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，。