电光源资料-坐标与色温公式

用InGaN蓝光LED与YAG荧光粉制造自然白光LED The Fabrication of White LED Using InGaN Blue LED

and YAG Fluorescence

物理学院物理学系98级王宇方

摘要

本文报导了通过结合自行研制的InGaN/GaN蓝光发光二极管（LED）与钇铝石榴石(YAG)荧光粉结合而得的白光发光二极管（W-LED）。在室温、正向电压3.5V、正向电流20mA时W-LED轴向亮度为1cd，CIE色坐标为（0.31,0.38），接近纯白色（0.33,0.33）。

关键词：白光，LED，Y AG荧光粉

Abstract

It is reported that the white light emitting diodes are fabricated by combining InGaN/GaN blue LED and YAG fluorescence. At forward voltage

V f =3.5V, forward current I

f

=20mA, and room temperature, the luminous

intensity of the white LED is 1cd, and the chromaticity coordinate (x, y) (0.31, 0.38), which is near to the pure white (0.33,0.33).

Key words: white light, LED, YAG fluorescence

全固体白光发光二极管（W-LED）将作为照明光源取代以爱迪生发明的白炽灯泡为代表的照明光源，引发照明界的一场革命，已取得科学界与产业界的共识。[1，2]

作为照明光源，W-LED具有体积小、寿命长等优点，而且，与白炽灯相比，后者的辐射主要集中在红外区，产生大量热量，W-LED则是一种冷光源，辐射主要集中在可见光区，几乎不产生热，也消除了非可见光区电磁波对人体的危害；与荧光灯相比，W-LED的制造与使用过程都不会引入汞的污染，与叠有许多线状光谱的荧光灯光谱，W-LED的连续光谱更接近自然光；此外，由于使用低于5V 的直流电源，W-LED不会有50Hz的闪烁现象；由于灯体封装在树脂中，W-LED 对震动等因素不敏感，比灯丝或灯管对环境的适应性更高。

基于LED的种种优点，它将能取代部分难以更换或昂贵的发光设备，比如目前已开始应用在交通照明以及背景光照明等，[4]甚至在医学上，W-LED被用于内窥镜的照明，使无引线内窥镜得以实现。[5]

近年来，随着气相外延生长的化合物半导体薄膜技术的改进，特别是在金属有机化合气相沉积(MOCVD)技术方面取得的巨大进展。用MOCVD方法制成的发光二极管（LED）显著的提高了发光强度，并增加了颜色的变化范围。GaN基蓝色LED出现后，红绿蓝三色LED全部完成，几乎可以实现人眼能分辨的全部颜色。其中白色LED成了人们关注的焦点。[6]

1931国际照明委员会（CIE）色度图（如图1）显示了颜色之间的关系。色度图是建立在人眼视网膜上有三种不同的颜色感应细胞的基础上。相应每种细胞的不同响应，每种颜色可以用三个色度参量（X，Y，Z）来表示。又由于理论上任何颜色都可以用三基色混合而成，用归一化的色坐标（x，y，z）表示这三种

基色所占的份量，x+y+z=100%，z由（x，y）唯一确定，因此任何颜色都可以用（x，y）色度图上的点来表示。图中E是概念中的纯白色，坐标为（0.33,0.33）。作为色彩混合的一个例子，白光可以用若干方法得到。它可以是可见光区的连续光谱，如日光、白炽灯的黑体辐射，也可以是由若干光谱色合成，如汞灯的线状光谱。[7] 这里的W-LED所发出的白光是由InGaN/GaN蓝光LED的蓝光与YAG荧光粉发出的黄光合成，[5]色坐标（0.31,0.38）接近纯白色点。

图1：CIE（x,y）色度图。其中E代表纯白色，X带表W-LED的颜色。

照明光的光谱不同，物体反射光的颜色也不同，甚至面目全非。人们习惯于看日光下的东西，所以用日光来定义照明光的显色指数，也就是色彩还原性。规定能将标准检测色还原到日光下颜色的光源，其显色指数为100，显色指数的最大值。W-LED显色指数为60~70，与普通荧光灯接近。

采用低压MOCVD技术制成的单量子阱（SQW）InGaN/GaN蓝光LED的电致发光光谱如图2，发光峰为460nm，半峰值全宽（FWHM）为30nm，荧光染料是高温烧结制成的含Ce3+的钇铝石榴石（YAG）荧光粉，吸收峰为460nm，发射光谱如图3。发射谱是可见光区内的宽谱，峰值550nm，颜色为黄色。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm，YAG的质量含量为30-50%。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。之所以采用这种方法，是因为这样得到的白光均匀稳定，与红绿蓝三基色白光等相比，更接近自然日光。[4]发光部分封装在树脂中，成为直径3mm（Φ3）的LED。

图2，蓝光光谱图3，YAG发射光谱

改变YAG的含量制得一系列LED，它们颜色的（x，y）坐标如图4所示。正如色彩相加混合原理所预计，它们分布在直线AB上，E是概念中的纯白光。这说明可以通过改变YAG的含量来控制LED的固有色。进一步加大YAG含量，则有可能得到不同的白色甚至黄色。

图4.LED色度随荧光粉含量的变化

W-LED的xy色坐标为(0.31,0.38)。根据相关色温公式(McCamy，1992)[8]：T=-437n3+3601n2-6861n+5514.31 n=(x-0.3320)/(y-0.1858)

可知其色温为6400K。调节荧光粉的含量，色温可以在5000～20000K间变化。通过对标准检测色的还原程度计算[8]，W-LED的显色指数多在70左右。

发光光谱如图5，亮度通常是1cd，个别达到2cd，甚至3cd以上。可以看出发光光谱是由一个宽带和一个窄带组成，峰值分别在460nm，即蓝光LED发射峰和主要在550nm的宽带谱，即YAG的发射峰。光谱能量分布集中在可见光区，包含了从蓝到红的全可见波长。

图5.白色LED光谱图6.白色LED光强角分布

W-LED光强的角分布如图6。可以看出它是一种高聚光发光二极管，半强度角约为150。同时，改善封装工艺，减小半强度角或提高YAG在树脂中溶解的均匀性，也有助于提高轴向亮度。使其具有更好的色彩还原性。并且通过控制YAG 含量得到一系列适用于不同用途的白色，如冷白、日光色、暖白、紫白等。

总之，W-LED是结合InGaN蓝色LED与YAG荧光粉而得，固有色随荧光物质的量变化而改变。在室温，正向电压3.5V，正向电流20mA时，轴向亮度1cd，xy色度坐标(0.31，0.38)。

致谢

衷心感谢张国义老师一年来在科研上给我的精心指导与接触前沿科技的机遇，张老师渊博的知识，严谨的治学态度，独到的见解给我留下了深刻的印象。感谢杨志坚老师在实验上对我的指导，鼓励我放开手脚，大胆灵活地实现我的想法。感谢丁晓民老师教我养成一丝不苟的科研习惯，丁老师对我的学习、生活和工作都十分关心，她无微不至的关怀让我深受感动。感谢GaN系列材料与器件研究组的全体老师和同学对我的关心与帮助。感谢 政基金给我这个走进实验室的机会。

参考文献：

[1]梁春广，半导体情报 2000，37（1）：1

[2]Savage N, Technology Review, 2000, 103(5):38

[3]Engelke R, Electronic Design, 1999, 47(1):20

[4]Cohen S, Electronic News, 1997, 43(2115):25

[5]Iddan G, Nature, 2000, 405(6785):417

[6]杨笑卫，中国照明电器2000，1：27

[7]Ponce F A, Bour D P. Nature 1997，386（2）：351-9

[8]大田登，色彩工学，西安交通大学出版社1998：102

作者简介：王宇方，女，1981年生，江西南昌人，1998年入北京大学物理系学习并参加北京大学理科试验班。2000年参加 政基金活动，在张国义老师指导下研究白光发光二极管的实现。2000年底研究组的白光发光二极管项目通过863成果验收。2001年参加全国光电子器件与集成技术会议，论文收入会议论文集，后来被转载于“国际光电与显示”2001年8月第141页。同时该论文也被“高技术通讯”杂志接收。

感悟与寄语：这一年来我看了很多书，学到很多知识；接触了很多人，交了很多

朋友。而最主要的就是我感受到了研究的乐趣。虽然由于进实验室，我不得不牺牲一些课余时间，推迟一些个人的计划，但这段宝贵的经历将使我终生难忘。

指导教师简介：张国义博士是北京大学物理学院教授，博士生导师，中国物理学会发光学会理事会常务理事，中国电子协会理事，《发光学报》、《液晶与显示》编辑委员会委员。自1993年领导课题组开展氮化物半导体材料和器件的研究，先后两次组织召开国际氮化物半导体材料和器件专题研讨会，多次参加国际会议，多次被聘任为重大氮化物半导体国际会议的委员，发表论文100多篇，取得了丰硕研究成果。