白光发光二极管的制备技术及主要特性
第24卷 第4期
2003年8月
发 光 学 报
CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE
Vol124No.4
Aug.,2003
文章编号:100027032(2003)0420385205
白光发光二极管的制备技术及主要特性
蒋大鹏1,2,赵成久2,侯凤勤2,刘学彦2,范 翊2,
张立功1,2,褚明辉2,申德振1,2,范希武1,2
(11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激发态物理重点实验室,吉林长春 130033;
21中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130022)
摘要:利用发射波长为470nm的蓝光发光二极管作为基础光源,通过荧光粉转换方法制备白光发光二极管,
荧光粉主要采用稀土激活的铝酸盐Y3Al5O12∶Ce3+(YAG)。在工作电流为15mA条件下,所研制的白光LED
的法向光强为2890mcd;色坐标为x=0129,y=0133;显色指数为77;流明效率为1419lm/W。研究制备了不同色温的白光LED,色温范围从2700～8000K,研究了色温与色坐标之间的对应关系。并且与国外同类产品进行比较,部分指标已经超过了国外同类产品水平。关 键 词:白光LED;蓝光LED;荧光粉中图分类号:TN31218 文献标识码:A
1 引 言
20世纪60年代末,首只GaAsP红色发光二极管(以下简称LED)问世以来,经过近40年的努力,LED的科研和产业得到迅速发展。1985年LED
长5317%[10]。随着LED效率的迅速提高、成本的不断下降,LED市场正在由显示、指示向照明领域扩展,专家预计LED将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。LED技术进入照明领域的一个基本要求是利用LED技术实现白光,利用LED技术实现白光的途径主要有两种:一是采用红、绿、蓝三种颜色的发光二极管配成白光;二是通过荧光粉转换的方法实现白光[11]。国内也有相关单位开展了白光LED方面的研究工作,北京大学采用荧光粉转换的方法制备白光LED,并报道了他们的研究结果。在室温、20mA条件下,法向光强达到170mcd,色坐标为x=01296,y=01316,色温为7448K,显色指数为82[12]。我们也曾报道过白光LED面阵的主要技术指标,如亮度、流明效率、色坐
发光强度首次突破了1cd,主要是采用液相外延方法在GaAlAs材料中实现的[1],这就是后来人们称之为“高亮度LED”的开端。90年代初人们利用
MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法开展了In2GaAlP四元系材料的研究工作,这项研究工作不仅
大大地提高了发光二极管的效率,也将高亮度LED的光谱从红光扩展到黄光、黄绿光[2～5],从GaAsP,GaAlAs到InGaAlP,红光LED的发光效率提高了
近1000倍。但是,由于蓝光和绿光LED的效率一直非常低(低于10mcd)[6],蓝光和绿光成为LED广泛应用的一个屏障。90年代初以来,同样采用MOCVD方法,以氮化物为代表的蓝色和绿色LED
标、显色指数随激发电流密度的增加所发生的变化[13]。本文介绍了采用荧光粉转换的方法制备白光发光二极管以及获得的主要结果。
取得历史性突破,S1Nakamura成功地制备了高亮度InGaN蓝和绿光LED[7～9],蓝、绿光LED的突破使得LED形成三基色完备的发光体系,经过短短的几年,其亮度已经接近并赶上了红色LED。近五年来高亮度LED的市场迅速扩大,根据美国光电子学长远战略规划负责人RobertSteele的说法,从1995年到1999年高亮度LED的市场平均每年增
收稿日期:
基金项目: 作者简介:
2 实 验
211 白光LED的基本结构
采用荧光粉转换方法制备的白光LED,以GaN基蓝色LED的蓝色发光(470nm)为基础光源,用蓝色LED的发光激发荧光粉。蓝色发光二极管发出的蓝光部分透过荧光粉发射出来,部分
2002210215;修订日期:2003205220
中国科学院知识创新工程;吉林省科技厅重点项目资助项目
蒋大鹏(1963-),男,广西金县人,研究员,主要从事半导体发光材料与器件的研究。E2mail:[email protected],Tel:(0431)4627035
激发荧光粉,使荧光粉发出峰值为570nm的黄绿色光,透出的蓝色发光与荧光粉发出的黄绿色光组成白光(见图1)。制备的白光发光二极管的发射光谱示于图2
。
测试中心进行的。213 测试结果
表1 白光LED法向光强和色坐标测试结果
Table1 Theresultsofluminescentintensityandcolorcoor2
dinatesofwhiteLED.
生产
国家
日本台湾德国美国我们的样品
产品型号
NSPW500BSTL503WCU
电流(mA)
15151515
色坐标
x
[***********]29
y
[***********]33
法向光强(mcd)
[***********]0
W2HU47015
注:本结果在北京半导体所测得,测试系统符合国际照明委员会标准
图1 白光LED示意图
Fig.1 SketchmapofwhiteL
ED.
3 结果与分析
311 白光LED用荧光粉
采用的荧光粉为稀土Ce3+激活的铝酸盐Y3Al5O12∶Ce3+(YAG),激发光谱如图3(a)所示,其激发峰在470nm,正好与蓝色发光二极管的发射峰相匹配,这样可以确保荧光粉的光转换效率。荧光粉的发射光谱如图3(b)所示,发射光谱是一个峰值在570nm的宽带发射谱。从色坐标图(图4,见彩图2)中可以看出570nm的发射光与470nm蓝色发光二极管的发射光可以匹配合成白光,但所合成的白光的色坐标x值偏低,实验测得此白光LED的色坐标为x=0129,y=0133,红光部分偏低。要想使白光LED的色坐标接近x=0133,y=0133有两种途径:一是将荧光粉的发射光谱移向长波方向,使其发射光谱的峰值移到575nm;二是在荧光粉中加入适量的红色荧光粉,弥补红光不足的弱点。研制不同色温的白光LED也需要研制激发峰值在460～470nm
的红色荧光粉。
图2 白光LED电致发光光谱
Fig.2 ELspectrumofwhiteLED.
212 发光测试
光强和色坐标测试是在北京半导体所进行,采用的仪器是LabsphereLED21100,该仪器符合
国际照明委员会标准。流明效率和显色指数的测试是在国家计量认证的中国科学院长春分院分析
图3 (a)Y3Al5O12∶Ce3+荧光粉的激发光谱;(b)Y3Al5O12∶Ce3+荧光粉的发射光谱
Fig.3 (a)ExcitationspectrumofY3Al5O12∶Ce3+phosphors;(b)PLspectrumofY3Al5O12∶Ce3+phosphors.
为了弥补白光LED中红光偏弱和研制不同色温的白光LED,研制了稀土激活的硫化物红色荧光粉(CaS∶Eu2+),作为一种辅助荧光粉,将这种粉与黄绿色荧光粉以适当比例混合可以弥补红光不足的弱点,CaS∶Eu2+红色荧光粉的激发和发射光谱示于图5。从激发光谱(图5(a))中可以看
出,这种荧光粉从460～500nm的激发都很强,因此将这种荧光粉用于白光LED很适宜于白光的高效率光转换。从发射光谱(图5(b))可以看出,发光光谱峰值在650nm附近,是纯正的红光
。
图5 (a)CaS∶Eu2+荧光粉激发光谱;(b)CaS∶Eu2+荧光粉发射光谱
Fig.5 (a)ExcitationspectrumofCaS∶Eu2+phosphors;(b)PLspectrumofCaS∶Eu2+phosphors.
312 光强和色坐标与国外产品的对比
在表1中,将我们研制的白光LED与日本、台湾、美国和德国部分厂家的产品进行了对比,法向光强最高的是日本的产品,其法向光强达到6950mcd,我们研制的白光LED的法向光强达到2890mcd,美国、台湾、德国厂家白光LED产品的
并测量了其流明效率,用相同蓝色芯片制备的白
光LED的流明效率与蓝光LED的流明效率之比,将这个值定义为荧光粉的光转换效率,荧光粉的光转换效率依次为:我们的荧光粉(2169)、日本的荧光粉(2142)、台湾的荧光粉(1165)、美国的荧光粉(1152)、德国的荧光粉(1124)。
表2 白光LED流明效率测试结果
Table2 Theresultsofcolorindexandefficiencyofwhite
LED.
法向光强分别为1430,1190,550mcd,从色坐标
指标来看(图4,彩图2),我们研制的白光LED的色坐标为(0129,0133),最接近白光点(0133,0133),日本、德国、美国、台湾厂家白光LED产品的色坐标分别为(0128,0126),(0127,0126),(0125,0124),(0122,0120)。
313 流明效率和显色指数与国外产品的对比
生产国家
日本
产品型号
NSPW500BSNSPB500BSTL503WCU
颜色
白蓝白蓝白
显色流明效率指数(lm/W)
79
2210
光转换效率
白/蓝=2142
911
53
511
白光LED用于照明的最主要技术指标有流明效率和显色指数,表2中给出了我们制备的白光LED在流明效率和显色指数与国外产品的对比结果,日本的白光LED的流明效率达到22lm/W,接下来依次为我们的样品、美国的产品、台湾
德国台湾
白/蓝=1165
TL503BCU
311
79
417
白/蓝=1124
蓝白
318812
的产品、德国的产品,其流明效率分别为1419,812,511,417lm/W。白光LED的流明效率主
美国
蓝
我们的样品
W2HU470B2HU470
514
77
1419
白/蓝=1152
白蓝
要取决于蓝光LED的效率,日本的蓝光LED的效率在世界上是最高的,因此,他的白光LED的流明效率也是最高的。在显色指数上,日本和德国的产品分别达到79,我们的显色指数为77,相差不是很大,台湾的为53,相对比较美国的要差一些。为了考察荧光粉的转换效率,我们采用同样型号的蓝色芯片分别制备了蓝光和白光LED,
白/蓝=2169
515
注:本结果由中国科学院长春分院分析测试中心测得,该中心经过国家计量认证
314 不同色温的白光LED研究
色温也是照明领域的一个重要技术指标,这
里研究制备了不同色温的白光LED。通过调节
荧光粉涂层的厚度和红、黄荧光粉配比,可以有效地改变白光LED的色温,制备出色温从2700～8000K的白光LED,2700K色温对应于白炽灯的色温,不同色温白光LED的发射光谱示于图6。随着荧光粉涂层厚度的增加蓝色发光峰下降,荧光粉发出的黄绿色光增加,发光向着低色温方向变化。同时为了进一步降低白光LED的色温,适量加入红粉,使得荧光粉的发光峰值向长波方向移动。色温为8081,6968,5914,5053,4178K的白光LED用的荧光粉主要是黄绿色荧光粉,其荧光粉的发射峰值在575nm。要想进一步降低色温,需要在荧光粉中少量配上红色荧光粉,采用黄绿色荧光粉与红色荧光粉以适当的比例进行配比。利用配成的荧光粉制备出色温为2739,3039K的低色温白光LED,这两种低色温的白光LED用的荧光粉的发射峰值波长分别为629nm
LED对应的色坐标和显色指数。从表中可以看
出随着色温的变化。色坐标位置也发生明显的变化,色温低于3700K时,色坐标x,y均大于014,色温高于8000K时,色坐标x,y均小于013,色坐标x=0133,y=0133对应的色温大约在5500K,图4(见彩图2)中标出了不同色温白光LED在色坐标图中的位置。
表3 不同色温的白光LED的色坐标和显色指数
Table3 ColorcoordinatesandcolorindexofwhiteLED
withdifferentcolortemperature.
样品序号
1#3#7#9#11#14#15#
色温
(K)
[***********]1469688010
色坐标
x
[***********][**************]97
显色
y
指数
[***********]1581147918
[***********][**************]98
和597nm,色温为2739K的白光LED与白炽灯
的色温非常接近。表3给出了不同色温白
光
4 结 论
用荧光粉转换的方法制备了白光LED,并与
国外同类产品进行了对比分析。所采用的荧光粉为稀土激活的铝酸盐[Y3Al5O12∶Ce3+(YAG)],制备的白光LED的法向光强为2890mcd,色坐标为:x=0129,y=0133,流明效率为1419lm/W。利用相同蓝色芯片制备了蓝光和白光LED,将蓝光LED的流明效率和白光LED的流明效率进行了对比,由蓝光LED转换成白光LED后的流明效率提高了2169倍。研究制备了不同色温的白光LED,色温范围为2700～8000K,并研究了白光LED色温与色坐标的对应关系。
图6 不同色温白光LED发射光谱
Fig.6 ELspectrumofwhiteLEDwithdifferentcolortem2
perature.
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FabricationandCharacteristicsofWhiteLight2emittingDiode
JIANGDa2peng1,2,ZHAOCheng2jiu2,HOUFeng2qin2,LIUXue2yan2,FANYi2,
ZHANGLi2gong1,2,CHUMing2hui2,SHENDe2zhen1,2,FANXW1,2
(1.KeyLaboratoryofExcitedStateProcesses,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun 130033,China;
2.ChangchunInstitutedofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun 130033,China)
Abstract:Whitelight2emittingdiodeswerefabricatedbyphosphorconversion.TheblueLEDchip(470nm,GaN2based)wasusedasprimarylightsourceandY3Al5O12∶Ce3+(YAG)phosphorswasusedaslightchangingmaterials.Theexcitationspectrumpeakofthephosphoristhesameastheluminescentpeakofbluechipat470nm.ThePLspectrumpeakofthephosphorsisat570nm.Thewhitelightwasyieldedbymixing470nmwith570nm.TheluminescentintensityofwhiteLEDis2890mcd.Thecolorcoordi2natesofwhiteLEDisx=0129,y=0133andthecolorindexis77.TheefficiencyofthewhiteLEDis1419lm/W.Thelightconversionefficiencyofphosphorsis2169fromblueLEDtowhiteLED.ThewhiteLEDswithdifferentcolortemperaturefrom2700～8000Kwerefabricated.TherelationshipbetweenthecolortemperatureandthecolorcoordinatesofwhiteLEDwasinvestigated.Whenthecolortemperatureisunder3700K,thecolorcoordinatesxandyarebiggerthan014.Whenthecolortemperatureisabove8000K,thecolorcoordinatesxandyaresmallerthan013.Whenthecolorcoordinatesxandyare0133respectively,thecolortemperatureisabout5500K.Keywords:whiteLED;blueLED;phosphors
Received15October2002