大功率白光LED的制备和表征

第19卷 第2期2004年4月

ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays

液 晶 与 显 示

Vol.19,No.2 Apr.,2004

文章编号:1007-2780(2004)02-0083-04

大功率白光LED的制备和表征

陈志忠1,秦志新1,胡晓东1,于彤军1,杨志坚1,

章 蓓1,姚光庆2,邱秀敏3,张国义1

(1.北京大学物理学院介观物理与人工微结构国家重点实验室,北京 100871,E-mail:zzchen@;

2.北京大学化学学院,北京 100871;3.北京宝龙光光电技术有限公司,北京 100043)

摘 要:用1mm@1mm的大尺寸GaN基蓝光发光二极管(LED)芯片和YAGBCe黄光荧光粉在食人鱼支架上封装大功率白光LED。其200mA下的发光功率为13.8mW,约为相同LED外延片制备的普通尺寸LED的10倍。同时改变注入电流,发现功率曲线直到200mA仍没有出现饱和或下降的趋势,白光的色温从5300K下降至4800K。同时研究了不同荧光粉混合比例对白光色度的影响。关

键

词:白光LED;大功率;荧光粉;色温

中图分类号:TN312.8 文献标识码:A

1 引 言

利用GaN基发光二极管(LED)发射的短波长光激发荧光材料制备的白光LED作为新型的节能、环保光源,正引起人们的广泛注意[1~7]。但是,目前白光LED用于照明还存在以下问题:发光效率较低,单管发射功率小,价格昂贵。这些缺点阻碍了白光LED在照明领域的应用,使得白光LED主要应用于手机的背光源和汽车仪表照明,以及亮度要求不高的特殊照明和景观照明上。发光效率的提高是有限的,单纯地追求发光效率的提高,将使得狭窄的白光LED应用市场竞争更加激烈,因此要实现LED白光照明,提高发光功率,降低生产成本是必由之路[10]。而LED发光功率的提高关键在于大尺寸芯片发光的均匀[11,12]和散热[13]。另一方面,高效率的荧光材料的合成也是提高白光LED发光效率和功率的重要环节[5,14]。

虽然大功率白光LED是当前的研究热点,但是关于大功率白光LED制备及其电学、光学特性的报道还很少。本文通过综合考虑大尺寸蓝光LED芯片的电流扩展和散热问题,制备出大功率

收稿日期:2003-12-02;修订日期:2004-01-04

基金项目:国家/8630计划资助项目(No.2001AA313110)

[8~10]

的LED芯片,并用食人鱼结构和YAGBCe荧光粉封装出大功率的白光LED。通过不同电流下的光功率变化,以及色温、色坐标的变化,讨论了

大功率LED的电流扩展、散热等对LED性能的影响。

2 实 验

GaN基蓝光LED外延片是在ThomasSwang的MOCVD系统生长得到。LED有源层是5个周期的InGaN/GaN多量子阱。大尺寸GaN基LED芯片制备工艺与普通尺寸的蓝光LED芯片的工艺相似。LED芯片平面结构图如图1,芯片尺寸为1mm@1mm,芯片外侧是2个对称的带须的方型N型电极,环形的P型电极更有利于电流扩展,在芯片中心和两侧有3个P型焊盘。环形中间利用反应离子刻蚀(RIE)刻出深槽,既增加了侧向出光,又增加了管芯散热面积。

将芯片粘在食人鱼支架上的反射杯内,在芯片上均匀涂抹不同量的YAGBCe荧光粉,然后用环氧树脂把大尺寸芯片封装成不同色度的大功率白光LED。分别用标准管校准过的LED测试仪测量了大功率LED功率随电流的变化。通过

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CCD光纤光谱仪测量大功率LED的电致发光谱(EL),计算白光LED的色温、色坐标。同时,用EG&GFluoroMAX-2荧光谱仪对荧光粉的光致发光谱(PL)及其激发谱(PLE)

进行测量。

电流的增加而下降,小电流下色温较高,为5300K,色坐标处于淡黄色区域,电流增加时,色温迅速降低,在50mA下降至4850K,然后色温随电流增加逐渐饱和。这表明随着电流增加,荧光强度相对蓝光LED发光强度增加。图3是色坐标随注入电流的变化关系。随着电流的增加,X色坐标增加,而Y色坐标缓慢减少。在1931国际照明委员会(CIE)标准色度图中,色坐标向红光方向移动。当注入电流大于50mA,X色坐标基本不变,Y色坐标减小,色坐标向紫红方向移动。色坐标的变化显示了光谱中三刺激值的改变。图4的EL谱表明随着电流增加,蓝光发光峰蓝移,黄光荧光峰峰位不变,黄光峰的强度增加比蓝光峰快。色坐标的变化反应了EL谱的变化。其对应关系与色度学的具体变换有关[16]。

图1 1mm@1mmLED大管芯照片

Fig.1 Photographofa1mm@1mmlarge-sizeLEDchip

3 结果与讨论

图2显示了大功率白光LED色温和光功率随着电流的变化关系。电流增大,光功率随着增大,200mA时光功率达到13.8mW,是相同材料普通尺寸芯片(0.35mm@0.35mm)制备的LED的10倍。大电流下,LED的功率并没有明显的饱和或下降,表明LED散热性能良好,因为不良的导热性将使得LED结温升高,导致复合发光的效率下降[13]。根据相关色温公式(McCamy,1992)计算不同注入电流下的色温[15]

。色温随着

图3 色坐标随注入电流的变化关系

Fig.3 Dependenceofchromaticcoordinateontheinjection

current

图4是大功率LED不同电流下的EL谱,在5~200mA内,EL谱包括2个主要的发光峰:位于480nm处的蓝光峰和位于550nm处的黄光荧光峰。随着电流增加,蓝光峰由5mA时的482nm蓝移至200mA时的475nm,而黄光峰峰位不随电流变化。蓝光峰和黄光峰的强度随电流增加都增强,黄光峰强度的增加速度快于蓝光峰。蓝光峰的蓝移是由带填充的效应引起。蓝光峰的蓝移并不引起YAGBCe荧光粉发光峰的变

图2 大功率白光LED色温和光功率随电流变化关系Fig.2 Dependencesofcolortemperatureandluminouspow-erofhigh-powerwhiteLEDontheinjectioncur-

[17]

化,荧光强度的增加表明短波长的蓝光的吸收效率和荧光量子效率都比较高,这样导致短波长黄

光荧光峰更强。另一方面,荧光粉的荧光强度随

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激发光强度增加可能呈超线性增加。发射强度随波长增加而迅速减小,这就是图4黄光峰增加较快的原因之一。

白光LED的色度可以通过荧光粉的涂敷量来控制。图6是色温、色坐标随AB胶与荧光粉比例的变化关系。当荧光粉比例较小,即荧光粉在AB胶中的浓度较小时,色温增加,Y色坐标减小。这是因为黄光荧光较少,则白光LED发射的蓝光成分增加,从而导致上述结果。但是发光功率基本与荧光粉的浓度关系不大,这表明荧光粉的量子效率比较高。虽然黄光荧光的视觉函数大于蓝光,但如果荧光粉效率较低,则荧光粉浓度增

加会导致发光功率降低。

图4 大功率LED不同电流下的EL谱

Fig.4 ELspectraofhigh-powerLEDatdifferentinjec-tioncurrent

图5是北京大学12-28-1#蓝光LED用荧光粉的激发谱和发射谱,激发谱的测量波长为550nm,发射谱的激发波长为470nm。激发谱有两个激发带,分别位于340nm处的窄峰和位于465nm处的宽峰。而发射谱是位于550nm的单个宽峰。我们发现当激发波长长于470nm时

,

图6 色坐标、色温随不同荧光粉配比的变化关系,色坐

标从左到右荧光粉的比率为0.15~0.3。

Fig.6 Dependencesofcolortemperatureandcoordinateon

theratioofYAGBCetoepoxy.ofchromaticcoordinate.

Theratioof

YAG÷Ceisfrom0.15to0.3fromlefttorightside

4 结 论

本文利用1mm@1mm的GaN基LED芯片

图5 YAGBCe的PL谱和PLE谱,PL谱激发波长为470

nm,PLE谱探测波长为550nm。

Fig.5 PLandPLEspectraofYAGBCe,wheretheexcita-tionwavelengthofPLis470nmandtheemissionwavelengthofPLEis550nm.

封装成食人鱼结构的大功率白光LED。功率曲线表明其散热性能良好。同时其色温、色坐标的测量表明荧光粉的效率比较高,对激发波长有选择性。不同荧光粉混合比例封装可以改变白光LED的色温、色坐标。

参 考 文 献:

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FabricationandCharacterizationofHigh-powerWhiteLED

CHENZhi-zhong,QINZhi-xin,HUXiao-dong,YUTong-jun,YANGZhi-jian,

ZHANGBei1,YAOGuang-qing2,QIUXiu-min3,ZHANGGuo-yi1

(1.StateKeyLaboratoryofArtificialMicrostructureandMesoscopicPhysics,SchoolofPhysics,

PekingUniversity,Beijing 100871,China,E-mail:zzchen@;

2.SchoolofChemistry,PekingUniversity,Beijing 100871,China;

3.BeijingBaolongguangOptoelectronicsTechnologyCo.Ltd.,Beijing 100043,China)

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Abstract

Inthiswork,thehighpowerwhitelightingemittingdiode(LED)werepackagedonaanthropophagileadbyGaN-basedblueLEDchipinthesizeof1mm@1mmandYAGBCeyellowfluorescence.Undertheinjectioncurrentof200mA,theluminouspoweris13.8mW,whichis10timesofthepowerofthediodesfabricatedwiththesameLEDwaferinnormalsize.Thepowerdoesnotshowthetrendsofsatura-tionordescentwhentheinjectioncurrentisincreasedto200mA.Howeverthecolortemperatureisde-creasedfrom5300to4800K.Theeffectofratioofphosphormixtureonchromawasalsodiscussed.Keywords:whiteLED;highpower;phosphor;chromatictemperature

作者简介:陈志忠(1971)),男,江苏人,博士,讲师,主要从事GaN基材料表征和相关器件制备。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e7l1.html