毕业论文新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备及性能研究 精品.docx

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毕业论文新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备及性能研究精品

安徽工业大学

本科毕业设计（论文）

专业

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姓名

学号

指导教师

二0一三年六月

安徽工业大学

本科毕业设计（论文）任务书

课题名称

新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备及性能研究

学院

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姓名

学号

毕业设计（论文）的主要内容及要求：

主要内容：

白光LED被广泛应用于通用照明和背光源等领域。

目前，对白光LED荧光材料的研究几乎都集中在荧光粉上。

然而，由于荧光粉自身性能的局限性，已不能满足现有白光LED的需求及适应未来白光LED的发展趋势。

本论文提出一种不同的LED制备技术路线，使得白光LED性能得到提高，优点明显。

形成一种新型的白光LED发光结构，实现无荧光粉体结构的LED白光发射

要求：

1.具有查阅相关文献的能力；

2.学会光谱分析的相关知识。

指导教师签字：

新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备及性能研究

摘要

随着能源的过量消耗和环境的日益恶化，节约能源和保护环境必将受到越来越多的重视。

白光LED作为第四代照明光源，因具备良好的节能环保特点以及其它一系列的优点而被全世界所关注，各国都在竞相研究开发。

而在白光LED的制备中，荧光材料的性能直接影响白光LED的转换效率、光效、色温、色坐标及显色性。

白光LED荧光材料主要以无定形荧光粉为主体，现阶段，国内外公司及研究机构对白光LED荧光材料的研究几乎都集中在荧光粉上，开展高亮度、高发光效率、高显色性荧光粉已经成为白光LED领域荧光材料的研究热点。

然而，受荧光粉自身性能的影响，目前白光LED发光效率提高、显色性能改进、寿命提高、大功率使用等问题的解决速度却日趋渐缓。

LED发展的瓶颈日益凸显出荧光粉不能满足现有白光LED需求及适应未来白光LED发展趋势的问题。

本课题提出一种新型Ce:

YAG晶片发光结构白光LED制备技术路线，其具有激发发射效率高,物化性能稳定、热导率高，寿命长、可应用于高功率白光LED,可实现增加红色发光成分和调谐发光波段,优化白光封装LED结构等优点。

利用LED芯片产生的蓝色发光有效激发Ce:

YAG晶片，形成一种新型的白光LED发光结构。

实现无荧光粉体结构的LED白光发射。

从而可以有效解决目前Ce:

YAG荧光粉发光结构白光LED存在的荧光粉激发效率低，色彩一致性差，光衰大，寿命短等一系列的缺点。

关健词：

白光LEDGd,Ce:

YAG荧光材料光学性能

WhiteLEDwithfluorescentmaterialpreparationandopticalpropertiesoftheresearch

ABSTRACT

Withtheexcessiveconsumptionofenergyanddeterioratingenvironment,tosaveenergyandprotecttheenvironmentwillbemoreandmoreattention.WhiteLEDasthefourthgenerationoflightingsource,becauseofthegoodcharacteristicsofenergyconservationandenvironmentalprotection,andotheraseriesofadvantagesandattentionbyallovertheworld,countriesareracingtotheresearchanddevelopment.InthepreparationofwhiteLED,fluorescentmaterialperformancedirectlyaffectstheconversionefficiencyofwhiteLED,luminousefficacy,colortemperature,colorcoordinateandcolorrendering.WhiteLEDfluorescentmaterialmainlyamorphousphosphorpowderasthemainbody,atthisstage,companiesandresearchinstitutionsathomeandabroadstudiesofwhitelightLEDfluorescentmaterialonalmostallconcentratedinthefluorescentpowder,highbrightness,highluminousefficiency,highcolorrenderingfluorescentpowderhasbecomearesearchfocusinthefieldofwhiteLEDfluorescentmaterials.Affectedbyphosphorperformanceitself,however,thewhiteLEDluminousefficiencyandcolorrenderingperformanceimprovements,improvetheservicelife,solvingtheproblemsofthehighpowerusespeedisslowing.LEDthedevelopmentofthebottleneckisincreasinglyhighlightedthephosphorscan'tmeetthedemandoftheexistingwhiteLEDandadapttothefuturedevelopmenttrendofwhiteLED.ThistopicputsforwardanewtypeofCe:

YAGwhiteLEDlight-emittingchipstructurepreparationtechnologyroute,itsexcitationemissionefficiencyishigh,physicalandchemicalperformanceisstable,highthermalconductivity,longservicelife,canbeappliedtohighpowerwhiteLED,canincreasetheredlight-emittingcomponentimplementationandtuningluminescencebands,optimizethestructureofthewhitelightLEDencapsulation,etc.UseablueglowLEDchipeffectiveexcitationCe:

YAGwafer,forminganewkindofwhiteLEDlightemittingstructure.RealizethestructurewithoutfluorescentpowderLEDwhitelightemission.InordertoeffectivelysolvethecurrentCe:

YAGphosphorwhiteLEDlight-emittingstructureexistphosphorexcitationefficiencyislow,poorcolorconsistency,lightfailure,lifeisshortandsoonaseriesofshortcomings.

KEYWORDS：

whiteLED，Gd,Ce:

YAG，fluorescentmaterial，opticalproperty

目录

摘要1

ABSTRACT2

第一章绪论6

1.1引言6

1.2LED产业现状6

1.3白光LED的实现方法7

1.4荧光材料介绍8

1.4.1荧光粉8

1.4.2陶瓷及玻璃荧光材料8

1.4.3Ce:

YAG单晶荧光材料9

1.4.3.1Ce:

YAG晶体的结构和性能9

1.4.3.2Ce:

YAG单晶荧光材料相对于荧光粉的优势11

1.5本论文的研究目的、内容及意义12

1.5.1本论文的研究目的及意义12

1.5.2研究内容12

第二章实验部分14

2.1Ce:

YAG及Gd,Ce:

YAG晶体的生长14

2.1.1提拉法Czochralski（CZ）概述14

2.1.2晶体的生长装置14

2.1.3晶体生长原料的准备15

2.1.3.1Ce:

YAG晶体原料的准备16

2.1.3.2Gd,Ce:

YAG晶体原料的准备16

2.1.4提拉法生长YAG晶体的生长流程16

2.2晶体测试样品制备17

2.2.1XRD测试用样品17

2.2.2光谱性能测试用样品18

2.2.3白光LED光色参数测试用样品18

2.3样品测试分析方法18

2.3.1X射线衍射法18

2.3.2晶体的吸收光谱法18

2.3.3晶体的荧光光谱法19

2.3.4白光LED光色电参数的测试19

第三章Ce:

YAG荧光晶体的光电学性能研究21

3.1Ce:

YAG荧光晶体的XRD衍射图谱21

3.2Ce:

YAG晶体的吸收光谱21

3.3Ce:

YAG晶体的荧光光谱23

第四章Gd,Ce:

YAG晶体光学性能的研究26

4.1Gd,Ce:

YAG晶体的XRD图谱26

4.2Gd,Ce:

YAG晶体的吸收光谱26

4.3Gd,Ce:

YAG晶体的荧光光谱27

4.4Gd,Ce:

YAG晶片结构白光LED的光色电性能28

4.5Ce:

YAG晶体与稀土离子共掺杂Ce:

YAG晶体光色电性能的对比29

总结31

参考文献32

致谢33

附录1英文原文34

附录2英文译文44

新型半导体白光LED照明用荧光材料的制备及性能研究

第1章绪论

1.1引言

随着白光LED的实现,人们看到了LED应用于照明的希望。

LED以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能以及绿色环保等显著优点,真正点燃了"绿色照明的光辉"。

半导体照明作为新型高效的固体光源,具有重大的发展潜力和巨大的社会、经济意义,预计将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源,目前已得到业内人士的普遍关注[1-2]。

目前，获得白光LED最普遍的方法还是蓝光芯片加黄色荧光粉法。

这种方法采用蓝色LED芯片激发黄色发射的YAG：

Ce3＋荧光粉而得到白光，由于缺少红色光谱成分，光源的色彩还原性差，显色指数低，发光效率低。

其中荧光粉是LED实现白光照明的关键材料，面对越来越广阔的市场需求和研究开发热潮，改善荧光材料的性能成了一项紧迫而艰巨的任务。

目前针对白光LED用荧光粉的研究已经取得了一定的进展，其种类繁多，各有其特色及优缺点，总体而言，还不能达到当今LED技术对荧光粉所期待的要求。

荧光材料正朝着高稳定性、高发光效率、高色纯度等方向发展，以满足白光LED照明发展的需要。

1.2LED产业现状

LED作为一种新型的技术和光源，具有绿色环保，不含汞、铅等重金属；抗震性强，耐用；能源节省等等多种优点。

因此，它被广泛认可及应用。

完整的LED产业链包括上游外延片、芯片的制作，中游的封装及下游的应用，此产业结构庞大，涉及应用领域广泛[3]。

我国政府对发展蓝光、白光LED高度重视。

“九五”和“十五”均列入科技“863”，“973”计划，给予大笔经费资助。

其中由北京大学、中科院物理所和北京有色院联合承担“十五”白光LED“863”项目。

国家科技部拟在“十五”期间，联合有关部门推出“半导体照明工程”，投巨资支持启动，己于2003年6月成立协调领导小组。

我国白光LED发展主要受其蓝芯片和紫外芯片的制约，相对差距很大，其外务必引进昂贵外延设备与技术。

我国台湾InGaN蓝光芯片开发厂商很多现己崛起，成为世界蓝芯片主要供应商，占世界总产量的23%[4]；无论质和量都在大陆之上，但质量逊于日美。

从长远来看，随着全球节能减排的盛行，LED产业也会更加升温。

而我国LED经过30多年的发展,虽然先后实现了自己生产芯片，器件和外延片，但自产的芯片，和外延片有限，其产品以中低档为主，产业化规模较小，只能满足国内分的20%-30%，大部分高性能LED和功率LED产品要靠进口。

随着政府的大力推广和全球产业梯次转移，未来我国LED将成为市场上最具诱惑力的蛋糕，2011年整个大陆LED产业值已超过1500亿美元。

LED产业链中，LED外延品和LED晶片大概占行业70%的利润，LED的分装大概占10%，LED应用大概占10%-20%，2015年产业规模将达到5000亿美元以上。

我国进入LED产业的企业将与日俱增，产业市场竞争将更加激烈。

1.3白光LED的实现方法

（1）三基色LED混色法

发射红、绿、蓝波长的三基色芯片组合封装在一起,通过空间混色的原理,按照适当的比例进行匹配,使得3种颜色的光混合成白光,采用这种方法具有效率高和使用灵活的特点。

由于发光全部来自发光二极管,不需要进行光谱转换,因此,其能量损失最小,效率最高。

另外它是靠调节3种颜色发光二极管的光强来实现白色发光的,因此,在调节发光颜色上具有相对的灵活性。

但是这种方法也有自身的弱点,它的安装结构比较复杂,各色LED的驱动电压、发光效率、配光特性不同,需通过电流调节红、绿、蓝三基色的强度,电路实现上较复杂。

同时,由于不同颜色的LED管随时间推移其老化特性不同[导致光衰的差异,因此预先调整好的白色发光由于不同颜色的光衰差异造成使用过程中的变色,使混合的白光稳定性较差,存在温度特性的差异。

发光全部来自发光二极管,相对成本也比较高。

（2）紫外转换的方法

以GaN基紫光LED为基础光源,用LED发出的紫外光激发荧光材料,通过荧光粉实现波长转换发出可见光。

最后用于照明的光全部来自荧光材料,且要求荧光材料的激发光谱与紫光发光二极管的发射光谱相匹配,这样可以获得较高的光转换效率,荧光材料应为多种不同颜色的荧光材料混合而成。

采用越多颜色的荧光材料进行混合,获得的白光的显色性越好,但是同时也增加了系统的复杂性。

通常采用红、绿、蓝三种颜色的三基色荧光材料进行混合。

即紫外->红+绿+蓝=白光,称做"n-UV+blue/green/red"WhiteLED,这种方法制备的白光LED具有成本低、显色性好的优势,但是它也存在不足,由于是采用紫外光源作为激发光源,有可能产生紫外污染.

（3）蓝光芯片加黄色荧光材料的方法

利用波长为460～470nm的GaN基蓝光发光二极管的发光作为基础光源,利用GaN基蓝光LED所发出的460～470nm的蓝光一部分用来激发荧光粉,使荧光粉发出黄绿色光,另一部分透过荧光粉发射出来,荧光粉发出的黄绿色光与GaN基蓝光发光二极管发光的透射部分混合形成白光,即白光=蓝+黄的机制。

这种方法存在两个关键部分:

一个是GaN基蓝光发光二极管;一个是用作光转换的荧光材料。

GaN基蓝光发光二极管的选择不仅要考虑发光二极管本身的特性,还应兼顾荧光材料的选择。

荧光材料的选择主要有两个必须满足的条件,一个是荧光材料的激发光谱必须与所选择的蓝光发光二极管的发射光谱相匹配,目前国际上通常采用波长为460~470nm的GaN基蓝光发光二极管作为基础光源,这样就要求荧光材料的激发光谱在460~470nm,这样可以确保获得更高的光转换效率;另一个是荧光材料的发射光谱,荧光材料的发射光谱与蓝光发光二极管的发射光谱能够匹配成白光,人们选用了YAG:

Ce3+（Y3Al5O12:

Ce3+）钇铝石榴石的简称作为光转换材料。

由于这种方法采用单颗芯片与单种荧光粉,主要采用常用的YAG:

Ce3+荧光粉转换效率高,操作上较易实现,且没有紫外成分,不会造成紫外辐射污染,是目前制作白光LED的主要方向[5]。

其不足之处在于显色性更差。

1.4荧光材料介绍

1.4.1荧光粉

自20世纪60年代稀土氧化物实现高纯化以来,稀土荧光粉的研究相继出现重大技术突破,电视荧光粉、灯用荧光粉、医用荧光粉等的开发、生产与应用取得了惊人的发展。

由于产品附加值高、效益显著,已成为稀土高技术开发的首要领域。

虽然稀土荧光粉的用量不到稀土消费总量的4%,但产值却占稀土应用市场总销售额的41%,是稀土行业最热门的产业。

稀土掺杂YAG荧光粉是荧光粉中重要的一种广泛应用于白光LED的生产制造,YAG作为荧光粉的基质材料具有透明度高、化学稳定性好、导热性好、耐高强度辐照和电子轰击等优点。

因此,近年来稀土掺杂的YAG荧光粉得到了泛的研究。

稀土掺杂YAG荧光材料的研究是从固体激光晶体的研究开始的,研究最多、最成熟的是Nd:

YAG激光晶体。

随着各种荧光材料的发展,稀土掺杂YAG荧光粉也得到了长足的发展,分别出现了Eu:

YAG（红）、Ce:

YAG（黄）、Tb:

YAG（绿）等各种颜色的荧光粉,其性能也得到了很大的提高,已在照明、阴离子射线显示（CRT）、白光LED等方面得到了广泛应用,在等离子平面显示（PDP）、真空荧光显示（VFD）、场发射显示（FED）等应用方面也在进行相关的研究[6]。

随着科技的进步和应用范围的扩展,对荧光粉的性能提出了更高的要求,例如:

高分辨率要求具有较细的球形颗粒,传统固相反应法制备的荧光粉越来越不能满足要求,近年来湿化学法制备高性能荧光粉得到了广泛的研究,同时荧光粉的发展也开始进入了纳米化,很多学者都采用湿化学方法制备出了纳米荧光粉。

1.4.2陶瓷及玻璃荧光材料

微晶玻璃,又叫玻璃陶瓷（glass-ceramic）[7],是通过玻璃的受控结晶而制成,其性能既决定于组成相的固有属性,又决定于形成的微观组织。

玻璃陶瓷的微观结构尤其对力学性能、光学性能等起重要影响。

通过改变玻璃陶瓷的微观结构可以获得用于制备白光LED的荧光材料。

相对于荧光粉来说,发光玻璃是一类更重要的荧光材料,因为它具有很多荧光粉无法实现的优点,比如易于形成各种形状!

价格低廉!

优良的透明性等等.这将大大降低照明系统的工艺复杂程度和生产成本,因此,发光玻璃在照明和显示领域将有很好的应用前景.同时稀土离子掺杂白光的玻璃陶瓷材料是一种良好的上转换发光材料,它可望在显示、显像、光存储、红外激光窗口、红外探测器等领域获得广泛应用,同时这种材料可掺入大量的稀土离子,并具有较低的声子能量,故可期望获得较高的上转换效率.

Auzel[8]等人首先研究玻璃陶瓷材料中在近红外光（980nm）激发下,Yb3+离子到Tm3+的能量传递而产生的Tm离子蓝色上转换发光.1995年，日本科学家IKesueA等[9][在透明激光陶瓷这一领域取得重要突破。

他们以初始粒径小于2μm的高纯Al2O3、Y2O3、Nd2O3粉末为初始原料，通过高温固相反应制备出高透明度的Nd:

YAG陶瓷。

宋国华等采用化学共沉淀法制备YAG:

Ce3+前驱体，以B2O3-Al2O3-SiO2-Na2O为玻璃基质，在1300℃煅烧制作出YAG:

Ce3+玻璃陶瓷，封装成玻璃陶瓷发光层远离芯片的白光LED。

该荧光陶瓷的主相为Y3Al5O12，其对470nm蓝光有强烈吸收，并可激发发射出550nm的黄光。

该荧光陶瓷与蓝光芯片组合封装的白光LED器件经过在110℃下老化600小时后，光衰仅有10%，色坐标无明显变化。

说明其寿命、稳定性要远远好于传统方式封装的白光LED，该Ce:

YAG荧光陶瓷是一种能够适用于大功率白光LED封装的荧光材料。

YAG:

Ce/+玻璃陶瓷近年来获得比较成功的发展,其不仅具有了晶体发光强度高的发光特性,还具有了玻璃的可塑性.但其在玻璃载体的选择上具有一定的局限性,玻璃本身熔化温度不能太高;另一方面随着玻璃中YAG微晶含量的增加以及微晶尺寸的增大,透明性能会越来越差.而单纯的熔融玻璃掺杂稀土材料不受高温的限制,并且随着掺杂浓度的升高,玻璃透明性不会发生明显的改变.虽然以这些玻璃成分为基质掺杂发光的研究获得了很多成果,但是它们本身固有的缺点以及对发光峰位和发光带宽调节能力的有限性是比较难以克服的.

1.4.3Ce:

YAG单晶荧光材料

YAG晶体早在上世纪60年代就被用作激光介质，是一种优良的固体激光基质材料和光学衬底，其中Nd:

YAG和Yb:

YAG激光晶体已经广泛应用于工业、国防、医疗以及科研等领域。

但是Ce:

YAG晶体作为闪烁晶体引起人们的注意却是在1992年，Moszynski和Ludziejewski[10-11]等人分别于1994年和1997年对Ce:

YAG晶体的闪烁性能进行了较为系统的研究，并指出Ce:

YAG晶体具有优良的闪烁性能。

Ce:

YAG具有快衰减（80ns）耐高温、热力学稳定、热机械性能优良、发光峰值波长（530nm）同常用的光电倍增管（PMT）和硅光二极管的接收灵敏波长匹配好等特性,是优异的快衰减闪烁材料，所以常用于极端探测环境中，如轻粒子探测、中低能量γ射线探测、α粒子探测、β射线探测等领域，另外它还大量的应用于电子探测成像（SEM）、高分辨率显微成像荧光屏等领域[55,57-58]。

目前，Ce:

YAG高温闪烁晶体业已商品化，主要用于扫描电镜（SEM）的显示部件，其生长方法主要为提拉法和温梯法。

1.4.3.1Ce:

YAG晶体的结构和性能

钇铝石榴石（Y3Al5O12或YAG）单晶体是一种重要的闪烁晶体，多用于激光基质材料以及光学衬底材料。

钇铝石榴石分子式为Y3Al5O12属于立方晶系，晶格常数为1.2008nm。

Ce:

YAG晶体的结构

Ce:

YAG晶体的物化性能

物化特性

YAG

组成

Y3Al5O12

晶体结构

立方晶系

晶胞参数（nm）

1.2008

莫氏硬度

8.5

熔点（℃）

1970

密度（g/cm3）

4.55

热导率（W·cm-1·K-1）

0.14

比热（cal·mol-1·K-1）

88.8

热扩散（cm2·s-1）

0.05

热膨胀系数（K-1）

6.9×10-6

折射率

1.820

透光波段（μm）

0.28~5.5

化学性质

不溶于HNO3、H2SO4、HCl和HF中，当温度大于250℃时溶于H3PO4

1.4.3.2Ce:

YAG单晶荧光材料相对于荧光粉的优势

1.激发发射效率高

单晶荧光材料具有高度严格的晶体场结构对称