用InGaN蓝光LED与YAG荧光粉制造自然白光LED

用In G a N 蓝光LED 与YAG 荧光粉制造自然白光LED

①

王宇方②　杨志坚　丁晓民　姚光庆3　段洁菲3　林建华3　张国义③

(北京大学物理系人工微观结构和介观物理国家重点实验室　北京100871)

(3北京大学化学院　北京100871)

摘　要　报导了用国内自行研制的In G aN/G aN 蓝光发光二极管(L ED )与钇铝石榴石(YA G )荧光粉结合而得的白光发光二极管(W 2L ED )。在室温,正向电压315V ,正向电流20mA 时,W 2L ED 轴向亮度为1cd ,CIE 色坐标为(0131,0138),接近纯白色(0133,0133)。关键词　白光,L ED ,YA G 荧光粉

0　引言

全固体白光发光二极管(W 2L ED )将作为照明光源,取代以爱迪生发明的白炽灯泡为代表的照明光源,引发照明界的一场革命,这已取得科学界与产业界的共识[1,2]。作为照明光源,W 2L ED 具有体积小、寿命长等优点,而且,与白炽灯相比,后者的辐射主要集中在红外区,产生大量热量,W 2L ED 则是一种冷光源,辐射主要集中在可见光区,几乎不产生热,;与荧光灯相比,W 2L ED 的制造与使用过程都不会引入汞的污染,与叠有许多线状光谱的荧光灯光谱不同,W 2L ED 的连续光谱更接近自然光;此外,由于使用低于5V 的直流电源,W 2L ED 不会有50Hz 的闪烁现象;由于灯体封装在树脂中,W 2L ED 对震动等因素不敏感,比灯丝或灯管对环境的适应性更高。基于L ED 的种种优点,它将能取代部分难以更换或昂贵的发光设备[3],比如目前已开始应用在交通照明以及背景光照明等[4],甚至在医学上,W 2L ED 被用于内窥镜的照明,使无引线内窥镜得以实现[5]。

近年来,随着气相外延生长的化合物半导体薄膜技术的改进,特别是在金属有机化合气相沉积

(MOCVD )技术方面取得的巨大进展,用MOCVD 方法制成的发光二极管(L ED )显著地提高了发

光强度,并增加了颜色的变化范围。G aN 基蓝色L ED 出现后,红绿蓝三色L ED 全部完成,几乎

可以实现人眼能分辨的的全部颜色。其中白色

L ED 成了人们关注的焦点[6]。

1　方法和材料

1931国际照明委员会(CIE )色度图(见图1)显

示了颜色之间的关系。色度图是建立在人眼视网膜有三种不同的颜色感应细胞的基础上。相应每种细胞的不同响应,每种颜色可以用三个色度参量(X ,Y ,Z )来表示。又由于理论上任何颜色都可以用三基色混合而成,用归一化的色坐标(x ,y ,z )表示这三种基色所占的份量,x +y +z =100%,z 由(x ,y )

唯一

(其中E 代表纯白色,X 代表W 2L ED 的颜色)

图1　CIE(x ,y )色度图

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7—王宇方等:用In G aN 蓝光L ED 与Y A G 荧光粉制造自然白光L ED

①②③联系人。

(收稿日期:2001203213)

女,1981年生,大学生;研究方向:半导体器件物理。国家自然科学基金(69876002)、863计划(8632307)和箬政基金资助项目。

确定,因此任何颜色都可以用(x ,y )色度图上的点来表示。图中E 是概念中的纯白色,坐标为(0133,0133)。作为色彩混合的一个例子,白光可以用若干方法得到。它可以是可见光区的连续光谱,如日光、白炽灯的黑体辐射,也可以是由若干光谱色合成,如汞灯的线状光谱[7]。这里的W 2L ED 所发出的白光是由In G aN/G aN 蓝光L ED 的蓝光与YA G 荧光粉发出的黄光合成[5],色坐标(0131,0138)接近纯白色点。

照明光的光谱不同,物体反射光的颜色也不同,甚至面目全非。人们习惯于看日光下的东西,所以用日光来定义照明光的显色指数,也就是色彩还原性。规定能将标准检测色还原到日光下颜色的光源,其显色指数为100,是显色指数的最大值。W 2L ED 显色指数为60～70,与普通荧光灯接近

。

图2　蓝光光谱

图3　YAG 发射光谱

采用低压MOCVD 技术制成的单量子阱

(SQW )In G aN/G aN 蓝光L ED 的电致发光光谱如图2,发光峰为460nm ,半峰值全宽(FWHM )为30nm 。荧光染料是高温烧结制成的含Ce 3+的钇铝

石榴石(YA G )荧光粉,吸收峰为460nm ,发射光谱如图3。发射谱是可见光区内的宽谱,峰值550nm ,颜色为黄色。蓝光L ED 基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YA G 的树脂薄层

,约200～500nm ,YA G 的质量含量为30%～50%。L ED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。之所以采用这种方法,是因为这样得到的白光均匀稳定,与红绿蓝三基色白光等相比,更接近自然日光[4]。发光部分封装在树脂中,成为直径3mm ( 3)的L ED 。

2　结果

改变YA G 的含量制得一系列L ED ,它们颜色的(x ,y )坐标如图4所示。正如色彩相加混合原理所预计,它们分布在直线AB 上,E 是概念中的纯白光。这说明可以通过改变YA G 的含量来控制L ED 的固有色。进一步加大YA G 含量,则有可能得到不同的白色甚至黄色。

图4　LE D 色度随荧光粉含量的变化

W 2L ED 的xy 色坐标为(0131,0138)。根据相

关色温公式(McCamy ,1992)[8]:

T =-437n 3+3601n 2-6861n +5514131

n =(x -013320)/(y -011858)可知其色温为6400K 。调节荧光粉的含量,色温可以在5000～20000K 间变化。通过对标准检测色的还原程度计算[8],W 2L ED 的显色指数多在70左右。

W 2L ED 发光光谱如图5,亮度通常是1cd ,个别达到2cd ,甚至3cd 以上。可以看出,发光光谱是由一个宽带和一个窄带组成,峰值分别在460nm ,即蓝光L ED 发射峰和主要在550nm 的宽带谱,即YA G 的发射峰。光谱能量分布集中在可见光区,包含了从蓝到红的全可见波长。

W 2L ED 光强的角分布如图6。可以看出,它是一种高聚光发光二极管,半强度角约为15°。同时,

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7—高技术通讯　2002.07

图5　W 2LE D

光谱

图6　W 2白色LE D 光强角分布

改善封装工艺,减小半强度角或提高YA G 在树脂

中溶解的均匀性,也有助于提高轴向亮度,使其具有更好的色彩还原性,并且通过控制YA G 含量,还可得到一系列适用于不同用途的白色,如冷白、日光色、暖白、紫白等。

总之,W 2L ED 是结合In G aN 蓝色L ED 与YA G 荧光粉而得,固有色随荧光物质的量变化而改变。在室温,正向电压315V ,正向电流20mA 时,其轴向亮度1cd ,xy 色度坐标(0131,0138)。

致谢:本实验测量数据由中科院半导体研究所提供,在此表示衷

心感谢!

参考文献:

[1]梁春广.半导体情报,2000,37(1):1

[2]Savage N.Technology Review ,2000,103(5):38[3]Engelke R.Elect ronic Design ,1999,47(1):20[4]Cohen S.Elect ronic News ,1997,43(2115):25[5]Iddan G.N ature ,2000,405(6785):417[6]杨笑卫.中国照明电器,2000,1:27

[7]Ponce F A ,Bour D P.N ature ,1997,386(2):351[8]大田登.色彩工学.西安交通大学出版社,1998.102

The F abrication of White LED Using In G a N B lue LED

and YAG Fluorescence

Wang Yufang ,Yang Zhijian ,Ding Xiaomin ,Yao Guangqing 3,Duan Jiefei 3,Lin Jianhua 3,Zhang Guoyi

(State Key Lab for Mesoscopic Physics ,Department of Physics ,Peking University ,Beijing 100871)

(3College of Chemistry ,Peking University ,Beijing 100871)

Abstract

It is reported that the white light emitting diodes are fabricated by combining In G aN/G aN blue L ED and YA G fluorescence.At forward voltage V f =3.5V ,forward current I f =20mA ,and room temperature ,the lumi 2nous intensity of the white L ED is 1cd ,and the chromaticity coordinate of CIE (x ,y )(0.31,0.38),which is near to the pure white (0.33,0.33).

K ey w ords :White light ,L ED ,YA G fluorescence

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7—王宇方等:用In G aN 蓝光L ED 与Y A G 荧光粉制造自然白光L ED