用InGaN蓝光LED与YAG荧光粉制造自然白光LED

用InGaN蓝光LED与YAG荧光粉制造自然白光LED
The Fabrication of White LED Using InGaN Blue LED and YAG
Fluorescence
物理学院物理学系98级王宇方
摘要
本文报导了通过结合自行研制的InGaN/GaN蓝光发光二极管（LED）与钇铝石榴石(YAG)荧光粉结合而得的白光发光二极管（W-LED）。

在室温、正向电压、正向电流20mA时W-LED轴向亮度为1cd，CIE色坐标为（,），接近纯白色（,）。

关键词：白光，LED，YAG荧光粉
Abstract
It is reported that the white light emitting diodes are fabricated by combining
InGaN/GaN blue LED and YAG fluorescence. At forward voltage V
f =, forward current I
f
=20mA,
and room temperature, the luminous intensity of the white LED is 1cd, and the chromaticity coordinate (x, y) , , which is near to the pure white ,.
Key words: white light, LED, YAG fluorescence
全固体白光发光二极管（W-LED）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，已取得科学界与产业界的共识。

[1，2]
作为照明光源，W-LED具有体积小、寿命长等优势，而且，与白炽灯相较，后者的辐射要紧集中在红外区，产生大量热量，W-LED那么是一种冷光源，辐射要紧集中在可见光区，几乎不产生热，也排除非可见光区电磁波对人体的危害；与荧光灯相较，W-LED的制造与利用进程都可不能引入汞的污染，与叠有许多线状光谱的荧光灯光谱，W-LED的持续光谱更接近自然光；另外，由于利用低于5V 的直流电源，W-LED可不能有50Hz的闪烁现象；由于灯体封装在树脂中，W-LED 对震动等因素不灵敏，比灯丝或灯管对环境的适应性更高。

基于LED的各类优势，它将能取代部份难以改换或昂贵的发光设备，比如目前已开始应用在交通照明和背景光照明等，[4]乃至在医学上，W-LED被用于内窥镜的照明，使无引线内窥镜得以实现。

[5]
最近几年来，随着气相外延生长的化合物半导体薄膜技术的改良，专门是在金属有机化合气相沉积(MOCVD)技术方面取得的庞大进展。

用MOCVD方式制成的发光二极管（LED）显著的提高了发光强度，并增加了颜色的转变范围。

GaN基蓝色LED显现后，红绿蓝三色LED全数完成，几乎能够实现人眼能分辨的全数颜色。

其中白色LED成了人们关注的核心。

[6]
1931国际照明委员会（CIE）色度图（如图1）显示了颜色之间的关系。

色度图是成立在人眼视网膜上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，每种颜色能够用三个色度参量（X，Y，Z）来表示。

又由于理论上任何颜色都能够用三基色混合而成，用归一化的色坐标（x，y，z）表示这三种基色所占的分量，x+y+z=100%，z由（x，y）唯一确信，因此任何颜色都能够用（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（,）。

作为色彩混合的一个例子，白光能够用假设干方式取得。

它能够是可见光区的持续光谱，如日光、白炽灯的黑体辐射，也能够是由假设干光谱色合成，如汞灯的线状光谱。

[7] 那个地址的W-LED所发出的白光是由InGaN/GaN蓝光LED的蓝光与YAG荧光粉发出的黄光合成，[5]色坐标（,）接近纯白色点。

图1：CIE（x,y）色度图。

其中E代表纯白色，X带表W-LED的颜色。

照明光的光谱不同，物体反射光的颜色也不同，乃至涣然一新。

人们适应于
看日光下的东西，因此用日光来概念照明光的显色指数，也确实是色彩还原性。

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，显色指数的最大值。

W-LED显色指数为60~70，与一般荧光灯接近。

采纳低压MOCVD技术制成的单量子阱（SQW）InGaN/GaN蓝光LED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Ce3+的钇铝石榴石（YAG）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LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm，YAG的质量含量为30-50%。

LED基片发出的蓝光部份被荧光粉吸收，另一部份蓝光与荧光粉发出的黄光混合，能够取得得白光。

之因此采纳这种方式，是因为如此取得的白光均匀稳固，与红绿蓝三基色白光等相较，更接近自然日光。

[4]发光部份封装在树脂中，成为直径3mm（Φ3）的LED。

图2，蓝光光谱图3，YAG发射光谱
改变YAG的含量制得一系列LED，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估量，它们散布在直线AB上，E是概念中的纯白光。

这说明能够通过改变YAG的含量来操纵LED的固有色。

进一步加大YAG含量，那么有可能取得不同的白色乃至黄色。

图色度随荧光粉含量的转变
W-LED的xy色坐标为,。

依照有关色温公式(McCamy，1992)[8]：
T=-437n3+3601n2-6861n+
n=/
可知其色温为6400K。

调剂荧光粉的含量，色温能够在5000～20000K间转变。

通过对标准检测色的还原程度计算[8]，W-LED的显色指数多在70左右。

发光光谱如图5，亮度一般是1cd，个别达到2cd，乃至3cd以上。

能够看动身光光谱是由一个宽带和一个窄带组成，峰值别离在460nm，即蓝光LED发射峰和要紧在550nm的宽带谱，即YAG的发射峰。

光谱能量散布集中在可见光区，包括了从蓝到红的全可见波长。

图5.白色LED光谱图6.白色LED光强角散布
W-LED光强的角散布如图6。

能够看出它是一种高聚光发光二极管，半强度角约为150。

同时，改善封装工艺，减小半强度角或提高YAG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。

而且通过操纵YAG 含量取得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-LED是结合InGaN蓝色LED与YAG荧光粉而得，固有色随荧光物质的量转变而改变。

在室温，正向电压，正向电流20mA时，轴向亮度1cd，xy色度坐标，。

致谢
衷心感激张国义教师一年来在科研上给我的精心指导与接触前沿科技的机缘，张教师渊博的知识，严谨的治学态度，独到的观点给我留下了深刻的印象。

感激杨志坚教师在实验上对我的指导，鼓舞我放开手脚，斗胆灵活地实现我的方式。

感激丁晓民教师教我养成一丝不苟的科研适应，丁教师对我的学习、生活和工作都十分关切，她无微不至的关切让我深受感动。

感激GaN系列材料与器件研究组的全部教师和同窗对我的关切与帮忙。

感激政基金给我那个走进实验室的机遇。

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, Electronic Design, 1999, 47(1):20
[4]Cohen S, Electronic News, 1997, 43(2115):25
[5]Iddan G, Nature, 2000, 405(6785):417
[6]杨笑卫，中国照明电器2000，1：27
[7]Ponce F A, Bour D P. Nature 1997，386（2）：351-9
[8]大田登，色彩工学，西安交通大学出版社1998：102
作者简介：王宇方，女，1981年生，江西南昌人，1998年入北京大学物理系学习并参加北京大学理科实验班。

2000年参加政基金活动，在张国义教师指导下研究白光发光二极管的实现。

2000年末研究组的白光发光二极管项目通过863功效验收。

2001年参加全国光电子器件与集成技术会议，论文收入会议论文集，后来被转载于“国际光电与显示”2001年8月第141页。

同时该论文也被“高技术通信”杂志接收。

感悟与寄语：这一年来我看了很多书，学到很多知识；接触了很多人，交了很多朋友。

而最要紧的确实是我感受到了研究的乐趣。

尽管由于进实验室，我不能不捐躯一些课余时刻，推延一些个人的打算，但这段宝贵的经历将使我终生难忘。

指导教师简介：张国义博士是北京大学物理学院教授，博士生导师，中国物理学会发光学会理事会常务理事，中国电子协会理事，《发光学报》、《液晶与显示》编辑委员会委员。

自1993年领导课题组开展氮化物半导体材料和器件的研究，前后两次组织召建国际氮化物半导体材料和器件专题研讨会，多次参加国际会议，多次被聘用为重大氮化物半导体国际会议的委员，发表论文100多篇，取得了丰硕研究功效。