白光發(fā)光二極管課件

1、第十三章 白光發(fā)光二極管 White light-emitting diode，WLED一、概述20世紀90年代藍光LED和長波紫外激光二極管技術上突破及產業(yè)化光電子、照明工程科技領域中的一大成就固體光源小型固體化，耐振動，不易損壞，瞬時啟動和快響應(s)，節(jié)能且壽命長(萬小時)，無污染綠色環(huán)保節(jié)能光源受到重視白光光效已超過100 lm/W照明光源分類真空電光源器件第一代照明光源白熾燈泡第二代照明光源普通和緊湊型熒光燈第三代照明光源各種類型的高強度氣體放電燈固體光源第四代照明光源以半導體化合物InGaN為基礎的白光LED二、白光發(fā)光二極管的基本原理和光能轉換實現白光LED的基本原理和方案(1)

2、藍光LED芯片與熒光體組合發(fā)藍光半導體化合物芯片和可被藍光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光體(無機或有機)有機結合組成白光LED藍光和黃光混合獲得白光半導體化合物芯片發(fā)射藍光：p-n結電致發(fā)光熒光體發(fā)射的黃光實現藍光黃光的光能轉換，屬于典型的光致發(fā)光調整涂敷的發(fā)黃光的熒光體的品種和用量，可以獲得不同色溫的白光主流技術方案一實例發(fā)藍光InGaN芯片和涂有發(fā)黃光的 (Y, Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+黃色熒光體封裝組成白光LED(2)紫外光LED芯片或紫外激光二極管(LD)芯片和紅、綠、藍三基色熒光體三基色熒光體實現UVVIS光能轉換屬于光致發(fā)光特點：高效率熒光體種類豐富光效高顯色指數高相關色溫當

3、前發(fā)展的重點405nm和395nm藍紫光LED和LD、更短的382nm, 365nm等UV LED已被研制且商品化（3）多基色LED組合將發(fā)藍光和黃光兩基色芯片或紅、綠、藍三基色芯片組裝成一個LED或者按兩基色和三基色要求，將兩個、三個LED組合一起成為一個發(fā)白光像素屬于P-n結電致發(fā)光（4）ZnSe白光LED在ZnSe單晶基片上形成發(fā)藍光的(Zn,Cd)Se薄膜（發(fā)射藍光）部分藍光被ZnSe基片吸收，激發(fā)基片發(fā)射出寬帶黃光不成熟（5） 白光有機LED三、藍芯片一熒光體白光LED器件的結構和制造工藝典型的白光LED為子彈型子彈頭直徑分別有3mm, 5mm, 8mm等不同尺寸，但其內部結構相同比

4、普通發(fā)光二極管多兩道關鍵工藝熒光粉散射劑使白光光色均勻SiO2、TiO2等器件的結構和封裝是制造高光通、長壽命LED的關鍵半球型封裝,平面封裝和多芯片組合四、白光發(fā)光二極管用熒光粉在藍光、長波紫外光激發(fā)下，產生高效的可見光發(fā)射發(fā)射光譜滿足白光要求效率高激發(fā)光譜應與LED芯片的藍光或紫外光發(fā)射光譜相匹配優(yōu)良的溫度猝滅特性物理、化學性能穩(wěn)定,抗潮，不與封裝材料、半導體芯片等發(fā)生作用耐紫外光子長期轟擊性能穩(wěn)定顆粒細（8微米以下）可被藍光有效激發(fā)發(fā)射可見光的熒光體種類不多可被長波紫外光激發(fā)的熒光體的種類和材料很豐富可被藍光長波紫外光激發(fā)發(fā)射可見光的熒光體分為13大類 （1）稀土石榴石；（2）堿土金屬硫

5、代鎵酸鹽；（3）堿土金屬硫化物；（4）ZnS型；（5）堿土金屬鋁酸鹽；（6）磷酸鹽；（7）硼酸鹽；（8）硅酸鹽；（9）氟砷(鍺)酸鹽；（10）稀土硫氧化物；（11）稀土氧化物；（12）釩酸鹽；（13）氮化物受白光LED發(fā)展的刺激，一些新體系熒光體還將會誕生可被長波紫外、藍光激發(fā)的熒光體種類序號種類名稱組成特性1Ce3+激活的稀土石榴石體系（YAG:Ce體系）Y3Al5O12:Ce， Y3Ga5O12:Ce,(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:CeYAG:Ce,M（M=Pr, Sm, Eu等）能被320365nm長波UV及405510nm藍光有效激發(fā)，發(fā)射高效綠-黃-帶橙黃可見光，物理化學性質

6、很穩(wěn)定2Eu2+，Ce3+激活的堿土金屬硫代鎵酸鹽體系(Sr,M2+)(Ga,M3+)2S4:RM2+=Mg, Ca, Ba； M3+=Al, InR=Eu2+,Ce3+長波UV-藍光有效激發(fā)，發(fā)射藍綠-綠-黃-黃橙可見光，制備復雜，性能不穩(wěn)定，潮解3Eu2+，Ce3+激活的堿土金屬硫化物MS:Eu2+, MS:Ce3+M=Ca, Sr, Ba可被長波UV520nm有效激發(fā)，發(fā)射高效的綠-紅色可見光，不穩(wěn)定易潮解4硫化鋅熒光體(Zn, Cd)S:Ag, ClZnS:Cu, ZnS:Cu, Ag, Al彩電藍色和綠色熒光體，可被長波UV藍光有效激發(fā)，較不穩(wěn)定5Eu2+激活的堿土金屬鋁酸鹽BaMg

7、Al10O17:Eu2+或Eu2+Mn2+BaMg2Al16O27:Eu2+或Eu2+Mn2+熒光燈用藍色熒光體，長波UV藍紫光有效激發(fā)，發(fā)射藍-綠光CaAl2O4:Eu2+或Eu2+Re3+SrAl2O4:Eu2+或Eu2+Re3+Sr4Al14O25:Eu2+或Eu2+Re3+可被長波UV藍光有效激發(fā)，發(fā)射藍-綠-黃綠光，性能不穩(wěn)定，潮解，顆粒大（10微米以上）序號種類名稱組成特性6Eu2+激活的堿土金屬鹵磷酸鹽(Sr, M)10(PO4)6:Eu2+M=Ca, Ba, Mg長波UV440nm藍紫光有效激發(fā)，發(fā)射藍-藍綠光Sn2+或Eu2+激活的磷酸鹽2SrO0.84P2O50.16B2O

8、3:Eu,(Sr, M)3(PO4)2:Sn長波UV激發(fā)，發(fā)射紅光-藍綠光7稀土激活的硼酸鹽YBO3:Ce, Tb長波UV激發(fā)，發(fā)射綠光8Ce3+,Tb3+共激活的硅酸鹽，Eu2+激活的焦硅酸鹽， Eu2+激活的焦硅酸鹽Y2SiO5:Ce, Tb; CaSiO3:Ce, Tb; Ba2(Mg,Zn)Si2O7:Eu;MMg2SiO7:Eu2+,Mn2+長波UV有效激發(fā)，發(fā)射綠光、紅光、藍光，性能穩(wěn)定Eu2+激活的鹵硅酸鹽Ca8M(SiO4)4Cl2:Eu2+; Ca8M(SiO4)4Cl2:Eu2+, A(A=Ce3+,Mn2+), M=Mg,ZnSr4Si3O8Cl4:Eu2+長波UV470

9、nm藍光激發(fā)，發(fā)射藍綠-綠光長波UV420nm有效激發(fā)，發(fā)射藍綠光9Mn4+激活的氟砷（鍺）酸鎂6MgOAs2O5:Mn4+3.5MgO0.5MgF2GeO2:Mn4+發(fā)射紅光（655nm），砷化物有毒10Eu3+激活的稀土硫氧化物Ln2O2S:Eu; Ln2O2S:Eu,Sm; Ln=Y, Gd, La彩電紅粉，300360nm最佳激發(fā)，280400nm相對效率很低，發(fā)射626nm的銳線紅光11稀土氧化物Y2O3:Eu, Bi310390nm可以激發(fā)，發(fā)射611nm紅光，但效率低12稀土釩酸鹽YVO4:Re3+或Re3+Bi3+Y(V, P)4:Re3+(Re=Eu, Sm, Dy)3103

10、60nm有效激發(fā)，Eu3+發(fā)射紅光，Dy3+發(fā)射白光，溫度特性優(yōu)良13稀土激活的氮化物M-Al-Si-O-N:Re; M-Si-N:Eu2+;(M=堿土, Zn, Mg)Y-Si-O-N:Re350550nm光激發(fā)，發(fā)射高效綠光-紅光，制備很復雜，高溫高壓制備白光LED熒光體現狀綜合物理化學性質，特別是發(fā)光效率、溫度猝滅特性后，真正可實用的熒光粉材料并不多特別缺少性能優(yōu)良的紅色熒光體Ce3+激活的稀土石榴石體系熒光體成為藍光InGaN LED芯片組合首選發(fā)光材料吸收和激發(fā)光譜與InGaN芯片的藍色發(fā)光光譜匹配最佳發(fā)射光譜范圍很寬，綠-黃-帶橙黃光斯托克斯位移適中,發(fā)光效率高性能穩(wěn)定，耐電子束、

11、紫外和可見光子的轟擊普遍YAG:Ce3+用做白光LED的黃成分熒光體（1） Ce3+激活的稀土石榴石體系組成和結構具有石榴石晶體結構的熒光體和激光材料通常稱為石榴石熒光體、石榴石激光材料(晶體)組成可用A3B2(C)3O12通式來表示石榴石又分鋁(鎵)酸鹽、鍺酸鹽和硅酸鹽等鹽類，都具有發(fā)光和激光特性B和(C)離子分別位于八面體和四面體的中心,氧與之配位。這些八面體和四面體占據的空間形成十二面體，中心位置上是A離子，由氧配位。三價稀土離子位于十二面體A格位上三價稀土離子，Ce3+，Pr3+，Nd3+，Tm3“，Yb3+摻雜可以獲得高效的發(fā)光和激光材料YAG:Ce3+的發(fā)光性質發(fā)光起源于Ce3+的

12、受激電子從能量最低的5d激發(fā)態(tài)輻射躍遷至4f組態(tài)的7F7/2和7F5/2基態(tài)兩基態(tài)能級的能量間距約2000cm-1(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce體系中，在藍光激發(fā)下，發(fā)射光譜從470nm延伸到700nm附近發(fā)射光譜的結構，不僅與Ce3+的濃度有關，而且與Gd3+和Ga3+的含量有關 隨Gd3+取代Y3+量增加，發(fā)射光譜和發(fā)射峰向長波移動 隨著Ga3+取代AI3+量增加，則向短波移動 在藍區(qū)的激發(fā)光譜中, 是隨Gd3+取代Y3+量增加，激發(fā)光譜向長波移動 Ga3+取代Al3+后,則向短波移動YAG:Ce,PrCe3+的寬發(fā)射帶的紅光區(qū)上，疊加了峰值為610nm銳發(fā)射峰,和

13、638nm的弱發(fā)射峰Pr3+的4f能級間的躍遷發(fā)射Pr3+-Ce3+離子間發(fā)生能量傳遞。在Ce3+的寬發(fā)射帶上增加Pr3+離子的特征紅發(fā)射, 就是增加熒光體中紅成分。可使白光LED的顯色指數提高YAG:Ce3+合成通常采用高溫固相反應法高純的-Al203、Y2O3、Gd203、CeO2、Pr6011、Ga2O3按化學計量比稱重、加入少量助熔劑（如PbO）還原性氣氛，1500以上的高溫煅燒（2） Eu2+激活的氯硅酸鎂鋅鈣體系氯硅酸鎂鈣（Ca8Mg(SiO4)4Cl2，簡稱CMSC）氯硅酸鋅鈣（Ca8Zn(SiO4)4Cl2，簡稱CZSC）長波UV藍光（300470nm）的光譜范圍內，Eu2+均能被有效地激發(fā)（激發(fā)態(tài)4f65d1）發(fā)射強綠光（5d態(tài)躍遷發(fā)射）高溫固相反應原料：CaCO3、SiO2、CaCl2、MgO、ZnO及相關的激活劑，CaCl2過量。還原性氣氛，10001200煅燒（3）Eu2+激活的藍色熒光體和紅色熒光體能被短波和長波UV輻射有效激發(fā)的藍色熒光體有三大類：（1） Eu2+激活的，Eu2+Mn2+共激活的BaMgAl1007和BaMg2Al16027鋁酸鹽(2)具有磷灰石結構的（Sr，Ba，Ca，Mg)5(PO4)3C