InGaN蓝光芯片和YAG荧光粉对白光LED光学性能的影响

徐永源¹  林秀华² 

¹厦门通士达照明有限公司  厦门  361026

²厦门大学物理系  厦门  361005

摘要：白光发光二极管是21世纪引人瞩目的节能绿色光源，随着亮度的进一步提升，正逐步扩大在照明领域的应用。白光LED的光学性质依赖于使用蓝光LED芯片的发射峰值波长、亮度和与之配合的YAG荧光粉的激发与发射谱峰，积分强度。本文探讨了蓝光LED芯片与YAG荧光粉对白光LED光学特性的影响。结果表明，蓝光芯片直接影响发光强度、光输出，YAG荧光粉的作用在于光通、色温、显色指数。

关键词：蓝光LED   YAG荧光粉   白光LED   光学性能

中国分类号：TN883  047.2.3           文献标识码：A

1引言

自1994年以来，日本NICHIA中村博士^[1]率先开发成功氮化物蓝色发光二极管（LED），最高法向光强高达2cd，打破了长期以来发光与显示光源过去色调欠缺、显示单一的局面，并向七彩光、全彩化显示迈出了重要的一步。随着MOCVD技术日臻成熟，氮化物及其混晶材料性质研究深入，迎来了蓝光LED商品化、产业化。白光LED（利用InGaN/GaN发出的蓝光部分激发涂覆其上的YAG荧光粉产生黄绿光，而此黄绿光又与透出的蓝光混合成白光）的出现，开辟了LED从信息显示到照明方向发展的新纪元。业界人士认为白光LED的进一步发展将引领照明光源的一场革命^[2]。

白光LED（W-LED）是一种潜在的高转换效率的照明光源，具有小体积，长寿命、固体化、无频闪的特点，成为当今科技部“半导体照明工程”产业化重大项目实施的重点。高效的W-LED器件不仅要优选蓝色LED芯片，使它能有最大光功率输出来激发与之相匹配的荧光粉，还要考虑两者发射峰值波长与吸收波长的匹配问题^[3]。事实上，白光LED的电致发光（EL）谱含有两个谱峰带：蓝光LED芯片发出的峰值位于460nm附近半宽度较窄的谱峰和YAG荧光粉发射的主峰为550nm附近具有一定带宽的黄绿色发射带，其长波侧一直延伸到700nm附近。当蓝光LED芯片的发射波长、发光强度不变时，白光LED的光谱性质（谱形分布、峰值波长）取决于所用荧光粉（粉的成分、稀土掺杂离子及浓度）。荧光粉着重影响器件的光通、色温和显色指数。对于同一种荧光粉，使用不同蓝色LED芯片，则白光LED的发光强度、光输出各不相同。

本文主要报告了相同的蓝光芯片使用不同型号荧光粉和不同的芯片使用相同的荧光粉制成的白光LED在发光光谱、光通、光效和色温、显色指数等光学参数的差别及其变化规律，揭示了影响器件性能的原因，旨在获得蓝色芯片与荧光粉的最佳匹配条件。这对开发光电性能良好的器件有着良好的借鉴作用。

2 实验

2.1 样品制作

实验所用蓝光LED芯片是由不同芯片厂家提供的，它们的发光波长λ_p =460—465nm，光强>30mcd。YAG荧光粉也是由不同生产厂家提供的，并且在λ_p =460—465nm之间能被有效激发。实验采用常规的制管工艺，荧光粉与胶比例保持不变，严格要求点胶工艺以保证点胶量和荧光粉粉层厚度基本一致，用透明环氧树脂封装成φ5透明圆柱体白光LED。

2.2 样品测试

    光学参数测量使用杭州远方仪器有限公司的PMS-50光谱分析系统，在室温  25ºC下，测量白光LED正向驱动电流I_F=20mA。

3 结果与讨论

蓝光InGaN/GaN芯片的发光峰值波长、发光强度及电学特性主要由MOCVD外延片的生长条件、掺杂及浓度决定的，它对白光LED器件的光学性能有举足轻重的影响。以下是采用某厂商同一批次的荧光粉与不同型号芯片制成φ5白光LED的典型测量结果（表1）。

表1 不同芯片、相同荧光粉制得的白光LED光学参数

Table 1  The optical parameter of white LED fabricated by

the same phosphor and different InGaN chips

从测试数据可知，用相同的荧光粉与不同的蓝光芯片制得的白光LED色温基本相近，位于照明范围中高色温的5100—5200K附近，显色指数也相差无几。不同芯片的影响主要表现在光通与光效方面。这主要是因为：表征蓝光LED芯片的主要特性是发光波长（λ_p）和发光强度（I_v），当发光峰值波长（λ_p=460—465nm）保持不变时，只要芯片发光波长与荧光粉的吸收波长相匹配，则它们混合之后的白光LED光谱图的谱形基本相同（见图1），所以两者配合使用时制成器件的色温和显色指数基本一样。由于蓝光芯片发光强度（I_v）的不同，导致制成的白光LED的光通、光效有比较大的差异。若蓝光芯片发光强度大，对涂覆其上荧光粉的激发强度成比例增大，混色后白光光通也大（如芯片1）。因此，为了制备满足一定色温和显色指数要求的高光通、高光效的白光LED选用发光强度大的蓝光LED芯片是至关重要的。

图1.不同芯片相同荧光粉制成的白光LED的谱图

Fig 1. The EL Spectra of the White LEDs fabricated by the

same phosphor and the different kind chips

为了考察荧光粉的作用，我们作了同厂家同一批次芯片、不同荧光粉对白光LED光学特性的影响的实验，其典型测试结果如表2。

表2 相同芯片、不同荧光粉制得的白光LED光学参数

Table 2. The optical parameter of white LED fabricated

by same chips and different phosphors

从表2可以看出，用同一种芯片与不同荧光粉配合的白光LED在色温、显色指数和光通（光效）等方面均有一定的差异。从光通、光效来看，由高到低的顺序依次为：A粉（1.82，29.2）>C粉（1.41，22.7）>B粉（1.24，19.9）。当荧光粉被蓝色InGaN芯片有效激发时，若白光LED光谱的积分强度大，则光通显然比较大。正如图2显示荧光粉黄色辐射带包络面积：A粉>C粉>B粉，恰好与光通大小相对应。

图2 相同芯片与不同荧光粉制成的白光LED谱图

Fig 2. The EL Spectra fabricated by the same kind chips and the different phosphor doping rare impurities

它们显色指数大小排列为：B粉（85.2）>C粉（80.2）>A粉（72.2）。这说明，显色指数高，光效低；显色指数低，光效高。这是由于在同类型InGaN芯片激发下，荧光粉对器件的色品质起着主导作用所致。显而易见，不同厂家生产的YAG荧光粉，其中掺杂稀土元素的组分及添加量，荧光粉粉体颗粒度大小和表面特性等大相径庭，将直接影响着白光LED的色温、显色指数和光通（光效）。不同类型YAG荧光粉，掺杂的稀土离子有的仅掺有Ce3+，还有的另掺入Gd3+。当两种稀土离子共掺时，在YAG晶体场中，Ce3+比Gd3+易发生形变，在形变作用力下，电荷量从Ce3+向Gd3+转移，其中一个离子成为敏化中心，为电子从价带进入禁带发生光跃迁创造了条件[4]，从而增强了YAG被蓝光460nm激发后，掺杂的稀土离子Ce3+（Gd3+）光跃迁的强度，同时还可使YAG的黄色发射带下降部分往长波方向移动。如果荧光粉粉体的颗粒度比较大，在配粉的时候，荧光粉与环氧树脂混合不均匀，容易形成分层，荧光粉大部分沉淀在支架小碗的底部，不能被蓝色芯片有效激发，故而制成的白光LED色温偏高。照明光源一般要求色温在2700~6400K之间，显色指数Ra≥80，因此，开发满足照明要求的高发光效率、低光衰的荧光粉对拓宽白光LED在照明中的应用具有重要的意义。

4 结论

通过InGaN/GaN 蓝光LED芯片与YAG：Ce（YAG：Ce，Re）荧光粉匹配实验发现，芯片主要影响器件的光通与光效，若蓝光芯片发光强度大，则所制得的白光LED光通、光效相对值比较大。荧光粉则直接影响白光LED的光学参数：色温、显色指数和光通等。只有两者有机配合，才能制得高光效、高显色指数和宽色温、低光衰的适合照明用的白光LED。

参考文献

[1] Nakamura S, Mukai T, Senoh M. High brightness InGaN/AlGaN Double-Heterostructure blue-light-emitting diodes. J.Appl.Phys.Lett., 1994,64(13):1687

[2]  李健  实施国家半导体照明工程，抢占半导体照明新产业制高点 2004中国（上海）国际半导体照明论坛  中国 上海  2004.3.22

[3]  林秀华，布良基，李绪锋  白光LED器件可靠性初探   全国LED产业研讨会与学术会议论文集   2002 9（青岛）P99

 [4] 余宪恩  实用发光材料与光致发光机理  北京  中国轻工业出版社  1997  第一版：P99

Study on he optical performance of white LED

Abstract: White LED is well known as a promising green light source in 21st century. Following the improvement of LED’s brightness, white LED expands its applications in lighting field. The optical performance of white LED depends not only on the emission wavelength and brightness of the blue chip, but also on the absorption wavelength, the emission wavelength and luminous intensity of YAG phosphor. In this article, the influence of the blue chip and phosphor upon the white LED of optical performance has been discussed. The results indicate that the influence of the blue-chip on the luminous intensity and light output of the White-LEDs. Whereby, the luminous flux, CCT and rending index has been depended on the YAG fluorescent powders.

Key words: Blue LED chip, YAG phosphors, White LED, Optical performance

作者简历：徐永源（1976--），男，福建泉州人，硕士，现主要从事白光LED照明光源开发。

E-mail: xyy@dhca.net .