1、I安徽工业大学本科毕业设计（论文）二 0 一三年六月专 业班 级姓 名学 号指导教师安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)安徽工业大学本科毕业设计(论文)任务书课题名称新型半导体白光 LED 照明用荧光材料的制备及性能研究 学 院专业班级姓 名学 号毕业设计(论文)的主要内容及要求：主要内容：白光 LED 被广泛 应用于通用照明和背光源等领域。目前， 对白光 LED 荧光材料的研究几乎都集中在荧光粉上。然而，由于荧光粉自身性能的局限性，已不能满足现有白光 LED 的需求及适应未来白光 LED 的发展趋势。本论文提出一种不同的 LED 制备技术路线，使得白光 LED 性能得到提
2、高，优点明显。形成一种新型的白光 LED 发光结构， 实现无荧光粉体结构的 LED 白光发射要求：1.具有查阅相关文献的能力；2.学会光谱分析的相关知识。指导教师签字： 安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)I安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 0 页 共 48 页新型半导体白光 LED 照明用荧光材料的制备及性能研究摘要随着能源的过量消耗和环境的日益恶化，节约能源和保护环境必将受到越来越多的重视。白光 LED 作为第四代照明光源，因具备良好的节能环保特点以及其它一系列的优点而被全世界所关注，各国都在竞相研究开发。而在白光 LED 的制备中，荧光材料的
3、性能直接影响白光 LED 的转换效率、光效、色温、色坐标及显色性。白光 LED 荧光材料主要以无定形荧光粉为主体，现阶段，国内外公司及研究机构对白光 LED 荧光材料的研究几乎都集中在荧光粉上，开展高亮度、高发光效率、高显色性荧光粉已经成为白光 LED 领域荧光材料的研究热点。然而，受荧光粉自身性能的影响，目前白光LED 发光效率提高、显色性能改进、寿命提高、大功率使用等问题的解决速度却日趋渐缓。LED 发展的瓶颈日益凸显出荧光粉不能满足现有白光 LED 需求及适应未来白光 LED 发展趋势的问题。本课题提出一种新型 Ce:YAG 晶片发光结构白光 LED 制备技术路线，其具有激发发射效率高,
4、物化性能稳定、热导率高，寿命长、可应用于高功率白光 LED,可实现增加红色发光成分和调谐发光波段,优化白光封装 LED 结构等优点。利用 LED 芯片产生的蓝色发光有效激发Ce:YAG 晶片，形成一种新型的白光 LED 发光结构。实现无荧光粉体结构的 LED 白光发射。从而可以有效解决目前 Ce:YAG 荧光粉发光结构白光 LED 存在的荧光粉激发效率低，色彩一致性差，光衰大，寿命短等一系列的缺点。关健词：白光 LED Gd,Ce:YAG 荧光材料 光学性能安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 1 页 共 48 页White LED with fluorescent ma
5、terial preparation and optical properties of the researchABSTRACTWith the excessive consumption of energy and deteriorating environment,to save energy and protect the environment will be more and more attention.White LED as the fourth generation of lighting source, because of the good characteristic
6、s of energy conservation and environmental protection, and other a series of advantages and attention by all over the world, countries are racing to the research and development.In the preparation of white LED, fluorescent material performance directly affects the conversion efficiency of white LED,
7、 luminous efficacy, color temperature, color coordinate and color rendering.White LED fluorescent material mainly amorphous phosphor powder as the main body, at this stage, companies and research institutions at home and abroad studies of white light LED fluorescent material on almost all concentrat
8、ed in the fluorescent powder, high brightness, high luminous efficiency, high color rendering fluorescent powder has become a research focus in the field of white LED fluorescent materials.Affected by phosphor performance itself, however, the white LED luminous efficiency and color rendering perform
9、ance improvements, improve the service life, solving the problems of the high power use speed is slowing. LED the development of the bottleneck is increasingly highlighted the phosphors cant meet the demand of the existing white LED and adapt to the future development trend of white LED.This topic p
10、uts forward a new type of Ce: YAG white LED light-emitting chip structure preparation technology route, its excitation emission efficiency is high, physical and chemical performance is stable, high thermal conductivity, long service life, can be applied to high power white LED, can increase the red
11、light-emitting component implementation and tuning luminescence bands, optimize the structure of the white light LED encapsulation, etc.Use a blue glow LED chip effective excitation Ce: YAG wafer, forming a new kind of white LED 安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 2 页 共 48 页light emitting structure.Realiz
12、e the structure without fluorescent powder LED white light emission. In order to effectively solve the current Ce: YAG phosphor white LED light-emitting structure exist phosphor excitation efficiency is low, poor color consistency, light failure, life is short and so on a series of shortcomings.KEYW
13、ORDS：white LED，Gd,Ce:YAG ，fluorescent material ，optical property安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 3 页 共 48 页目录摘要 .1ABSTRACT.2第一章 绪论 .61.1 引言 .61.2 LED 产业现状 .61.3 白光 LED 的实现方法 .71.4 荧光材料介绍 .81.4.1 荧光粉 .81.4.2 陶瓷及玻璃荧光材料 .81.4.3 Ce:YAG 单晶荧光材料 .91.4.3.1 Ce:YAG 晶体的结构和性能 .91.4.3.2 Ce:YAG 单晶荧光材料相对于荧光粉的优势 .111.
14、5 本论文的研究目的、内容及意义 .121.5.1 本论文的研究目的及意义 .121.5.2 研究内容 .12第二章 实验部分 .142.1 Ce:YAG 及 Gd,Ce:YAG 晶体的生长 .142.1.1 提拉法 Czochralski（CZ）概述 .142.1.2 晶体的生长装置 .142.1.3 晶体生长原料的准备 .152.1.3.1 Ce:YAG 晶体原料的准备 .162.1.3.2 Gd,Ce:YAG 晶体原料的准备 .162.1.4 提拉法生长 YAG 晶体的生长流程 .162.2 晶体测试样品制备 .172.2.1 XRD 测试用样品 .172.2.2 光谱性能测试用样品 .
15、182.2.3 白光 LED 光色参数测试用样品 .182.3 样品测试分析方法 .182.3.1 X 射线衍射法 .182.3.2 晶体的吸收光谱法 .182.3.3 晶体的荧光光谱法 .192.3.4 白光 LED 光色电参数的测试 .19第三章 Ce:YAG 荧光晶体的光电学性能研究 .213.1 Ce:YAG 荧光晶体的 XRD 衍射图谱 .213.2 Ce:YAG 晶体的吸收光谱 .213.3 Ce:YAG 晶体的荧光光谱 .23第四章 Gd,Ce:YAG 晶体光学性能的研究 .264.1 Gd,Ce:YAG 晶体的 XRD 图谱 .26安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计
16、 (论文)第 4 页 共 48 页4.2 Gd,Ce:YAG 晶体的吸收光谱 .264.3 Gd,Ce:YAG 晶体的荧光光谱 .274.4 Gd,Ce:YAG 晶片结构白光 LED 的光色电性能 .284.5 Ce:YAG 晶体与稀土离子共掺杂 Ce:YAG 晶体光色电性能的对比 .29总结 .31参考文献 .32致谢 .33附录 1 英文原文 .34附录 2 英文译文 .44安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 5 页 共 48 页新型半导体白光 LED 照明用荧光材料的制备及性能研究 第 1 章 绪论1.1 引言 随着白光 LED 的实现, 人们看到了 LED 应用
17、于照明的希望。LED 以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能以及绿色环保等显著优点, 真正点燃了“ 绿色照明的光辉“。半导体照明作为新型高效的固体光源, 具有重大的发展潜力和巨大的社会、经济意义, 预计将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源, 目前已得到业内人士的普遍关注1-2。目前，获得白光 LED 最普遍的方法还是蓝光芯片加黄色荧光粉法。这种方法采用蓝色 LED 芯片激发黄色发射的 YAG：Ce3荧光粉而得到白光，由于缺少红色光谱成分，光源的色彩还原性差，显色指数低，发光效率低。其中荧光粉是 LED 实现白光照明的关键材料，面对越来越广阔的市场需求和研究开发热潮，改善荧光材料
18、的性能成了一项紧迫而艰巨的任务。目前针对白光 LED 用荧光粉的研究已经取得了一定的进展，其种类繁多，各有其特色及优缺点，总体而言，还不能达到当今 LED 技术对荧光粉所期待的要求。荧光材料正朝着高稳定性、高发光效率、高色纯度等方向发展，以满足白光 LED 照明发展的需要。1.2 LED 产业现状LED 作为一种新型的技术和光源，具有绿色环保，不含汞、铅等重金属；抗震性强，耐用；能源节省等等多种优点。因此，它被广泛认可及应用。完整的 LED 产业链包括上游外延片、芯片的制作，中游的封装及下游的应用，此产业结构庞大，涉及应用领域广泛3。我国政府对发展蓝光、白光 LED 高度重视。“九五”和“十五
19、”均列入科技“863”，“973”计划，给予大笔经费资助。其中由北京大学、中科院物理所和北京有色院联合承担“十五”白光 LED“863”项目。国家科技部拟在“十五”期间，联合有关部门推出“半导体照明工程”，投巨资支持启动，己于2003 年 6 月成立协调领导小组。我国白光 LED 发展主要受其蓝芯片和紫外芯片的制约，相对差距很大，其外务必引进昂贵外延设备与技术。我国台湾 In Ga 安徽工业大学 光信息科学与技术专业本科毕业设计 (论文)第 6 页 共 48 页N 蓝光芯片开发厂商很多现己崛起，成为世界蓝芯片主要供应商，占世界总产量的 23%4；无论质和量都在大陆之上，但质量逊于日美。从长远来
20、看，随着全球节能减排的盛行，LED产业也会更加升温。而我国LED经过30多年的发展 ,虽然先后实现了自己生产芯片，器件和外延片，但自产的芯片，和外延片有限，其产品以中低档为主，产业化规模较小，只能满足国内分的20%-30%，大部分高性能LED和功率LED产品要靠进口。随着政府的大力推广和全球产业梯次转移，未来我国LED将成为市场上最具诱惑力的蛋糕，2011年整个大陆LED产业值已超过1500亿美元。LED产业链中，LED外延品和LED晶片大概占行业70%的利润，LED的分装大概占10%，LED应用大概占10%-20%，2015年产业规模将达到5000亿美元以上。我国进入LED产业的企业将与日俱
21、增，产业市场竞争将更加激烈。1.3 白光 LED 的实现方法( 1) 三基色LED 混色法发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起, 通过空间混色的原理, 按照适当的比例进行匹配, 使得3 种颜色的光混合成白光 , 采用这种方法具有效率高和使用灵活的特点。由于发光全部来自发光二极管, 不需要进行光谱转换, 因此, 其能量损失最小, 效率最高。另外它是靠调节3 种颜色发光二极管的光强来实现白色发光的,因此, 在调节发光颜色上具有相对的灵活性。但是这种方法也有自身的弱点, 它的安装结构比较复杂, 各色LED 的驱动电压、发光效率、配光特性不同, 需通过电流调节红、绿、蓝三基色的强度, 电路实现
22、上较复杂。同时, 由于不同颜色的LED 管随时间推移其老化特性不同导致光衰的差异, 因此 预先调整好的白色发光由于不同颜色的光衰差异造成使用过程中的变色, 使混合的白光稳定性较差 , 存在温度特性的差异。发光全部来自发光二极管, 相对成本也比较高。( 2) 紫外转换的方法以GaN 基紫光 LED 为基础光源 , 用LED 发出的紫外光激发荧光材料 , 通过荧光粉实现波长转换发出可见光。最后用于照明的光全部来自荧光材料, 且要求荧光材料的激发光谱与紫光发光二极管的发射光谱相匹配, 这样可以获得较高的光转换效率, 荧光材料应为多种不同颜色的荧光材料混合而成。采用越多颜色的荧光材料进行混合, 获得的
23、白光的显色性越好, 但是同时也增加了系统的复杂性。通常采用红、绿、蓝三种颜色的三基色荧光材料进行混合。即紫外- 红+ 绿+蓝= 白光, 称做“n- UV +blue/green/red“White LED, 这种方法制备的白光LED 具有成本低、显色性好的优势, 但是它也存在不足, 由于是采用紫外光源作为激发光源, 有可能产生紫外污染.( 3) 蓝光芯片加黄色荧光材料的方法利用波长为460470nm 的Ga N 基蓝光发光二极管的发光作为基础光源, 利用Ga N 基蓝光LED所发出的460470nm 的蓝光一部分用来激发荧光粉, 使荧光粉发出黄绿色光, 另一部分透过荧光粉发射出来, 荧光粉发出的黄绿色光与Ga N 基蓝光发光二极管发光的透射部分混合形成白光, 即白光=蓝+ 黄的机制 。这种方法存在两个关键部分: 一个是Ga N 基蓝光发光二极管; 一个是用作光
