1、第20、21章 白光LED技术,Light-Emitting Diodes (2nd Edition),1,内容提要,单色LED混光法 二色LED白光源 三色LED白光源 多色LED白光源波长转换法 波长转换效率 波长转换材料 荧光粉转换材料 半导体转换材料,2,普通照明对白光LED的需求,用于普通照明领域的器件应具有如下特点：,效率高； 能承受高功率； 显色性好； 可靠性高； 生产成本低； 环境友好,在这些方面，LED能与传统光源竞争,3,单色LED混色法,单色数目越多，显色性越好，但光效越低,4,互补色,5,二色互补，产生白光,两种互补色，以一定功率比混合后，使三刺激值的感知效果为白光,单
2、色光的互补波长,6,单色互补波长及其功率混合比,7,由两互补发射线形成的光源的辐射光效,假设两条发射谱线为高斯分布，则光谱功率密度为,式中： P1, P2: 两条发射谱线光功率,峰值波长,高斯标准偏差：,半峰值全宽度,(kT),8,辐射效率440 lm/W,9,二色白光LED方案：,蓝光LED+黄光LED,单颗两芯片结构,共掺杂结构,10,共掺杂结构,Sheu等 (2002) White-Light Emission From InGaN-GaN Multiquantum- Well Light-Emitting Diodes With Si and Zn Codoped Active Wel
3、l Layer,有源区由Si和Zn共同掺杂,通过量子阱的带间跃迁发出蓝光,通过施主-受主对(D-A)跃迁发出黄光波长范围的光,11,共掺杂结构,430 nm: 多量子阱的带隙跃迁,520 nm: Si, Zn掺杂形成的D-A跃迁,光致发光特性,12,共掺杂结构,不同注入电流下的电致发光光谱,13,共掺杂结构,Si, Zn共掺杂阱对电致发光光谱的影响,未掺杂,掺杂,14,单颗两芯片结构,Li等(2003) Carrier dynamics in nitride-based light-emitting p-n junction diodes with two active regions emi
4、tting at different wavelengths,结构,GaN层隔离两个有源区,发射峰值波长： 465 nm, 525 nm,15,单颗两芯片结构,光致发光光谱,T=300 K,T=78 K,16,单颗两芯片结构,光致发光强度随提取功率密度的变化,低提取功率密度下，绿光发射强,提取功率密度增大，蓝光发射强于绿光，但蓝绿光发射强度比减小,17,单颗两芯片结构,蓝、绿光复合通道的竞争,18,单颗两芯片结构,不同电流密度下的电致发光光谱,19,单颗两芯片结构,不同接触直径下的伏安特性,20,用三色LED产生白光,混合三色可获得高质量白光,Thornton(1971): 450 nm, 5
5、40 nm, 610 nm； 显色指数好； 要获得高显色指数，应避免500 nm, 580 nm附近辐射,室温(20)下，谱线宽度分别为 5.5 kT, 7.9 kT, 2.5 kT (23.2 nm, 44.3 nm, 18.6 nm),32 lm/WRa=84Tc=6500 K,21,三色光组合原则,高光效避免可见光范围边界(深红、深紫)；,高显色指数 450-455 nm, 525-535 nm, 600-615 nm 使 CRI达90-95 CRI随峰值波长位置变化敏感：605 nm620 nm CRI: 8565;530 nm550 nm CRI: 8560,22,三色LED白光源的
6、温度特性,三种单色光只在很窄的波长范围内才能保证高显色指数；,光发射功率P, 峰值波长 和谱线宽度 都随温度变化， 且温度系数不同；,23,三色LED白光源的温度特性,光输出功率的温度特性：,24,三色LED白光源的温度特性,发射光谱的温度特性,室温(20)下，调节驱动三色LED的电流，使白光源的色坐标接近D65标准照明体,25,三色LED白光源的温度特性,不同温度下的色坐标偏移,Tj=50，偏移量0.009; Tj=80，偏移量0.02，超过“0.01上限”,色度偏移的补偿,持续测量，通过反馈控制三基色功率输出； 监控器件温度，根据已知温度下的最佳光输出功率控制光输出,26,多色LED白光源
7、,更多单色光，意味着：,显色指数提高，光效降低； 色温调节更灵活,27,波长转换法,蓝光LED + 黄光荧光粉,蓝光LED + 黄、红荧光粉,UV LED + 三色荧光粉,蓝光LED + (红光LED+绿光荧光粉),UV LED + 四色荧光粉,蓝光LED + (红光LED+二色荧光粉),28,波长转换效率,外量子效率：,= internal extraction,材料的固有效率,波长转换材料的空间分布,波长转换效率：,波长转换损失：,波长转换材料的效率：,29,波长转换效率,波长转换损失补偿量子分裂(quantum splitting)荧光粉,量子分裂荧光粉能将一个短波光子分裂为两个长波光子
8、，即 h1 = h2 + h3,LiGdF4中掺杂Eu3+ 量子效率200%,YF3:Pr3+ (受185 nm激发)量子效率140%,暂无商用的量子分裂荧光粉,30,荧光粉及激发光源的选择,由于存在波长转换的固有损失，基于波长转换的白光LED的效率极限低于基于单色光LED的白光LED,红光荧光粉转换效率低。因此高效照明系统中用红光LED比红光荧光粉更理想,平衡光效和显色指数,31,波长转换材料,分类 荧光粉 半导体 染料,材料的转换效率：,32,荧光粉,荧光粉由掺杂具有光学活性元素的无机基质材料组成,概述,常用的基质材料石榴石 化学式 A3B5O12 常用材料钇铝石榴石(YAG) Y3Al5
9、O12 掺杂物一般是稀土元素、稀土氧化物，或者其他稀土混合物,33,YAG:Ce荧光粉的光特性,用Gd取代部分Y，用Ga取代部分Al,能调节荧光粉的光学特性 (激发波长为460 nm),添加Gd使发射谱向长波方向漂移 添Ga使发射谱向短波方向漂移,34,YAG:Ce荧光粉的光特性,色度坐标,阴影区域为通过荧光粉转换产生的白光的色度范围,35,基于蓝光转换荧光粉的白光LED,荧光粉材料的化学式：(Y1aGda)3 (Al1bGab)5 O12 : Ce,结构,YAG荧光粉可制成粉末状，涂在环氧树脂中 涂在YAG环氧树脂中的YAG荧光粉液滴沉积在LED芯片上，这样环氧树脂可以填满LED芯片的杯状底
10、部,36,基于蓝光转换荧光粉的白光LED,光谱,日亚公司第一代白光LED,37,基于蓝光转换荧光粉的白光LED,色坐标,38,基于蓝光转换荧光粉的白光LED,改进方法,加入其它荧光粉，使红光波段发射增强，改善显色性(但是光效下降)； 不同荧光粉混合物，使色温可在更低范围内(2800-4700 K)调节； 荧光粉合理分布，使各方向的光在荧光粉中的光程相等，光色均匀； 向密封剂中添加矿物扩散剂，也能获得空间分布均匀的光色,39,荧光粉的空间分布,白光LED器件中荧光粉的空间分布对光色一致性和光源效率影响很大,近场分布,近邻分布,远场分布,生产成本低； 发光面小，亮度高； 点光源，适合光学设计,半导
11、体芯片会吸收光,芯片对光的吸收减少,40,基于紫外转换荧光粉的白光LED,常用激发波长范围：近紫外(320390 nm) 和紫光(390410 nm),深紫外(200-320 nm)半导体光源 大幅度Stokes偏移； AlGaN中p型和n型的掺杂效率很低； 生长出低位错、低缺陷密度的高质量AlGaN外延层困难重重,与蓝光转换比较 可见光谱只取决于荧光粉，与确切激发波长无关，光谱再现性好； 产生的白光色度变化量小 潜在光效远低于蓝光转换,41,基于波长转换半导体的白光LED,光子回收半导体LED (PRS-LED),结构示意图,GaInN LED发出的蓝光先被AlGaInP二级有源区吸收，再作
12、为低能光子重新发射(“回收”),要获得白光，两种光源的强度要遵循特定的比例,42,基于波长转换半导体的白光LED,功率平衡,输入电功率为P0 ，输出光功率为P1 和 P2。,用照明体C标准(xc = 0.3101, yc = 0.3163, zc = 0.3736)代表白光，可确定互补波长对,43,基于波长转换半导体的白光LED,计算功率比,分别用1 和2 表示初级(短) 波长和次级(长) 波长。要产生白光，1 和2是一对互补波长。,定义两种光源的光质量为,光功率比为,R=P2/P1,44,基于波长转换半导体的白光LED,计算功率比,新合成的光的色坐标为,取 xnew = xc = 0.310
13、1 ，ynew = yc = 0.3162,解得,45,基于波长转换半导体的白光LED,计算光效,要在波长2处通过从波长为1的初级光源回收光子，产生光功率P2，初级光源所需的光功率为,初级LED发出的光功率为,将P2 = RP1带入方程，从方程中解出输入电功率为,光输出总功率为,Pout=P1+P2=(1+R)P1,46,基于波长转换半导体的白光LED,计算光效,电-光功率转换总效率,器件的光通量lum,辐射光效,发光效率,初级光源的发光波长位于440 nm时，白光光源的发光效率最大。 这一初级波长下的理论发光效率为336 lm/W。,47,基于波长转换半导体的白光LED,计算光效,初级光源的
14、发光波长位于440 nm时，白光光源的发光效率最大。 这一初级波长下的理论发光效率为336 lm/W。,48,基于波长转换半导体的白光LED,光谱,由电流注入型GaInN 蓝光LED初级光源和AlGaInP光子回收 晶片 (次级光源) 组成的二色PRS-LED的发射光谱。 (Guo等，2000)。,49,几种白光LED比较,50,基于波长转换染料的白光LED,应用有机染料分子也可以作为波长转换材料制做白光LED,染料可以加入环氧密封剂中 ，也可以加入光学透明的聚合物中,有机染料的缺点是寿命有限。染料分子经历一定数目的光子吸收后会“漂白”(失去光学活性),染料的吸收光谱带和发射光谱带之间的差异(Stokes偏移)相对较小,51,谢谢观赏！,52,
