的應(yīng)用研究光信息科學(xué)與技術(shù)張冉

安徽工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 二二 0 一一二二年六月年六月 專 業(yè) 光信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 081 班 姓 名 張冉 學(xué) 號(hào) 089084029 指導(dǎo)教師 校內(nèi) 劉海蓮 校外 董永軍 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 安徽工業(yè)大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書(shū) 課題名稱 Ce YAG 鈰鋁石榴石 晶體生長(zhǎng)及在 LED 中的應(yīng)用研究 學(xué) 院 數(shù)理學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 光信息科學(xué)與技術(shù) 081 班 姓 名 張冉 學(xué) 號(hào) 089084029 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文論文 的主要內(nèi)容及要求 的主要內(nèi)容及要求 主要內(nèi)容 主要內(nèi)容 白光 LED 被廣泛應(yīng)用于通用照明和背光源等領(lǐng)域 目前商品化的白光 LED 主要由藍(lán)光芯片與黃光熒光粉組合而成 但依然存在著效率低 均勻性差 光衰大 壽命短 物化性能差等缺點(diǎn) 本論文要提出一種不同的材料來(lái)取代目前商用的熒光粉來(lái)制備白光 LED 并 采用 X 射線衍射技術(shù) 吸收和熒光光譜分析 光色電性能測(cè)試等手段來(lái)研究晶體 的光學(xué)性能 要求 要求 1 具有查閱相關(guān)文獻(xiàn)的能力 2 學(xué)會(huì)光譜分析的相關(guān)知識(shí) 指導(dǎo)教師簽字 指導(dǎo)教師簽字 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 Ce YAG 鈰鋁石榴石鈰鋁石榴石 晶體生長(zhǎng)及在晶體生長(zhǎng)及在 LED 中的應(yīng)用研究中的應(yīng)用研究 光信息科學(xué)與技術(shù) 張冉 089084029 指導(dǎo)教師 劉海蓮 講師 摘摘 要要 白光 LED White Light Emitting Diode W LED 具備固體化 體積小 發(fā) 熱量低 耗電量小 壽命長(zhǎng) 反應(yīng)速度快和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn) 被廣泛應(yīng)用于通用照明 和背光源等領(lǐng)域 目前商品化的白光 LED 主要由藍(lán)光芯片與黃光熒光粉組合而 成 藍(lán)光芯片發(fā)射的藍(lán)光與熒光粉被藍(lán)光激發(fā)而發(fā)射的黃光混合生成白光 商業(yè) 化的熒光粉雖然取得了巨大的成功 但依然存在著效率低 均勻性差 光衰大 壽命短 物化性能差等缺點(diǎn) 嚴(yán)重影響白光 LED 的性能 本論文提出通過(guò)采用 Ce YAG 單晶熒光材料來(lái)取代目前商用的熒光粉來(lái)制 備白光 LED 采用提拉法生長(zhǎng)出了 40 120mm 的高質(zhì)量 Ce YAG 晶體 采用 X 射線衍射技術(shù) 吸收和熒光光譜分析 光色電性能測(cè)試等手段分別研究了晶體的 光學(xué)性能 結(jié)果如下 通過(guò)吸收光譜分析可知 晶體在 460nm 處有較強(qiáng)烈的吸收 這與發(fā)光中心 為 460 15nm 的 GaN 藍(lán)光芯片相匹配 通過(guò)熒光光譜分析得出 晶體能夠被 460nm 的藍(lán)光激發(fā) 發(fā)射出波長(zhǎng)范圍為 480 650nm 的光 并分析了熒光發(fā)射的 起因 測(cè)試了 3 個(gè)樣品制備的白光 LED 的光色電性能 考察晶片厚度 工作電 流的大小對(duì)發(fā)光的影響 結(jié)果顯示 3 個(gè)白光 LED 樣品都能夠發(fā)射出白光 晶片 厚度越大 LED 的發(fā)光效率越強(qiáng) 相關(guān)色溫越低 但顯色指數(shù)也隨之降低 工 作電流越大 藍(lán)光芯片的發(fā)光效率越低 相應(yīng)的白光 LED 的發(fā)光效率也隨之降 低 由于 Ce3 離子的摻雜濃度偏高 使得 3 組樣品均出現(xiàn)芯片藍(lán)光被大量吸收 剩余藍(lán)光不足 藍(lán)光與晶片黃光的比例失衡 白光顯色性能不夠理想 這需要在 下一步實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行改進(jìn) 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 白光 LED Ce YAG 熒光 光電性能 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 PREPARATION AND CHARACTERISTICS OF NEWLY DEVELOPED CE YAG SINGLE CRYSTAL PHOSPHORS FOR WHITE LED ABSTRACT White light emitting diodes W LED are widely used in common lighting and backlighting areas with many advantages of solidification small size low heat low power consumption long life fast response and environmental friendly etc At present The commercial W LEDs are mainly assembled by a blue chip and phosphor with yellow Blue chip emit blue light and phosphor emit yellow light these light mix and generate white light Commercial phosphor has gotten huge successful but the phosphor of white LED also has many shortages of low efficiency poor uniformity large light decline short life and poor physical and chemical characteristics etc These influence the W LED performance seriously In order to improve the shortage of phosphor used for white LED single crystals phosphor is studied as a substitute single crystals were grown by Czochralski CZ method and the luminescence properties of the crystals and the W LEDs were studied by means of absorption emission and excitation spectra electroluminescence spectra color rendering index CRI correlated color temperature Tc luminous efficiency etc The results are as follows the XRD spectrums of the crystals are consistent with the JCPDS No 33 0040 They all absorb blue light with center emission wavelength of 460 nm it matches with GaN blue chip with center emission wavelength of 460 15 nm The broad emission band of the crystal chips range from 480 650nm were produced with blue light excitation The reason of the fluorescence emission is investigated We have tested the light color electricity performance the chip thickness and the influence of operating current size to the illumination of the white light LED which consist of five crystal sample The result showed that five kinds of white light LED can produce the white light The bigger of chip thickness the stronger of luminous 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 efficiency of LED the lower of related color temperature but the colored index is reduce The bigger of operating current the lower of luminous efficiency of blue light chip but the corresponding luminous efficiency of white light LED is reduce The chip of blue light have been absorbed massively the surplus blue light is insufficient the proportion of blue light and the chip of yellow light is unbalanced and the white light colored performance is not very ideal due to the density of doping Ce3 ion is high Further work to better improve that parameter is still under way KEY WORDS White LED Ce YAG Luminescence Electroluminescence performance 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 目目 錄錄 摘 要 2 ABSTRACT 3 第一章 緒 論 7 1 1 引言 7 1 2 白光 LED 的研究現(xiàn)狀 8 1 2 1 白光 LED 的發(fā)展 8 1 2 2 LED 的基本參數(shù) 10 1 2 3 單晶熒光材料相對(duì)于熒光粉的優(yōu)勢(shì) 14 1 3 Ce YAG 晶體的研究現(xiàn)狀 18 1 3 1 Ce YAG 晶體的結(jié)構(gòu)和性能 18 1 3 2 Ce YAG 晶體的發(fā)展概況 20 1 4 本論文的研究目的 內(nèi)容及意義 20 1 4 1 研究的目的及意義 20 1 4 2 研究?jī)?nèi)容 21 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試表征手段 22 2 1 1 提拉法晶體的生長(zhǎng)裝置 22 2 1 2 晶體生長(zhǎng)原料的準(zhǔn)備 23 2 1 3 提拉法晶體的生長(zhǎng)工藝 25 2 2 晶體樣品的制備 26 2 2 1 XRD 測(cè)試用樣品 26 2 2 2 光譜性能測(cè)試用樣品 26 2 2 3 白光 LED 光色參數(shù)測(cè)試用樣品 26 2 3 測(cè)試分析方法 27 2 3 1 X 射線衍射 21 2 3 2 晶體的吸收光譜 271 2 3 3 晶體的熒光光譜 282 2 3 4 白光 LED 光色電參數(shù)的測(cè)試 292 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 第三章 Ce YAG 晶體光學(xué)性能的研究 30 3 1 Ce YAG 晶體的 XRD 圖譜 30 3 2 Ce YAG 晶體的吸收光譜 30 3 3 Ce YAG 晶體的熒光光譜 30 3 4 Ce YAG 晶片結(jié)構(gòu)白光 LED 的光色電性能 332 第四章 結(jié)論 35 參考文獻(xiàn) 36 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 第一章第一章 緒緒 論論 1 1 引言引言 發(fā)光二極管的英文名稱為 Light Emitting Diode 簡(jiǎn)稱 LED 半導(dǎo)體白光 LED 照明是 21 世紀(jì)最具有發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一 自 1996 年日本日亞 公司推出第一只商用白光 LED 以來(lái) 其優(yōu)良的性能便吸引了全世界的目光 作 為第四代照明光源 LED 的優(yōu)點(diǎn)有 1 理論上發(fā)光效率較高 目前實(shí)驗(yàn)室最 高水平已達(dá) 200lm W 以上 商品水平接近 100lm W 2 使用壽命很長(zhǎng) 目前 平均使用壽命已達(dá) 30000 50000h 3 光源器件較小 不需要玻璃外殼 抗沖 擊性好 并且光源中無(wú)汞 有利于保護(hù)環(huán)境 4 使用低壓直流驅(qū)動(dòng) 負(fù)載小 干擾少 安全可靠 白光 LED 所具備的優(yōu)良性能吸引了眾多從事相關(guān)方面的學(xué)者 無(wú)論是在芯片制備技術(shù) 發(fā)光效率方面 還是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化 外觀設(shè)計(jì)方面都取得 了很大的進(jìn)步 LED 已經(jīng)成為了新一代的人工照明光源 面對(duì)全球半導(dǎo)體照明市場(chǎng)的良好前景和巨大誘惑 很多國(guó)家及公司企業(yè)對(duì)發(fā) 展LED照明的熱情空前高漲 并相繼制定LED照明發(fā)展規(guī)劃 歐 美及日本等國(guó) 家紛紛投入大量的人力和財(cái)力 成立專門(mén)的機(jī)構(gòu)和計(jì)劃推動(dòng)白光LED研發(fā)工作 如歐盟委托6大公司和兩所大學(xué)啟動(dòng) 彩虹計(jì)劃 美國(guó)政府投入5億美元 設(shè)立了 由13個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 公司和大學(xué)參加的 國(guó)家半導(dǎo)體照明研究計(jì)劃 日本投 入50億日元 組織13家公司和4所大學(xué)聯(lián)合執(zhí)行 21世紀(jì)光計(jì)劃 我國(guó)臺(tái)灣地區(qū) 也組織設(shè)立了由16個(gè)生產(chǎn)科研單位和大學(xué)參加的 21世紀(jì)照明光源開(kāi)發(fā)計(jì)劃 等 我國(guó)對(duì)發(fā)展白光LED高度重視 科技部 863 973 計(jì)劃均立項(xiàng)對(duì)藍(lán)光 白光 LED開(kāi)展研究 現(xiàn)在國(guó)家專門(mén)推出 半導(dǎo)體照明工程 計(jì)劃 以突破白光LED關(guān)鍵 技術(shù) 掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 推動(dòng)傳統(tǒng)照明工業(yè)轉(zhuǎn)型 并確定深圳 上海 廈門(mén) 大連 南昌等5個(gè)城市為半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地 而我國(guó)在發(fā) 展LED產(chǎn)業(yè)方面也具備巨大的優(yōu)勢(shì) 一方面市場(chǎng)巨大 我國(guó)有3億家庭 若普及 LED照明 其市場(chǎng)將會(huì)非常巨大 此外 城市景觀照明 城市亮化工程等對(duì)LED 也有很大的需求 其節(jié)能效果將非常顯著 2008年北京奧運(yùn)會(huì) 2010上海世博會(huì) 以及2010年廣州亞運(yùn)會(huì)上對(duì)LED元素的大量采用 對(duì)我國(guó)的LED城市照明應(yīng)用都 有巨大的推動(dòng)作用 國(guó)家及地方政府的政策和資金支持 以及我國(guó)在襯底生長(zhǎng) 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 外延材料生長(zhǎng) MOCVD設(shè)備等方面取得的突破 都極大地推動(dòng)了我國(guó)LED產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展 1 1 2 1 2 白光白光 LEDLED 的研究現(xiàn)狀的研究現(xiàn)狀 1 2 11 2 1 白光白光 LEDLED 的發(fā)展的發(fā)展 2 2 發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1 1所示 發(fā)光二極管的核心部分是一個(gè)p n結(jié)結(jié) 構(gòu) 包含n型層和p型層 分別接上電極 被稱為陰極和陽(yáng)極 n型層和p型層分別 提供發(fā)光所需的電子和空穴 在p n結(jié)上加正向電壓后 被注入的電子和空穴成 為非平衡載流子 又稱少數(shù)載流子 在p n結(jié)附近 當(dāng)非平衡載流子和多數(shù)載 流子復(fù)合時(shí) 便把多余的能量以光的形式釋放出來(lái) 這就可觀察到p n結(jié)發(fā)光 圖 1 1 發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)圖 半導(dǎo)體根據(jù)所選用材料的不同 電子和空穴的能級(jí)也不同 復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光 子的能量也不同 也就可獲得不同的光譜和顏色 此外 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流變化時(shí) 發(fā) 光的強(qiáng)弱也隨之改變 自1879年愛(ài)迪生成功發(fā)明第一支白熾燈以來(lái) 人工照明已經(jīng)給我們的生活帶 來(lái)了巨大的變化 如圖1 1所示 近50年的歷程中 LED得到極大的發(fā)展 早期 所用的發(fā)光材料GaAsP只能發(fā)紅光 p 650nm 發(fā)光效率只有0 1lm W 光通量 僅有千分之幾流明 只能用作指示燈 隨著時(shí)代的發(fā)展 新型發(fā)光材料的研究不 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 斷深入 到上世紀(jì)70年代 LED的發(fā)光顏色拓展到綠光 p 555nm 黃光 p 590nm 橙光 p 610nm 光效也提高到1lm W 開(kāi)始應(yīng)用于顯示領(lǐng)域 80年 代 出現(xiàn)了采用GaAlAs材料的LED 光效進(jìn)一步高到10lm W 并進(jìn)一步拓寬應(yīng) 用領(lǐng)域 進(jìn)入90年代 AlInGaP四元材料高亮黃 橙 紅光LED及多量子阱結(jié)構(gòu) 芯片開(kāi)始出現(xiàn) 90年代初期日亞公司在GaN藍(lán)光芯片上取得了突破性的進(jìn)展 并 于1993年制備了第一支InGaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED 隨后又制備出InGaN量子阱 LED 使藍(lán)光LED亮度不斷提高 高亮度的藍(lán)光LED的制備成功填補(bǔ)了三原色 LED的空缺 并開(kāi)始使用在大屏幕彩色顯示屏上 也為白光LED的制備創(chuàng)造了條 件 隨后日亞公司于1996年制備了第一支白光LED 并于1998年推向市場(chǎng)作為照 明光源使用 從而開(kāi)啟了LED的新時(shí)代 表 1 1 不同種類的人工光源基本發(fā)光參數(shù)列表 光源種類 發(fā)光效率 lm W 顯色指數(shù) R 色溫 K 平均壽命 h 白熾燈 15 100 2800 1000 普通熒光燈 70 70 全系列 10000 三基色熒光燈 93 80 98 全系列 12000 節(jié)能燈 60 85 全系列 8000 低壓鈉燈 200 44 1750 28000 LED 2008 100 161 75 90 2700 7000 50000 白光LED照明光源主要有以下優(yōu)點(diǎn) 1 固體化 LED 為全固體發(fā)光體 抗震動(dòng) 耐沖擊 不易破碎 抗沖擊抗 震性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)光源 2 體積小 外型小巧 便于造型設(shè)計(jì) 3 耗電量小 節(jié)能 在同樣亮度下 白光 LED 的電能消耗量?jī)H為白熾 燈的 1 8 是熒光燈的 1 2 4 發(fā)光效率高 LED 經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)改良 其發(fā)光效率有了較大的 提升 白熾燈 鹵鎢燈光效為 12 24 流明 瓦 熒光燈 50 70 流明 瓦 鈉 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 10 燈 90 140 流明 瓦 大部分的耗電變成熱量損耗 而目前白光 LED 的實(shí) 驗(yàn)室發(fā)光效率已達(dá)到 206lm W 成品的最高光效也已達(dá)到 160lm W 5 壽命長(zhǎng) 白光 LED 光源的壽命可達(dá)到 100000 小時(shí) 是熒光燈的 8 倍 白熾燈的 33 倍 6 反應(yīng)速度快 其響應(yīng)時(shí)間為 120ns 為白熾燈的千分之一 綠色環(huán)保無(wú)污染 白光LED在生產(chǎn)和使用過(guò)程中不產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的有害 1 2 2 LED的基本參數(shù) 3 4 發(fā)光光源的多色化顯然可以使照明效果更加豐富多彩以及顯示的信息量 大大增加 而要了解 分析和應(yīng)用顏色問(wèn)題 就必須了解色度學(xué) 任何顏色的光都是由上述三種原色合成的 如紅 藍(lán) 綠 白 紅 藍(lán) 紫 藍(lán) 綠 青 如果用 RGB 表示三原色 任意顏色 C 為 1 1 其中 X Y Z 之和為 1 國(guó)際照明委員會(huì)通過(guò)規(guī)定 將 X Y Z 利用色度圖 表示 如圖 1 2 所示 圖 1 2 CIE 1931 色度圖譜 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 11 1 2 2 1 1 2 2 1 色坐標(biāo)色坐標(biāo) CIE1931 XYZ 色度系統(tǒng)是色度學(xué)基礎(chǔ) 顏色感覺(jué)是光輻射作用于人眼的結(jié) 果 色調(diào)和飽和度合稱為色度 它既說(shuō)明了彩色光的顏色類別 又說(shuō)明了顏色的 深淺程度 因此顏色不僅取決于光刺激 也取決于人眼的視覺(jué)特性 任何一種顏 色均可以用 CIE1931 色度圖中它的色度坐標(biāo) X Y 和刺激值 Y 來(lái)表示 如果已知光源的光譜功率分布 P 則可按下式計(jì)算它的色度坐標(biāo)及其他參 數(shù) 780 380 780 380 780 380 XKPX YKPY ZKPZ 1 2 由于實(shí)際上很難用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)寫(xiě)出 P 因此常用求和來(lái)近似積分 這 里的 Y 是光源的亮度 K 稱為調(diào)整系數(shù) 它是將光源的 Y 值調(diào)整為 100 時(shí)得出 因?yàn)?P 的絕對(duì)單位是已知的 且錯(cuò)誤錯(cuò)誤 未找到引用源 未找到引用源 所以光源的光通量可 以求出 其中 K 的最大值是 683 lm W 光譜發(fā)射功率最大的波長(zhǎng)稱峰值發(fā)射波 長(zhǎng) 而光譜輻射功率等于最大值一半的波長(zhǎng)間隔稱為光譜寬度 1 2 2 2 1 2 2 2 色溫和相關(guān)色溫色溫和相關(guān)色溫 光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí) 稱黑體 的溫度 T 為光源的色溫 用絕對(duì)溫度 K 表示 當(dāng)光源新發(fā)出的光的顏色與黑體在 某一溫度下輻射的顏色接近時(shí) 黑體溫度就稱為該光源的相關(guān)色溫 將不同溫度 下的完全輻射體的光譜功率做成曲線 畫(huà)在色度圖上就形成了完全輻射體色度軌 跡的光滑曲線 如果光源的色度位于完全輻射體的色度軌跡上 即使它們之間的 光譜功率分布有所不同 我們也說(shuō)它和該特定的完全輻射體有相同的色溫 如果 不落在完全輻射體的色度軌跡上 也可以用相關(guān)色溫來(lái)描述 如圖 1 3 所示 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 12 圖 1 3 完全輻射體色度圖 1 2 2 3 1 2 2 3 顯色指數(shù)顯色指數(shù) 表明光源發(fā)射的光對(duì)被照射物顏色的正確反映的量叫做顯色指數(shù) 光源顯色 指數(shù)一般用 R 表示 錯(cuò)誤錯(cuò)誤 未找到引用源 未找到引用源 錯(cuò)誤錯(cuò)誤 未找到引用源 未找到引用源 其中 R0是 8 個(gè)色樣的顯色指數(shù) 顯色指數(shù)是光源質(zhì)量的重要參量 它決定著光源的應(yīng)用范圍 提高白光 LED 的顯色指數(shù)是 LED 照明的重要任務(wù)之一 不同的環(huán)境對(duì)照明光源的顯色指數(shù) R 有不同的要求 如表 1 2 所示 表 1 2 不同環(huán)境下的光源照明顯色指數(shù) 環(huán)境 R 室內(nèi)商店 90 室內(nèi)辦公室 80 室內(nèi)車(chē)間 60 室外行人區(qū) 60 室外一般照明 40 在傳統(tǒng)光源中 發(fā)光效率和顯色性始終是個(gè)矛盾 顯色性好的光源其發(fā)光效 率較低 且長(zhǎng)期無(wú)甚進(jìn)展 而發(fā)光效率高的傳統(tǒng)光源又往往顯色性很差 表 1 3 為傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率和顯色性 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 13 表 1 3 不同人工光源的基本參數(shù) 光源類型 發(fā)光效率 lm W 顯色指數(shù) R 白熾燈 14 4 100 多熒光粉燈 65 95 三基色熒光燈 93 80 低壓鈉燈 178 40 LED 光源的優(yōu)點(diǎn)是既可將發(fā)光效率提高 又可同時(shí)提高顯色性 近幾年發(fā)光 效率大幅度提高的同時(shí) 顯色指數(shù)的進(jìn)展也很可觀 采用藍(lán)色 InGaN LED 涂覆的 Ce YAG 的顯色指數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到 85 一般來(lái)說(shuō) R 80 的光源就可以認(rèn)為是較好 質(zhì)量的白光 適用于對(duì)顯色性要求較高的室內(nèi)照明 而大于 95 的則可應(yīng)用于視 覺(jué)要求較高的場(chǎng)合 1 2 2 4 1 2 2 4 發(fā)光效率發(fā)光效率 從節(jié)能角度看 發(fā)光效率這是一個(gè)衡量電光源質(zhì)量高低的最重要的參量 表 1 4 為傳統(tǒng)光源和 LED 光源的典型特性和成本比較 表 1 4 不同光源的基本參數(shù) 光源類型 規(guī)格 性能 壽命 kh 成本 美元 發(fā)光效率 lm 顯色指數(shù) R 白熾燈 100W 15 100 1 0 5 100 2 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 14 1 2 3 1 2 3 單晶熒光材料相對(duì)于熒光粉的優(yōu)勢(shì)單晶熒光材料相對(duì)于熒光粉的優(yōu)勢(shì) 6 10 目前實(shí)現(xiàn)白光LED的制作方案有很多種 但總體上主要有如下幾條途徑 1 1 藍(lán) 綠 紅三基色 藍(lán) 綠 紅三基色LEDLED芯片芯片 這種方案主要是將藍(lán)色LED 綠色LED和紅色LED芯片組成一個(gè)像素 實(shí)現(xiàn) 白光發(fā)射 這種白光LED的優(yōu)點(diǎn)在于 發(fā)光效率高 顯色性能好 配合適當(dāng)?shù)目?制器個(gè)別操控各色LED 能夠讓使用者隨意調(diào)整出所需要的顏色 這是其它光源 無(wú)法做到的 其缺點(diǎn)在于 生產(chǎn)成本極高 三種顏色的光衰隨溫度 驅(qū)動(dòng)電流的 變化不一致 電路復(fù)雜 2 2 藍(lán)光 藍(lán)光LED LED 黃光熒光粉或單晶熒光材料黃光熒光粉或單晶熒光材料 此方案制備的LED也稱熒光轉(zhuǎn)換LED Phosphor converted LED 簡(jiǎn)稱 PC LED 是目前應(yīng)用最為廣泛的白光LED 這種方案的白光LED是由藍(lán)光芯 片和能夠被藍(lán)光有效激發(fā)的黃色熒光粉 如Ce YAG 或者其他單晶熒光材料組合 而成 藍(lán)光LED發(fā)射的藍(lán)光一部分被熒光材料吸收 激發(fā)熒光材料發(fā)射出黃光 另外一部分的藍(lán)光與黃光混合 生成白光 通過(guò)調(diào)節(jié)藍(lán)光和黃光的強(qiáng)度 可以進(jìn) 一步調(diào)節(jié)白光的相對(duì)色溫 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單 成本低廉 已形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn) 其目前產(chǎn)品的 發(fā)光效率可達(dá)到60lm W 是白熾燈的2 3倍 略低于熒光燈 其缺點(diǎn)在于 熒光粉 激發(fā)效率和光轉(zhuǎn)換效率低 顆粒大小及分散的均勻性差 涂覆不均勻 色彩均勻 性不理想 缺失紅色發(fā)光成分 很難制備低色溫 高顯色指數(shù)的白光LED 光衰 大 嚴(yán)重影響白光LED使用壽命 物化性能差 熱導(dǎo)低 高溫條件下不穩(wěn)定 易 老化 不適應(yīng)大功率LED發(fā)展需求 3 3 紫光 紫光LED LED 單一基質(zhì)或者三基色熒光粉單一基質(zhì)或者三基色熒光粉 此方案是由紫光LED UV LED 和能被紫光激發(fā)的單一基質(zhì)或者三基色熒 光粉組合而成 其原理是利用UV LED泵浦藍(lán) 綠 紅三基色熒光粉或者單一基 質(zhì)熒光粉 產(chǎn)生藍(lán) 綠 紅三基色 混合生成白光 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低 制備簡(jiǎn)單 顏色容易調(diào)配 色彩均勻性好 顯色指數(shù)高 但同樣存在熒光粉共同 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 15 的問(wèn)題 顆粒大小及分布不均勻 涂覆要求高 物化性能差 易老化 影響使用 壽命等 4 4 其他實(shí)現(xiàn)方案其他實(shí)現(xiàn)方案 目前研究的較為廣泛的方案還有有機(jī)LED 簡(jiǎn)稱OLED ZnSe薄膜白光LED 等不同方案 目前 商品化白光LED產(chǎn)品以芯片與熒光粉組合形成白光為發(fā)展主流 而在 白光LED的制備中 熒光材料是一項(xiàng)非常重要的關(guān)鍵技術(shù) 熒光材料的性能直接 影響白光LED的發(fā)光效率 轉(zhuǎn)換效率 色坐標(biāo) 色溫及顯色性 白光LED熒光材 料主要以無(wú)定形熒光粉為主體 現(xiàn)階段 國(guó)內(nèi)外公司及研究機(jī)構(gòu)對(duì)白光LED熒光 材料的研究幾乎都集中在熒光粉上 開(kāi)展高亮度 高發(fā)光效率 高顯色性熒光粉 已經(jīng)成為白光LED領(lǐng)域熒光材料的研究熱點(diǎn) 然而 受熒光粉自身性能的影響 目前白光LED發(fā)光效率提高 顯色性能改進(jìn) 壽命提高 大功率使用等問(wèn)題的解 決速度卻日趨漸緩 LED發(fā)展的瓶頸日益凸顯出熒光粉不能滿足現(xiàn)有白光LED需 求及適應(yīng)未來(lái)白光LED發(fā)展趨勢(shì)的問(wèn)題 現(xiàn)階段白光LED發(fā)展中存在的問(wèn)題多局限于熒光粉的性能 受熒光粉性能的 影響 白光LED存在的主要問(wèn)題 1 熒光粉光轉(zhuǎn)換效率低 導(dǎo)致白光LED整體發(fā)光效率不高 白光LED用熒光材料的激發(fā)和光轉(zhuǎn)換效率是影響白光LED性能的關(guān)鍵因素 盡管LED內(nèi)量子效率已經(jīng)達(dá)到很高的水平 但是目前普遍使用的Ce YAG Ce3 Y3Al5O12 熒光粉光轉(zhuǎn)換效率低 導(dǎo)致白光LED光通量低 目前大功率白光 LED光效普遍為70 100 lm W 2 熒光粉顆粒及分散的不均勻?qū)е掳坠釲ED光色一致性差 顯色指數(shù)不理 想 白光LED使用的熒光粉的粒度大小 形狀 粒徑分布及分散性極大的影響著 白光LED器件的光學(xué)均勻性 傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合 然后點(diǎn)涂在芯片上 由于無(wú)法對(duì)熒光粉的涂敷厚度和形狀進(jìn)行精確控制 導(dǎo)致出 射光色彩不一致 出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 16 3 熒光粉缺失紅色發(fā)光成分 很難制備低色溫 高顯色指數(shù)的白光LED 由于Ce3 離子在YAG熒光粉體中的發(fā)射波長(zhǎng)缺少紅色成分 并且發(fā)射波長(zhǎng)很 難向紅色波段調(diào)諧 導(dǎo)致目前使用的Ce YAG熒光粉發(fā)射光譜中心位于530 550nm波段左右 而現(xiàn)階段普遍使用的紅色熒光粉為硫化物材料 硫化物熒光粉 的最大缺點(diǎn)就是易于潮解 氧化及硫元素析出引起的熒光粉穩(wěn)定性差 光衰大 除了硫化物外 硅酸鹽 鋁酸鹽等紅色熒光粉很難達(dá)到實(shí)際使用的指標(biāo) 另外紅 粉對(duì)藍(lán)光和黃光存在二次吸收 對(duì)發(fā)光效率有一定的影響 4 熒光粉物化性能差 光衰大 白光LED實(shí)際使用壽命短 大功率白光LED的功耗大 使用溫度高 會(huì)產(chǎn)生很大的熱效應(yīng) 導(dǎo)致熒光粉 光效降低 熒光粉在較高的溫度環(huán)境下產(chǎn)生熱溫度猝滅和老化 量子效率降低 光衰增大 導(dǎo)致白光LED的壽命變短 5 熒光粉的封裝結(jié)構(gòu)不適應(yīng)大功率LED發(fā)展需求 熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成 熱導(dǎo)率低 散熱性能較差 使得芯片產(chǎn)生的熱量不能有效擴(kuò)散 芯片結(jié)溫升高 發(fā)射光譜紅移 偏離熒光粉 吸收峰 導(dǎo)致白光LED的發(fā)光效率降低 常用熒光粉尺寸在1um以上 折射率大 于或等于1 85 而硅膠折射率一般在1 5左右 兩者間折射率不匹配 此外 熒光 粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限 30nm 因而在熒光粉顆粒表面存在光散射 降低了出光效率 針對(duì)熒光粉存在的各種問(wèn)題 本課題提出以新型的Ce YAG單晶熒光材料取 代目前廣為應(yīng)用的熒光粉來(lái)制備白光LED 單晶材料具備優(yōu)良的物化性能 相對(duì) 于熒光粉來(lái)說(shuō) 其具有以下優(yōu)點(diǎn) 1 1 激發(fā)發(fā)射效率高激發(fā)發(fā)射效率高 單晶熒光材料具有高度嚴(yán)格的晶體場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 統(tǒng)一性和晶體的自范性 單晶的高溫熔化結(jié)晶工藝決定了基質(zhì)材料的相純度比熒光粉高 發(fā)光稀土 Ce3 離子在晶體中具有規(guī)范的晶體場(chǎng)配位結(jié)構(gòu) 占據(jù)穩(wěn)定 Y3 發(fā)光中心格位 可以形 成高的激發(fā)發(fā)射量子效率 受晶體場(chǎng)配位場(chǎng)格位約束 Ce3 離子在 YAG 單晶基 質(zhì)中價(jià)態(tài)穩(wěn)定 不易發(fā)生變化 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 17 2 2 高度均勻性高度均勻性 單晶熒光材料的本征特性決定了稀土發(fā)光離子嚴(yán)格處于晶體中價(jià)態(tài)及替位 原子的穩(wěn)定格位 稀土發(fā)光離子在晶體中的分布有很好的均勻性和一致性 而且 在 LED 制備過(guò)程中 不存在分布和封裝過(guò)程中出現(xiàn)的發(fā)光離子不均勻現(xiàn)象 可 有效解決熒光粉分布及涂覆不均勻的問(wèn)題 3 3 物化性能穩(wěn)定 熱導(dǎo)率高 壽命長(zhǎng) 可應(yīng)用于高功率白光物化性能穩(wěn)定 熱導(dǎo)率高 壽命長(zhǎng) 可應(yīng)用于高功率白光LEDLED 單晶熒光材料具有極高的物理和化學(xué)穩(wěn)定性 應(yīng)用在白光LED 特別是大功 率白光LED中將會(huì)產(chǎn)生極大的LED器件性能 光效 壽命 提升效應(yīng) Ce YAG 晶體為高溫氧化物材料 晶體熔點(diǎn)1970 Ce YAG晶體具有極高的耐高溫特性 和熱穩(wěn)定性 在大功率LED使用條件下不會(huì)使氧從YAG晶格中釋放出來(lái)形成氧 空位 從而不會(huì)破壞晶格結(jié)構(gòu)和化學(xué)計(jì)量比 不易產(chǎn)生輻照色心 在高溫環(huán)境下 不會(huì)影響Ce3 離子在YAG單晶基質(zhì)中價(jià)態(tài)穩(wěn)定性 Ce YAG晶體的熱導(dǎo)率為 13W m K 環(huán)氧樹(shù)脂的熱導(dǎo)率僅為0 19W m K 為環(huán)氧樹(shù)脂的68倍 因此使用 Ce YAG晶體可以極大提高散熱性能 降低芯片結(jié)溫 有效解決大功率白光LED 的散熱問(wèn)題 提高LED性能 4 4 可實(shí)現(xiàn)增加紅色發(fā)光成分和調(diào)諧發(fā)光波段可實(shí)現(xiàn)增加紅色發(fā)光成分和調(diào)諧發(fā)光波段 單晶熒光材料中稀土發(fā)光離子與晶格配位離子電磁場(chǎng)作用強(qiáng) 通過(guò)在基質(zhì)晶 體材料中摻其它發(fā)光離子 形成能量轉(zhuǎn)移 傳遞或者補(bǔ)充 如在晶體中摻雜有豐 富紅光發(fā)射的Pr Sm Eu Tb Dy等稀土離子 也可以通過(guò)改變基質(zhì)離子的組 分 如用Gd3 離子替代Y3 離子 或用Ga3 離子取代Al3 離子等 調(diào)整稀土發(fā)光離 子的配位場(chǎng)環(huán)境 采取這兩種方法可輕易增加發(fā)光成分 并形成有效的能量轉(zhuǎn)移 及轉(zhuǎn)換 調(diào)諧LED發(fā)光波段 事實(shí)上 激光晶體的發(fā)展已經(jīng)證明這兩種方法對(duì)波 長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧是切實(shí)可行的措施 1 1 優(yōu)化白光封裝優(yōu)化白光封裝LEDLED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 單晶熒光材料的使用可以有效縮減封裝工藝步驟 降低封裝熱阻 提高出光 效率 提高器件可靠性 單晶熒光材料代替熒光粉 可以省略熒光粉涂覆工藝過(guò) 程 不但可以克服高溫導(dǎo)致的灌封膠黃化 光學(xué)性能劣化的缺點(diǎn) 而且能減少了 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 18 LED出光方向的熱學(xué) 光學(xué)界面數(shù) 大大降低封裝熱阻 提高出光效率 片狀單 晶熒光材料的使用能夠簡(jiǎn)化LED的封裝結(jié)構(gòu)和工藝 提高封裝效率 1 3 Ce YAG1 3 Ce YAG 晶體的研究現(xiàn)狀晶體的研究現(xiàn)狀 1 3 1 Ce YAG1 3 1 Ce YAG 晶體的結(jié)構(gòu)和性能晶體的結(jié)構(gòu)和性能 11 11 14 14 YAG 晶體的礦物學(xué)名稱為釔鋁石榴石 分子式為 Y3Al5O12 屬于立方晶系 空間群為 Oh 10 Ia3d 點(diǎn)群 m3m 其晶格常數(shù)為 1 2008nm 石榴石的每個(gè)單位 晶胞中含有 8 個(gè) Y3Al5O12分子 其中共有 24 個(gè) Y3 40 個(gè) Al3 和 96 個(gè) O2 Y3 處于 8 個(gè) O2 配位的十二面體格位 Al3 處于兩種格位 40 的 Al3 處于 6 個(gè) O2 配位的八面體格位 60 的 Al3 處于 4 個(gè) O2 配位的四面體格位 八面體的 Al3 形成體心立方結(jié)構(gòu) 而四面體的 Al3 和十二面體的 Y3 處于立方體的面等分線上 如圖 1 2 所示 由于八面體和四面體都是歪斜的 因此石榴石結(jié)構(gòu)是一種畸變的 結(jié)構(gòu) Y3 與稀土離子的半徑比較接近 因此十二面體格位中有可能摻入一定數(shù) 目作為激活離子的三價(jià)稀土離子 Al3 半徑較小 不易被稀土離子取代而實(shí)現(xiàn)摻 雜 圖 1 4 石榴石晶體單胞的 1 8 結(jié)構(gòu)模型 在 Ce YAG 晶體中 Ce3 離子取代具有 D2對(duì)稱性的 Y3 格位 受到晶場(chǎng)的 作用 具有 4f1電子組態(tài)的 Ce3 離子的基態(tài)劈裂為 2F5 2和2F7 2雙重態(tài) 其 5d 能 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 19 態(tài)被劈裂為 5 個(gè)子能級(jí) 最低 5d 子能級(jí)距基態(tài)約為 22000 波數(shù) 自由 Ce3 離子 以及其在 YAG 晶場(chǎng)作用下的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 1 3 所示 Ce3 摻入 YAG 單晶中后 由于 5d 能態(tài)被劈裂 通常有峰值波長(zhǎng)分別為 223nm 340nm 和 460nm 的三個(gè) 特征吸收峰 圖 1 5 Ce YAG 熒光粉白光 LED 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1 6 Ce3 離子在 YAG 中的能 級(jí)結(jié)構(gòu)圖 表 1 5 列出了 YAG 晶體的一些物化特性 可以看出 YAG 晶體具有優(yōu)異的光 學(xué) 熱力學(xué) 機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性 同時(shí) YAG 晶體能給激活離子提供良好 的晶體場(chǎng)環(huán)境 因而是理想的激光基質(zhì)晶體 表表 1 5 YAG 晶體的物化特性晶體的物化特性 物化特性 YAG 組成 Y3Al5O12 晶體結(jié)構(gòu) 立方晶系 Ia3d 空間群 晶胞參數(shù) nm 1 2008 莫氏硬度 8 5 熔點(diǎn) 1970 密度 g cm3 4 55 熱導(dǎo)率 W cm 1 K 1 0 14 比熱 cal mol 1 K 1 88 8 熱擴(kuò)散 cm2 s 1 0 05 熱膨脹系數(shù) K 1 6 9 10 6 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 20 折射率 1 820 透光波段 m 0 28 5 5 化學(xué)性質(zhì) 不溶于 H2SO4 HNO3 HCl 和 HF 中 當(dāng)溫度大于 250 時(shí)溶于 H3PO4 1 3 2 Ce YAG1 3 2 Ce YAG 晶體的發(fā)展概況晶體的發(fā)展概況 YAG 晶體早在上世紀(jì) 60 年代就被用作激光介質(zhì) 是一種優(yōu)良的固體激光基 質(zhì)材料和光學(xué)襯底 但是Ce YAG晶體作為閃爍晶體引起人們的注意卻是在1992 年 Moszynski 和 Ludziejewski 等人分別于 1994 年和 1997 年對(duì) Ce YAG 晶體的 閃爍性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究 并指出 Ce YAG 晶體具有優(yōu)良的閃爍性能 Ce YAG 具有快衰減 80ns 耐高溫 熱力學(xué)穩(wěn)定 熱機(jī)械性能優(yōu)良 發(fā)光峰值 波長(zhǎng) 530nm 同常用的光電倍增管 PMT 和硅光二極管的接收靈敏波長(zhǎng)匹配好 等特性 是優(yōu)異的快衰減閃爍材料 所以常用于極端探測(cè)環(huán)境中 如輕粒子探測(cè) 中低能量 射線探測(cè) 粒子探測(cè) 射線探測(cè)等領(lǐng)域 另外它還大量的應(yīng)用于 電子探測(cè)成像 SEM 高分辨率顯微成像熒光屏等領(lǐng)域 目前 Ce YAG 高溫 閃爍晶體業(yè)已商品化 主要用于掃描電鏡 SEM 的顯示部件 其生長(zhǎng)方法主要 為提拉法 1 4 1 4 本論文的研究目的 內(nèi)容及意義本論文的研究目的 內(nèi)容及意義 1 4 1 1 4 1 研究的目的及意義研究的目的及意義 能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為全球性問(wèn)題 隨著能源的過(guò)量消耗和環(huán)境的日益惡 化 節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境必將受到越來(lái)越多的重視 白光LED作為第四代照明光 源 因具備良好的節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)以及其它一系列的優(yōu)點(diǎn)而被全世界所關(guān)注 各國(guó) 都在競(jìng)相研究開(kāi)發(fā) 日本 美國(guó) 韓國(guó) 歐洲各國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣處于領(lǐng)先水平 而且形成技術(shù)壟斷 國(guó)內(nèi)企業(yè)大多處于產(chǎn)業(yè)鏈下端 受專利保護(hù)壁壘的影響 只 能在夾縫中尋求生存空間 這極大的制約了LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 本課題提出一種新 型Ce YAG晶片發(fā)光結(jié)構(gòu)白光LED制備技術(shù)路線 利用LED芯片產(chǎn)生的藍(lán)色發(fā)光 有效激發(fā)Ce YAG晶片 形成一種新型的白光LED發(fā)光結(jié)構(gòu) 如圖1 6所示 實(shí)現(xiàn) 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 21 無(wú)熒光粉體結(jié)構(gòu)的LED白光發(fā)射 從而可以有效解決目前Ce YAG熒光粉發(fā)光結(jié) 構(gòu)白光LED存在的熒光粉激發(fā)效率低 色彩一致性差 光衰大 壽命短等一系列 的缺點(diǎn) Ce3 離子的發(fā)光由于缺少紅光成分 所以Ce YAG熒光粉的顯色性能不 夠理想 另外 Ce YAG晶體可制備成透鏡形狀 實(shí)現(xiàn)既發(fā)光又配光的雙重效果 減少了熒光粉制備白光過(guò)程中添加玻璃透鏡或硅膠透鏡的工藝 同時(shí)也減少了添 加透鏡的光損失 簡(jiǎn)化工藝復(fù)雜度和降低制造成本 有望在新型發(fā)光結(jié)構(gòu)的白光 LED制備上形成一條新的技術(shù)路線 圖 1 7 Ce YAG 熒光粉與 Ce YAG 晶片白光 LED 結(jié)構(gòu)示意圖 1 4 2 1 4 2 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 開(kāi)展新型Ce YAG晶片發(fā)光結(jié)構(gòu)白光LED的研究 進(jìn)行藍(lán)光芯片與Ce YAG 晶片發(fā)光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 利用LED芯片發(fā)出藍(lán)色光激發(fā)Ce YAG晶片形成白光發(fā)射 制備出無(wú)Ce YAG熒光粉體發(fā)光結(jié)構(gòu)的白光LED 在新型Ce YAG晶片發(fā)光結(jié)構(gòu)白 光LED制備上形成一條新的技術(shù)路線 課題研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面 1 探索合適的提拉法生長(zhǎng)Ce YAG晶體的生長(zhǎng)工藝 由于YAG晶體是高熔點(diǎn) 約 1970 的三元氧化物 如何選擇合適的工藝參數(shù)條件生長(zhǎng)出兼具結(jié)晶質(zhì)量 和光學(xué)質(zhì)量的晶體是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 22 2 研究藍(lán)光芯片激發(fā)Ce YAG晶片的白光LED發(fā)光結(jié)構(gòu) 測(cè)試白光LED的發(fā)光 光譜 發(fā)光效率 色溫 Tc 顯色指數(shù) CRI 色坐標(biāo)等光色參數(shù) 制備 發(fā)光效率高 光色參數(shù)理想的白光LED 第二章第二章 實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試表征手段實(shí)驗(yàn)方法及測(cè)試表征手段 2 1 Ce YAG 晶體的生長(zhǎng)晶體的生長(zhǎng) 2 1 1 2 1 1 提拉法晶體的生長(zhǎng)裝置提拉法晶體的生長(zhǎng)裝置 晶體提拉法的創(chuàng)始人Czochralski于1918年提出利用拉拔的方法制備晶 體 所以提拉法也稱為 Czochralski 法 CZ 法 這是最常用的熔體生長(zhǎng)方法之 一 許多實(shí)用的晶體均采用這種方法制備 首先 將預(yù)先準(zhǔn)備好的原料裝在坩堝 中 加熱到料塊熔點(diǎn)以上 坩堝內(nèi)的原料會(huì)熔化成熔體 在坩堝的上方有一根籽 晶桿 可以旋轉(zhuǎn)和升降 桿的下端有一個(gè)夾頭 可以在其上裝預(yù)生長(zhǎng)的晶體的籽 晶 降低提拉桿 使籽晶插入熔體中 只要溫度合適 籽晶就既不會(huì)熔掉也不長(zhǎng) 大 然后緩慢地向上提拉和轉(zhuǎn)動(dòng)籽晶桿 并且緩慢地降低加熱功率 籽晶就逐漸 長(zhǎng)粗 小心地調(diào)節(jié)加熱功率 就能得到所需直徑的晶體 晶體的整個(gè)生長(zhǎng)裝置安放在一個(gè)可以封閉的外罩里 通過(guò)外罩上的窗口 可以觀察到爐內(nèi)晶體的生長(zhǎng)情況 目前可以用這種方法生長(zhǎng)出半導(dǎo)體 氧化物和 其它絕緣類型的晶體 一個(gè)完整的提拉法工藝過(guò)程一般包括 縮頸 放肩 等徑 收尾 降溫 提拉法的主要優(yōu)點(diǎn)有 1 生長(zhǎng)過(guò)程中可以方便地觀察晶體的生 長(zhǎng)情況 2 可以方便地使用定向籽晶和縮頸工藝 3 晶體在熔體表面處生 長(zhǎng) 不與坩堝相接觸 這樣能顯著地減少晶體的應(yīng)力 并防止坩堝壁寄生成核 縮頸后的籽晶 其位錯(cuò)被大大減少 這樣生長(zhǎng)出來(lái)的晶體位錯(cuò)密度明顯降低 因 此提拉法能夠生長(zhǎng)出相對(duì)較大尺寸 較高完整性的晶體 在提拉法中 最常用的加熱方法是電阻加熱和射頻感應(yīng)加熱 在我們生長(zhǎng)的 過(guò)程中采用的是中頻感應(yīng)加熱法 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 23 烘干 稱重 混合研磨 壓料 預(yù)燒 在晶體生長(zhǎng)時(shí) 爐內(nèi)結(jié)構(gòu)大致如圖 2 1 所示 裝置中銥坩堝尺寸為 80 80 mm 壁厚 3 mm 中頻感應(yīng)頻率約為 25KHz 保溫罩觀察窗口加有拋光的寶石 片 圖 2 1 提拉法生長(zhǎng)晶體的裝置圖 2 1 2 晶體生長(zhǎng)原料的準(zhǔn)備晶體生長(zhǎng)原料的準(zhǔn)備 晶體生長(zhǎng)所需要的原料均為高純度原料 并且需要進(jìn)行前處理 處理的流程 如下 經(jīng)處理后的原料才可以裝入銥金坩堝生長(zhǎng)晶體 過(guò)量的原料需放在干燥箱中 2 1 2 1 Ce YAG2 1 2 1 Ce YAG 晶體原料的準(zhǔn)備晶體原料的準(zhǔn)備 Ce YAG 晶體生長(zhǎng)所用原料為 Y2O3 Al2O3和 CeO2粉末 原料純度為 99 999 先要將初始原料在空氣中灼燒 10 小時(shí)以除去吸附水及其它的雜質(zhì) 灼 燒溫度為 600 然后將灼燒的原料按照方程式 2 1 進(jìn)行稱量 共 1500 1600 克 2125 1 3332322 2 3 Ce25 1 36O x OAlYOAlOYxxCeO xx 2 1 其中 x 為 Ce 原子的摩爾百分比 我們?nèi)?x 1 0 將稱量好的原料在混料桶 中連續(xù)混12小時(shí)以上 再將混和均勻的原料在液壓機(jī)下壓成 70 30 mm的料餅 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 24 裝爐 抽真空 充氮?dú)?升溫化料 烤晶種 下種 縮頸 放肩 等肩生長(zhǎng) 提脫 降溫 取出晶體 將壓好的料餅放入剛玉坩堝 在空氣氣氛中 1200 溫度條件下灼燒約 10 小時(shí) 燒結(jié)好的原料應(yīng)放入干燥箱備用 2 1 3 2 1 3 晶體的生長(zhǎng)工藝晶體的生長(zhǎng)工藝 提拉法生長(zhǎng) YAG 晶體的生長(zhǎng)流程如下 具體操作方法如下 1 籽晶的選擇 籽晶的方向以及質(zhì)量直接影響了提拉晶體的質(zhì)量 生長(zhǎng)單晶 體采用同種基質(zhì)籽晶的原則 我們選擇了 111 方向的純 YAG 晶體制備籽晶 籽晶尺寸為 8 50mm 2 裝爐 為了保證爐內(nèi)徑向溫度軸對(duì)稱分布 裝爐時(shí) 需通過(guò)在籽晶桿上懸 掛一鐵錐來(lái)校正并確保感應(yīng)線圈中心 石英保溫罩中心 坩堝中心及籽晶中心在 一條鉛垂線上 除此之外 選擇合適的溫場(chǎng)環(huán)境也很重要 選擇合適的保溫罩 并通過(guò)加蓋不同口徑的氧化鋯環(huán)來(lái)調(diào)整固液界面處以及整個(gè)生長(zhǎng)腔內(nèi)的溫度梯 度 3 爐膛充氣 由于生長(zhǎng)用坩堝為銥金坩堝 容易被氧化 而損耗大量銥金 造成浪費(fèi) 所以生長(zhǎng)氣氛采用惰性氣氛 生長(zhǎng)時(shí)常使用高純氮?dú)?我們先將爐膛 抽成真空 依次開(kāi)機(jī)械泵和擴(kuò)散泵抽至爐內(nèi)氣壓約為 10 3Pa 然后向爐內(nèi)充高純 氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣 氣壓升至約 0 025MPa 充氣過(guò)程要緩慢 避免吹起爐內(nèi)保溫 粉料污染原料 4 升溫化料 裝爐 充氣之后即可打開(kāi)中頻電源以 10V 20min 的速率升溫化 料 同時(shí)打開(kāi)晶轉(zhuǎn) 使?fàn)t內(nèi)溫度分布均勻 待料全部化完 仔細(xì)觀察熔體液流狀 態(tài) 調(diào)整功率使熔體溫度在晶體熔點(diǎn)附近并恒溫 并準(zhǔn)備下籽晶 安徽工業(yè)大學(xué) 光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 5 下種烤晶 為防止下種熱應(yīng)力太大導(dǎo)致籽晶斷裂 下種速率一般以 4mm 10min 為宜 待籽晶接近液面時(shí) 須烤種 30 分鐘左右 降低籽晶與熔體溫 差 此時(shí)要特別注意籽晶變化 以調(diào)節(jié)加熱功率 6 縮頸 烤種后便可將籽晶慢慢浸入熔體 并連續(xù)觀察籽晶變化 使保持籽 晶既不熔掉又不長(zhǎng)大半小時(shí)左右 并且光圈亮度保持穩(wěn)定 然后 微調(diào)高溫度進(jìn) 行縮頸工藝 消除籽晶下端的繼承性缺陷 避免引入晶體中 這也是生長(zhǎng)高質(zhì)量 晶體中很重要的一步 這一階段溫度要稍高于生長(zhǎng)溫度 7 放肩 待籽晶收細(xì)到所需要的尺寸 約 3 4mm 后即可進(jìn)入自動(dòng)生長(zhǎng)過(guò)程 通過(guò)慢降溫 提高過(guò)冷度 在一定提速下 讓晶體直徑長(zhǎng)大 稱為放肩階段 這 也是一個(gè)關(guān)鍵步驟 最易產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷 影響整個(gè)晶體的質(zhì)量 晶體放肩到合 適尺寸 約 45 50mm 后即可進(jìn)入自動(dòng)等徑生長(zhǎng)階段 8