白光led用高光學(xué)質(zhì)量ce

白光led用高光學(xué)質(zhì)量ce

1ce、gag熒光問題光光裕光世代（light）具有小型固體化、抗振動、自動啟動和快速響應(yīng)（微秒）、節(jié)能和高壽命（萬小時）、綠色和高效等優(yōu)點(diǎn)。它被認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保的綠色固體照明技術(shù)（srs），可以發(fā)展成為第四代的新照明源。目前,白光LED的工作原理主要是將熒光粉通過封裝材料(環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅)涂敷固化在藍(lán)光LED或紫外LED芯片上,通過波長轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)白光。隨著LED制造技術(shù)的不斷發(fā)展和大功率LED的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大,對LED材料和器件提出了耐高溫、長時間、大功率和高亮度的要求。1996年,日本日亞化學(xué)公司開發(fā)出藍(lán)光半導(dǎo)體(In,GaN)芯片,Ce:YAG(Ce:Y3Al5O12)黃光熒光粉和樹脂的組合實(shí)現(xiàn)白光發(fā)光,已經(jīng)在室內(nèi)照明、建筑與景觀照明、汽車照明等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,是目前最成熟和普及的白光LED發(fā)光方案。Ce3+具有4f15d電子組態(tài),具有較高的發(fā)光效率,對應(yīng)于Ce3+的4f到5d能級躍遷,在460nm處有一個強(qiáng)吸收,可與藍(lán)光半導(dǎo)體(In,GaN)芯片發(fā)出的450nm藍(lán)光很好地匹配,因而Ce:YAG黃光熒光粉得到了廣泛的研究。以往大量的研究工作多集中在對粉體形貌的改性及Ce:YAG組分的調(diào)整上,Pan等比較了固相法、共沉淀法、溶膠凝膠法和燃燒法對Ce:YAG粉體形貌和熒光性能的影響;還有醇熱合成法制備納米粉體、微波誘導(dǎo)燃燒法、燃燒法等制備方法的報道,一些研究工作還通過SiO2包覆單分散空心球改變粉體形貌調(diào)節(jié)Ce:YAG的性能。而Tb、Pr、Eu、Dy等發(fā)光離子共摻[9,10,11,12,13,14],以及在YAG基質(zhì)共摻入Lu、Ga、Gd等組分調(diào)節(jié)的方式也證明具有調(diào)節(jié)Ce:Y3Al5O12熒光性能的作用。然而,對于熒光粉轉(zhuǎn)換型(PC)白光LED,芯片持續(xù)點(diǎn)亮下容易引起器件發(fā)熱和溫度升高,導(dǎo)致色溫變化、熒光粉光衰和硅膠老化,同時,粉體在光通過時會產(chǎn)生散射和吸收等現(xiàn)象,涂覆厚度的不均勻及熒光粉的形貌和粒徑等因素,都會導(dǎo)致產(chǎn)生光斑和白光不均等問題。用藍(lán)光LED芯片與黃光Ce:YAG熒光粉組合發(fā)出白光的方案中,還存在紅綠藍(lán)三基色中的紅色成分少、發(fā)光效率低、顯色性不好等問題。由此可見,使白光LED的色彩質(zhì)量及一致性達(dá)到理想的狀態(tài),仍是業(yè)內(nèi)人士面臨的挑戰(zhàn)。近年來,在LED器件開發(fā)中,出現(xiàn)了用熒光塊體替代熒光粉體的技術(shù)方案,如晶體、玻璃陶瓷和透明陶瓷。Nishiura等研究了Ce3+摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.3%的Ce:YAG透明陶瓷的白光LED性能,獲得了73.5lm/W的光效;在共摻Gd3+后,光譜出現(xiàn)紅移,進(jìn)一步在Ce:GdYAG體系中獲得了81的顯色指數(shù);陸神洲等研究了以Ce:YAG單晶取代傳統(tǒng)Ce:YAG熒光粉用于制備白光LED的方法,研究了Ce:YAG單晶厚度及驅(qū)動電壓的變化對其發(fā)射光譜、色坐標(biāo)、亮度、光視效能和色溫的影響,王鑫等研究了Ce、Cr摻雜的釔鋁石榴石單晶(YAG,Y3Al5O12),Cr3+發(fā)射紅光波,研究發(fā)現(xiàn)紅光部分發(fā)射增強(qiáng)的原因是兩種摻雜離子之間發(fā)生Ce3+(2E)到Cr3+(4T)的能量轉(zhuǎn)移,從而說明了在塊體熒光材料中,可直接采用組分調(diào)控的方式進(jìn)行光譜調(diào)控。透明陶瓷作為近年來迅速發(fā)展起來的一種新型光電功能材料,在熱學(xué)、力學(xué)性能、光性能、復(fù)合結(jié)構(gòu)以及規(guī)?；a(chǎn)方面優(yōu)勢明顯,透明陶瓷目前主要作為窗口材料,激光材料和閃爍材料得到應(yīng)用:透明化的發(fā)光材料可以解決熒光粉對光的散射和吸收,提高發(fā)光效率;陶瓷不存在單晶的分凝系數(shù)問題,可以實(shí)現(xiàn)多種發(fā)光離子的高濃度均勻共摻,從而可以通過精確控制陶瓷片熒光體的透射率、發(fā)光波段等各種參數(shù),調(diào)節(jié)和控制熒光體陶瓷片轉(zhuǎn)換的黃光與未被轉(zhuǎn)換的藍(lán)光之間的比例,利用透明陶瓷自身的均勻性,獲得均一高質(zhì)量的白光,并可進(jìn)行發(fā)光設(shè)計,開發(fā)新材料;透明陶瓷具有優(yōu)異的機(jī)械和熱力學(xué)性能,抗振動,導(dǎo)熱性好,可解決藍(lán)光LED持續(xù)點(diǎn)亮下溫度升高造成的各種發(fā)光問題,進(jìn)一步提高器件的發(fā)光穩(wěn)定性和使用壽命。本文報道了Ce:YAG透明陶瓷的制備及其在白光LED器件中的應(yīng)用,系統(tǒng)研究了色溫和光效等白光LED發(fā)光性能。2實(shí)驗(yàn)過程2.1復(fù)合燒結(jié)助劑的確定采用固相反應(yīng)法制備Ce:YAG透明陶瓷,將高純度(大于99.99%)商業(yè)氧化物粉體CeO2,Al2O3,Y2O3,按照Ce3x:Y(1-x)CexAl5O12的化學(xué)配比稱量粉體,其中x=0.5%,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的正硅酸乙酯(TEOS)和0.08%的MgO做復(fù)合燒結(jié)助劑。以無水乙醇做球磨介質(zhì),在高能球磨儀上經(jīng)球磨混料10h后,將漿料置于溫度為100℃的干燥箱中充分干燥,經(jīng)200目(75mm)過篩和冷等靜壓制成直徑Φ=20mm,厚度d=2mm的素坯,不同摻雜濃度的Ce:YAG陶瓷的最佳燒結(jié)溫度不同,素坯在真空爐中1720℃~1770℃溫度下保溫20h(真空度為10-3Par)后,可獲得透明試樣,為消除真空燒結(jié)過程中可能引入的內(nèi)應(yīng)力和氧空位,將試樣在1450℃空氣氛圍中退火20h。2.2陶瓷顆粒尺寸檢測用日本RIGAKU公司的D/Max-2550VX射線衍射儀(XRD)對試樣進(jìn)行物相分析,采用Cu-Ka射線,λ=0.1506nm,2θ=10°~80°;拋光后的陶瓷樣品在1500℃空氣氛圍下經(jīng)過1~2h熱腐蝕后,采用JSM-6700F場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察其晶粒尺寸和形貌;在瓦里安公司的Cary5000紫外-可見-近紅外分光光度計上進(jìn)行透明陶瓷試樣的透過/吸收光譜測試,測試前試樣經(jīng)雙面拋光成1mm;在日本SHIMDZU公司的RF-5301PC熒光光譜儀上進(jìn)行Ce:YAG透明陶瓷的光致熒光譜分析;在上海半導(dǎo)體照明中心進(jìn)行色溫、光效和顯色指數(shù)的表征。2.3片封裝模式在上海鼎暉科技公司完成陶瓷的LED芯片封裝,采用常規(guī)的熒光粉體封裝模式,將少量樹脂固化在芯片周圍形成一個圍壩,將片狀Ce:YAG陶瓷固定在芯片上。3u3000ce3+摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)的ce圖1為制備的不同摻雜濃度的Ce:YAG透明陶瓷試樣,陶瓷經(jīng)空氣氛退火后,呈現(xiàn)明亮的黃綠色;XRD物相分析表明,制備的陶瓷為YAG相(與YAG相的標(biāo)準(zhǔn)圖譜33-0040對應(yīng)),無明顯的第二相生成。對陶瓷的晶粒尺寸和形貌進(jìn)行了表征,如圖2所示,結(jié)果表明,經(jīng)真空燒結(jié)后,制備的透明陶瓷中,微氣孔有效排除,晶粒之間形成致密的結(jié)構(gòu),計算平均晶粒尺寸約為10μm。圖3給出了不同摻雜濃度Ce:YAG陶瓷的吸收光譜,在240、350、460nm附近處,分別有一個吸收峰,這分別對應(yīng)于Ce3+的4f-5d躍遷。隨著摻雜濃度的增加,吸收強(qiáng)度增強(qiáng),說明了固熔進(jìn)YAG晶格的Ce3+的離子濃度也在不斷增加。前期工作已經(jīng)報道了Ce:YAG陶瓷的激發(fā)和發(fā)射光譜。熒光粉轉(zhuǎn)換型(PC)白光LED,常采用調(diào)解熒光粉在樹脂中的分散濃度來實(shí)現(xiàn)色溫和顯色指數(shù)的調(diào)解,而對于塊體熒光材料,一些研究工作已經(jīng)表明,塊體的厚度與白光LED性能存在一定聯(lián)系。本實(shí)驗(yàn)制備了不同厚度的摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.5%Ce:YAG陶瓷,研究了其厚度的影響,如表1所示。可以看到,隨著樣品厚度的增加,流明效率可提高到73lm/W,但是色溫變化不大。陶瓷厚度增加延長了藍(lán)光的光程,從而增加了藍(lán)光的吸收效率。相對塊體單晶,透明陶瓷的另一優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)發(fā)光離子的高濃度摻雜,同時研究了不同摻雜濃度的Ce:YAG陶瓷的白光LED性能,如表2所示。圖3中的吸收光譜表明摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為1.0%的Ce:YAG的吸收在460nm附件展寬為一個寬的吸收帶,有可能與高濃度下Ce3+之間的交叉弛豫有關(guān),可能存在一定的濃度猝滅效應(yīng)。Bachmann等的研究也表明,較低的Ce摻雜濃度,有利于降低材料的熱猝滅效應(yīng)。因此,研究了摻雜原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、1.0%的Ce:YAG陶瓷的LED性能。結(jié)果表明,0.5%的摻雜濃度綜合性能較好;如圖4所示,采用0.5%的Ce:YAG透明陶瓷(厚度為2.0mm)可獲得的流明效率為73.72%。LED的性能發(fā)揮與封裝技術(shù)還有很大的關(guān)系,通過將0.5%Ce:YAG陶瓷封裝在LED芯片上(如圖5所示),進(jìn)一步獲得了130lm/W的高光效,顯色指數(shù)為57.7,色坐標(biāo)為(0.3946,0.5009)?？紤]到Y(jié)AG的熱導(dǎo)率為15W/mK,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)封裝樹脂(0.4~1.7W/mK),因此Ce:YAG透明熒光陶瓷在大功率高光效的LED器件中將發(fā)揮重要作用。4ce3+摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ce:yg透明熒光陶瓷在制備led器件上的應(yīng)用價值采用高純商業(yè)氧化物原料,固相反應(yīng)法、1720℃~1