cm2)[11]，使GaN基黄光效率超过GaP基黄光。2013年，日本东芝公司在蓝宝石衬底上生长了多量子阱结构InGaN黄光LED，电光转换功率效率达到9.63%(波长569 nm，电流密度9.5A/cm2)[12]。2013年，南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心(以下简称为“本单位”)开始研究硅衬底InGaN黄光LED[13]，截至2016年底，电光转换功率效率达到21.5%(波长565 nm，电流密度20A/cm2)，对应130 lm/W，为五基色LED照明提供了重要支撑。图2为黄光LED功率效率发展历程。

图2 黄光LED功率效率发展历程Fig.2 The development progress of wall-plug efficiency of yellow LEDs

通过理论计算，当蓝光(455 nm)、青光(490 nm)、绿光(520 nm)、黄光(570 nm)和红光(625 nm)的电光转换功率效率分别达到70%、55%、45%、25%、55%时，可以混合获得色温3 000K，显色指数97.8，光效高达136lm/W的高品质五基色LED白光光源，此时蓝光占比仅8.76%，图3给出了其光谱图。

图3 五基色LED合成白光光谱图Fig.3 Spectra of white light combined by five monochrome LEDs

途径二是对现有蓝光LED激发黄色荧光粉技术的升级与提升。通过理论计算，采用电光转换功率效率70%的蓝光(455 nm)激发量子效率90%的绿色荧光粉和量子效率70%的红色荧光粉，也可获得色温5 000K，显色指数97.5，光效115lm/W的高品质白光光源，此时蓝光占比为13.7%，光谱如图4所示。

图4 蓝光LED激发绿色和红色荧光粉获得的白光光谱Fig.4 White light spectra of converting blue LEDs by green and red phosphor

2 五基色LED照明技术最新进展

围绕“黄光鸿沟”问题，本单位近3年来开展了系统研究，获得了电光转换功率效率显著高于国外公开报道最高水平的黄光和绿光LED，如图5所示。图5是本单位研发的硅衬底绿光及黄光LED电光转换功率效率(20A/cm2电流密度下)与国外公开报道最高水平的对比，本单位565 nm黄光功率效率达到21.5%，图5中方框代表2013年日本东芝公司报道的在蓝宝石衬底上生长的多量子阱结构InGaN黄光LED，电光转换功率效率为9.63%(波长569 nm，电流密度9.5A/cm2)，图5中圆圈代表2014年德国Osram公司报道的蓝宝石衬底InGaN基绿光LED，功率效率为25.8%(波长530 nm，电流密度35A/cm2)。

图5 本单位研发的硅衬底高光效绿光和黄光LED电光转换功率效率Fig.5 The wall-plug efficiency of InGaN green and yellow LED on silicon substrate by our team

基于本单位研发的高光效硅衬底蓝光(455 nm)、青光(490 nm)、绿光(530 nm)、黄光(570 nm)LED，以及外购高光效红光(629 nm)LED，我们研发了高品质五基色LED白光灯珠，显色指数94.8，色温3 263 K，光效100.5 lm/W，达到了实用化水平，图6给出了其光谱图。

图6 实验获得的五基色LED白光(无荧光粉)光谱图Fig.6 Experimentally obtained spectra of white light combined by five monochrome LEDs

3 展望

随着红、黄、绿、青和蓝光LED，尤其是黄光LED光效的不断提升，五基色白光LED照明技术将在光效和光品质方面同时获得提升，成为理想的照明光源。这项技术不仅省去了稀土这一稀缺资源，还使白光LED成为真正的半导体器件，具备了寿命和可靠性方面的优势，具有现实价值和战略意义。

五基色白光LED照明技术和采有蓝光激发黄色荧光粉产生白光的技术相比，避免了荧光响应延迟问题，并具有五个单独的通信通道，因此在满足照明的同时，在可见光通信方面具有更高的通信速率。而光谱灵活可调的特性使其在情景照明、智能照明方面具有明显优势。

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[6] 国家半导体照明工程研发及产业联盟产业研究院. 2016年中国半导体照明产业发展白皮书.2016.

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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，FANG 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

国家重点研发计划(批准号：2016YFB0400600)，国家自然科学基金(批准号：61334001)

江风益，E-mail：jiangfy@ncu.edu.cn

TM923

A

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