黄爽单芯片无荧光粉白光

1、毕业论文单芯片白光LED太原理工大学材料科学与工程材料物理1201班答 辩 人：黄爽指导老师：梁建论文概述1 1论文研究背景、意义2 2白光LED的发展现状3 3论文研究内容4 4论文总结及致谢1、论文研究背景、意义 在全球能源短缺，各国家与地区倡导节约能源的背景下，LED在照明领域的应用成为众人关注的焦点。作为新型的绿色光源产品，LED必然是未来的发展趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。1、论文研究背景、意义LED作为照明光源具有很多的优点1.环保节能2.安全可靠3.体积较小4.寿命较长5.可调性高6.健康无害7.没有频闪1、论文研究背景、意义随着第三代半导体材料的突破，

2、GaN等宽禁带半导体材料的应用，白光LED也取得了相应的进展，被广泛应用于各个领域，成为当前最受重视的研究方向之一。因此，选择更优的方式构造白光LED是目前的研究重点之一。本论文通过对白光LED实现方法的综述，总结出实现白光LED的最优方法，同时对单芯片白光LED的发光原理，调制机制进行调研，得出相应结论。1、论文研究背景、意义2、白光LED的发展现状目前，实现白光LED最广泛使用的是以蓝光LED为基础光源，在其表面涂覆YAG黄色荧光粉，利用芯片发出的蓝光和荧光粉受激发射的黄光混合得到白光。但存在着发光效率不高、短波长蓝光激发YAG会导致能量损耗、荧光粉与封装材料的老化导致色温漂移、显色指数较

3、低以及色度不均匀等问题。为了改善YAG荧光转换白光LED，可采用两种方法提高白光LED的显色指数，调控白光色温：（1）在蓝光LED和黄色荧光粉的基础上，加入可被蓝光激发的红色荧光粉。（2）运用三基色原理，采用蓝光LED激发绿色和红色荧光粉，混合产生白光。由于上述方法对荧光粉要求过高，而荧光粉存在着发光效率低、稳定性差和光衰较大的问题，所以难以满足白光LED封装要求。紫外LED激发荧光粉类型的白光LED，在色温、显色指数、色坐标方面都可以很好地满足要求，但紫外光的泄露极有可能对人体或者艺术品造成损害。因此，研究无荧光粉的白光LED以改善上述问题至关重要。2、白光LED的发展现状2、白光LED的发

4、展现状利用三基色原理，将红、绿、蓝三基色的LED芯片封装在一起，通过控制通过各芯片的电流大小来获得白光。这种方法具有发光效率高、显色性好以及可控色温的优点，但用于芯片劣化容易导致色温以及白光发射的不稳定。而且芯片组合难以混光均匀，结构复杂，成本较高，其使用范围受到限制。2、白光LED的发展现状1.白光质量问题3.白光LED 寿命问题2.光通量和发 光效率问题4.荧光粉 改善问题白光LED的普遍问题3、论文研究内容由于荧光粉的老化会导致白光LED出现色温漂移以及能量损耗等问题，通过单芯片无荧光粉的方式来构造白光LED成为一个重要的研究方向。综合文献报道，主要的方法有以下的几种：（1）施主-受主共

5、掺白光LED在蓝光InGaN/GaN多量子阱中同时掺杂作为n型掺杂剂的Si和作为p型掺杂剂的Zn，当载流子注入到量子阱中时,施主能级与受主能级之间的载流子复合之后会发出黄颜色的光，这部分施主一受主对发出的黄光与多量子阱中发出的蓝光复合之后混合而成白光。3、论文研究内容这种白光LED不需要荧光粉，也不需要额外的驱动电路或加工工艺。但最大问题在于，掺杂于多量子阱中的施主-受主杂质是一定的，在10mA时出现了饱和现象，电流增加，该白光LED的光学品质将急剧下降。（2）光子循环LED这种方法利用蓝宝石衬底上外延生长蓝光LED结构,然后通过键合技术将一个AlGaInP外延片与抛光的蓝宝石衬底结合在一起,

6、然后采取倒装结构封装。从蓝光LED的有源区出射的蓝光,经过蓝宝石衬底之后通过AlGaInP外延片,其吸收了蓝光从而发射出长波长的光,与从中透过的蓝光结合到一起混合而成白光。 3、论文研究内容（3）Dual-wavelength白光LED在一块蓝宝石衬底上外延两个InGaN/GaN有源区,这两个有源区分别发射蓝光跟长波长的光,混合成为白光。这种白光LED结构极其复杂,外延生长时间比普通LED要长很多。在制作工艺上,需要制作更多的电极,并且对于两个LED需要分别用电路控制其发光,其制作成本相当高。其显示指数与色温也不尽如人意。3、论文研究内容3、论文研究内容（3）横向分布多量子阱结构白光LED横向

7、分布的多量子阱结构白光LED有源区采用横向并行间隔排列的多量子阱构成。其附加工艺复杂，提高了制造成本，不利于大规模生产。3、论文研究内容（3）级联单芯片无荧光粉白光LED级联单芯片无荧光粉白光LED,是将以GaAs为基底的AlGaInP红光与GaN基蓝绿光进行晶圆键合,使得链接成单芯片LED 。键合采用的是重掺杂GaAs隧穿结,用以减少键合界面的电流损失。红光有源区发光波长为630nm,蓝绿光有源区发光波长为485nm。下图分别指出了未键合前两芯片在20mA注入电流下的各自峰形图,以及键合后EL中的红光、蓝绿光峰位。键合前后,红光峰位分别为626nm和637nm,蓝绿光峰位分别为481nm和4

8、88nm。图中CIE色度坐标图，坐标点接近理想白光的（1/3,1/3）。3、论文研究内容3、论文研究内容通过对白光LED实现方法的综述，单芯片无荧光粉白光LED避免了荧光粉问题，同时制作步骤较为简单，是实现白光的重要方法。其中，级联单芯片白光LED的CIE色坐标（0.3,0.3）非常接近理想白光（1/3,1/3）。同时，其发光光效较高，寿命长，因此是目前实现白光LED最为理想的方式。如果进一步提高每个LED的光学性能，降低结电压，将大幅提高级联单芯片白光LED的发光效率。3、论文研究内容在蓝宝石衬底是（0001）方向上生长样品。首先在520 下生长一层30nm的GaN成核层，然后在1040 下

9、生长3m的Si掺杂的GaN层，在845下生长220nm的InGaN U L 层 ， 然 后 生 长 4 个 周 期 的InGaN/GaN多量子阱，最后在920下生长0.2m的p型GaN层，TiAl和NiAu合金被分别用于n型和p型欧姆接触。3、论文研究内容图示LED的I-V特性。LED的导通电压约为2.7V，反向电压为-15V时，漏电流为0.18mA 。在很低的注入电流下， 570nm左右的黄色发射峰占主导地位，并随着注入电流的增加强度迅速增大。当注入电流在20-60mA的范围时，蓝光和黄光的比值几乎为常数。随着注入电流的增加，黄光的峰值在从575nm蓝移到555nm，然而注入电流从10mA增

10、加到60mA时，蓝光的峰值几乎保持不变。根据电致发光光谱，白光被证实是混合的蓝光和黄光。黄光来自低密度大粒径的富铟量子点，而蓝光来自InGaN量子阱的低铟区域。InGaN 应变调制层的插入会导致InGaN量子阱中的相分离。更重要的是，当注入电流在20到60mA时，蓝光和黄光的强度比例几乎保持不变。3、论文研究内容3、论文研究内容对样品（0002）方向进行XRD扫描分析，尽管5个量子阱的生长条件与A相同，样品B的第二个极大值的位置与样品A有较大差异，且样品B的量子阱周期性较差。这表明样品B尽管生长条件与样品A相同，平均铟组分和厚度也一样，但5个绿光量子阱是不均匀的。3、论文研究内容3、论文研究内

11、容图为室温下两个样品的PL光谱。在样品A的图像上，可以清楚观察到只存在一个峰值波长在527nm附近的发光峰。在样品B的图像上，主要的峰值波长在415nm左右，来源于底部插入的紫光量子阱。和其他的五个量子阱相比，在415nm的峰值表明紫光量子阱具有较高的质量。而在PL光谱上的拖尾有两个意义：一、五个发绿光量子阱的禁带宽度确实不一致。二、五个量子阱的发光光谱有部分红移。将两个外延结构样本制成了标准的LED进行了EL测量,图示为在四个不同注入电流下样品A的EL光谱曲线。随着注入电流的增加，峰值波长的蓝移可归因为量子限制斯塔克效应。图2中两个峰值的光谱特征表明其发光来源于五个绿光量子阱。长波长的峰值波

12、长比图1中的主峰值波长长约53nm。表明部分量子阱的生长受到了底部紫光量子阱的影响。3、论文研究内容3、论文研究内容为了说明样品B中五个量子阱的不同，我们在不同的电子加速电压下对样品B做了阴极射线发光(CL)分析。鉴于以上研究结果，我们可以推断出在样品B顶层的两个量子阱受到到底层插入的紫光量子阱的影响很弱。然而靠近紫光量子阱的量子阱受到了强烈的影响。样品B中，底层铟组分相对较低的（紫光）InGaN/GaN插入层保证了较高的量子阱质量，并可产生有效的预应变效应。3、论文总结与致谢本文主要综述了白光LED的发展现状。调研了单芯片白光LED，并归纳整理，接下来对本文的重点进行如下总结：（1）白光LED的实现方法多种多样，本文归纳介绍了多种白光LED的实现方法，并探讨提出了白光LED的最优实现方法，级联单芯片白光LED由于较好的色坐标，较高的发光效率和长寿命具有较好的前景。针对于白光LED的研究并未停止，未来将会有发光效率更高，显色更好的白光LED诞生，白光LED在照明领域的作用将越来越重要。（2）本文对单芯片白光LED的发光机制进行了调研，展开了基于InGaN/GaN多量子阱和InGaN应变调制层的单片白光LED的研究。白光被证实是混合的蓝光和黄光。黄光来自低密度大粒径的富铟量