白光 LED 的结构与发光原理

报告人：庞 涛

1 、多芯片型 LED

优点：1 、无 Stokes 位移能量损失2 、无荧光粉中非辐射复合损失

缺点：1 、不同芯片的驱动电压不同，需要分别供电 ，因此电路复杂，成本高2 、不同芯片的老化衰减不一致，长期工作会导致色温偏移

芯片材料选取： AlGaInN 和 AlGaInP

2 、量子点 LED

2.1 什么是量子点： 量子点是准零维的纳米材料，粗略地说，是指三个维度的尺寸都在 10 nm 以下，由于其内部电子在各方向上的运动都受到限制，所以量子局域效应特别显著。

2.2 量子点 LED 工作原理： 不同尺寸的量子点电子和空穴被量子限域的程度不一样，分子特性的分立能级结构也因量子点的尺寸不同而不同，因此在收到外来能量激发后，不同尺寸的量子点将发出不同波长的荧光。

2.3 量子点 LED 结构（一） 通过镀膜法将量子点材料均匀涂覆在电子传导层和空穴传导层之间，通过改变量子点的种类和尺寸来控制材料发射光谱的范围。优点： 发光层由量子点胶体溶液旋涂制成，工艺简单、成本低、可制成柔性器件。

Catalyst-free InGaN/GaN dot-in-a-wire heterostructures are grown by molecular beam epitaxy on Si(111) substrates. Appl. Phys. Lett., vol. 96, 013106, 2010.

Nano Lett., in press.

3.4 量子点 LED 结构（二）利用 MBE 直接在衬底上生长包含点的纳米线电子注入式发光，效率更高。

Nizamoglu 等人 2008 年通过利用蓝紫光 LED 与量子点荧光粉组合，实现显色指数 80 以上、色温在 3000K 、流明效率高达300 lm/W 的暖白色发光。

2.5 量子点 LED 结构（三）

3 、蓝光 LED+ 荧光粉

优点：成本低，工艺成熟

缺点：1 、显色性差2 、发光颜色受驱动电压影响3 、荧光粉涂层厚度影响色温均匀性4 、封装用环氧树脂易高温老化5 、适用的荧光粉少

3.1 一种提高荧光显色性的方法

通过对荧光粉掺杂的改进，引入 Gd3+ 、 Pr3+ 使 610nm 处出现明显发射峰，且荧光主峰发生红移，从而使光谱中红光成分增强。

3.2 一种提高相关色温分布均匀性的方法

用于照明的白光 LED ，其相关色温的空间分布均匀性是产品性能的重要指标。人眼能分辨的相关色温差异约为 50~100K ，而目前普通白光 LED 由于采用直接在芯片表面涂覆荧光粉和硅胶混合体，而荧光粉粉层厚度难以控制，使得整个出射的白光相关色温分布难以达到均匀一致。其角向相关色温差异高达 800K.解决方案： 优化涂覆工艺，改善荧光粉层厚度的均匀性。

3.3 一种提高光效和使用寿命的封装方法 传统封装方法采用荧光粉涂覆和环氧树脂封装技术，对于小功率器件可以满足要求，但对于大功率器件，由于工作电流高达 350mA ，因此会加速环氧树脂材料的老化，从而影响器件的发光效率和使用寿命。1 、解决方法：利用微晶玻璃代替传统方法2 、指导思想：与树脂相比，玻璃材料更耐高温、且导热性更好。

4 、紫外、近紫外、紫光 LED+ 荧光粉

优点：1 、色温不受电流影响2 、显色性好3 、适用材料丰富 可采用单相基质（宽带谱、分立谱），也可采用多相基质（分立谱）。4 、发光效率高

缺点：1 、紫外芯片发光效率低2 、封装树脂抗紫外辐射老化能力差

5 、近红外 LD （ LED ） + 荧光粉

5.1 优点：1 、色温不受电流影响2 、显色性较好3 、适用材料丰富 可采用单相基质（宽带谱、分立谱），也可采用多相基质。4 、材料稳定好，无光衰5 、成本低6 、色温与亮度便于调节

5.2 缺点：效率偏低

5.3 上转换发光原理

Auzel提出的 6 种上转换发光机理

5.4 色温调节

5.5 色平衡的控制

图 2.4 ACBM:22.6Yb/0.05Tm/0.375Er 在单一980 nm LD 泵浦下的上转换光谱

图 2.5 在不同泵浦功率密度下的色点坐标