用InGaN藍(lán)光LED與YAG熒光粉制造自然白光LED0001

1、北京大學(xué)政學(xué)者論文集（2001年）用InGaN藍(lán)光LED與YAG熒光粉制造自然白光 LED用InGaN藍(lán)光LED與 YAG熒光粉制造自然白光 LEDThe Fabrication of White LEDUsing InGaN Blue LEDand YAG Fluoresce nee物理學(xué)院物理學(xué)系98級 王宇方摘要本文報導(dǎo)了通過結(jié)合自行研制的InGaN/GaN藍(lán)光發(fā)光二極管(LED與釔鋁 石榴石(YAG)熒光粉結(jié)合而得的白光發(fā)光二極管(W-LED。在室溫、正向電壓3.5V、正向電流20mA寸W-LEDtt向亮度為led，CIE色坐標(biāo)為(0.31,0.38 )，接 近純白色(0.33,0.3

2、3 )。關(guān)鍵詞：白光，LED，YAG熒光粉AbstractIt is reported that the white light emitting diodes are fabricated by combining InGaN/GaNblue LEDand YAGfluorescenee. At forward voltage M=3.5V, forward current I f=20mA, and room temperature, the luminous inten sity of the white LED is 1cd, and the chromaticity coord in

3、 ate (x,y) (0.31, 0.38), which is near to the pure white (0.33,0.33).Key words: white light, LED, YAG fluoresce nee全固體白光發(fā)光二極管(W-LED將作為照明光源取代以愛迪生發(fā)明的白熾 燈泡為代表的照明光源，引發(fā)照明界的一場革命，已取得科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的共識。1，2作為照明光源，W-LED具有體積小、壽命長等優(yōu)點，而且，與白熾燈相比， 后者的輻射主要集中在紅外區(qū)，產(chǎn)生大量熱量，W-LE:則是一種冷光源，輻射主要集中在可見光區(qū)，幾乎不產(chǎn)生熱，也消除了非可見光區(qū)電磁波對人體的危害； 與熒

4、光燈相比，W-LED的制造與使用過程都不會引入汞的污染，與疊有許多線狀 光譜的熒光燈光譜，W-LED的連續(xù)光譜更接近自然光；此外，由于使用低于5V的直流電源，W-LED不會有50Hz的閃爍現(xiàn)象；由于燈體封裝在樹脂中，W-LED對震動等因素不敏感，比燈絲或燈管對環(huán)境的適應(yīng)性更高。基于LED的種種優(yōu)點，它將能取代部分難以更換或昂貴的發(fā)光設(shè)備，比如目前已開始應(yīng)用在交通照明以及背景光照明等， 甚至在醫(yī)學(xué)上，W-LED被用于 內(nèi)窺鏡的照明，使無引線內(nèi)窺鏡得以實現(xiàn)。近年來，隨著氣相外延生長的化合物半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的改進(jìn)，特別是在金屬有機化合氣相沉積（MOCVD技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)展。用 MOCV方法制成的發(fā)

5、光 二極管（LED顯著的提高了發(fā)光強度，并增加了顏色的變化范圍。GaN基藍(lán)色LED出現(xiàn)后，紅綠藍(lán)三色LED全部完成，幾乎可以實現(xiàn)人眼能分辨的全部顏色。 其中白色LED成了人們關(guān)注的焦點。1931國際照明委員會（CIE）色度圖（如圖1）顯示了顏色之間的關(guān)系。色 度圖是建立在人眼視網(wǎng)膜上有三種不同的顏色感應(yīng)細(xì)胞的基礎(chǔ)上。相應(yīng)每種細(xì)胞的不同響應(yīng)，每種顏色可以用三個色度參量（X, Y，Z）來表示。又由于理論上 任何顏色都可以用三基色混合而成，用歸一化的色坐標(biāo)（x，y，z）表示這三種基色所占的份量，x+y+z=100% z由（x，y）唯一確定，因此任何顏色都可以用（x, y）色度圖上的點來表示。圖中E是

6、概念中的純白色，坐標(biāo)為（0.33,0.33 ）。 作為色彩混合的一個例子，白光可以用若干方法得到。它可以是可見光區(qū)的連續(xù) 光譜，如日光、白熾燈的黑體輻射，也可以是由若干光譜色合成，如汞燈的線狀 光譜。7這里的 W-LED所發(fā)出的白光是由InGaN/GaN藍(lán)光LED的藍(lán)光與YAG熒光 粉發(fā)出的黃光合成，5色坐標(biāo)（0.31,0.38 ）接近純白色點。圖1 : CIE（x,y）色度圖。其中 E代表純白色，X帶表 W-LED的顏色。照明光的光譜不同，物體反射光的顏色也不同，甚至面目全非。人們習(xí)慣于 看日光下的東西，所以用日光來定義照明光的顯色指數(shù)， 也就是色彩還原性。規(guī) 定能將標(biāo)準(zhǔn)檢測色還原到日光下顏

7、色的光源，其顯色指數(shù)為 100，顯色指數(shù)的最 大值。W-LEES色指數(shù)為6070,與普通熒光燈接近。采用低壓MOCV技術(shù)制成的單量子阱（SQW InGaN/GaN藍(lán)光LED的電致發(fā) 光光譜如圖2,發(fā)光峰為460nm半峰值全寬（FWHM為30nm熒光染料是高溫 燒結(jié)制成的含Ce3+的釔鋁石榴石（YAG熒光粉，吸收峰為460nm，發(fā)射光譜如圖 3。發(fā)射譜是可見光區(qū)內(nèi)的寬譜，峰值 550nm顏色為黃色。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG的樹脂薄層，約200-500nm YAG的質(zhì)量含量 為30-50% LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出 的黃光混合，可以

8、得到得白光。之所以采用這種方法，是因為這樣得到的白光均 勻穩(wěn)定，與紅綠藍(lán)三基色白光等相比，更接近自然日光。發(fā)光部分封裝在樹脂中，成為直徑3mm（3）的LED圖2，藍(lán)光光譜圖3，YAG發(fā)射光譜改變YAG的含量制得一系列LED它們顏色的（x，y）坐標(biāo)如圖4所示。正 如色彩相加混合原理所預(yù)計，它們分布在直線 AB上, E是概念中的純白光。這 說明可以通過改變YAG的含量來控制LED的固有色。進(jìn)一步加大YAG含量，則有 可能得到不同的白色甚至黃色。111北京大學(xué)政學(xué)者論文集(2001年)用InGaN藍(lán)光LED與YAG熒光粉制造自然白光 LED113圖4.LED色度隨熒光粉含量的變化W-LED的xy色坐

9、標(biāo)為(0.31,0.38)。根據(jù)相關(guān)色溫公式(McCamy 1992)問：32T=-437n +3601n-6861n+5514.31n=(x-0.3320)/(y-0.1858)可知其色溫為6400&調(diào)節(jié)熒光粉的含量，色溫可以在 500020000K間變化。 通過對標(biāo)準(zhǔn)檢測色的還原程度計算,W-LED的顯色指數(shù)多在70左右。發(fā)光光譜如圖5,亮度通常是1cd，個別達(dá)到2cd，甚至3cd以上?？梢钥?出發(fā)光光譜是由一個寬帶和一個窄帶組成，峰值分別在460nm即藍(lán)光LED發(fā)射峰和主要在550nm的寬帶譜，即YAG的發(fā)射峰。光譜能量分布集中在可見光區(qū)， 包含了從藍(lán)到紅的全可見波長。圖5白色LED光譜

10、圖6白色LED光強角分布W-LED光強的角分布如圖6?？梢钥闯鏊且环N高聚光發(fā)光二極管，半強度 角約為15。同時，改善封裝工藝，減小半強度角或提高YAG在樹脂中溶解的均勻性，也有助于提高軸向亮度。使其具有更好的色彩還原性。并且通過控制YAG含量得到一系列適用于不同用途的白色，如冷白、日光色、暖白、紫白等?？傊琖-LED是結(jié)合InGaN藍(lán)色LED與 YAG熒光粉而得，固有色隨熒光物質(zhì) 的量變化而改變。在室溫，正向電壓 3.5V，正向電流20mA寸，軸向亮度1cd， xy 色度坐標(biāo)(0.31，0.38)。致謝衷心感謝張國義老師一年來在科研上給我的精心指導(dǎo)與接觸前沿科技的機遇，張老師淵博的知識，嚴(yán)

11、謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，獨到的見解給我留下了深刻的印象。 感謝楊志堅老師在實驗上對我的指導(dǎo)， 鼓勵我放開手腳，大膽靈活地實現(xiàn)我的想 法。感謝丁曉民老師教我養(yǎng)成一絲不茍的科研習(xí)慣，丁老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都十分關(guān)心，她無微不至的關(guān)懷讓我深受感動。感謝GaN系列材料與器件研究組的全體老師和同學(xué)對我的關(guān)心與幫助。 感謝 政基金給我這個走進(jìn)實驗室的 機會參考文獻(xiàn)：1 梁春廣，半導(dǎo)體情報2000，37( 1)： 12 Savage N, Techno logy Review, 2000, 103(5):383 Engelke R, Electronic Design, 1999, 47(1):204 Cohe

12、n S, Electro nic News, 1997, 43(2115):255 Iddan G, Nature, 2000, 405(6785):417 楊笑衛(wèi)，中國照明電器2000, 1： 277 Ponee F A, Bour D P. Nature 1997， 386( 2): 351-98 大田 登，色彩工學(xué)，西安交通大學(xué)出版社1998: 102作者簡介：王宇方，女，1981年生，江西南昌人，1998年入北京大學(xué)物理系學(xué)習(xí)并參加北京大學(xué)理科試驗班。2000年參加 政基金活動，在張國義老師指導(dǎo) 下研究白光發(fā)光二極管的實現(xiàn)。2000年底研究組的白光發(fā)光二極管項目通過 863成果驗收。2001年參加全國光電子器件與集成技術(shù)會議，論文收入會議論文集，后來被轉(zhuǎn)載于“國際光電與顯示” 2001年8月第141頁。同時該論文也被“高 技術(shù)通訊”雜志接收。感悟與寄語：這一年來我看了很多書，學(xué)到很多知識；接觸了很多人，交了很多 朋友。而最主要的就是我感受到了研究的樂趣。 雖然由于進(jìn)實驗室，我不得不犧 牲一些課余時間，推遲一些個人的計劃，但這段寶貴