藍(lán)光LED激發(fā)MPR-1003紅色熒光粉器件性能研究

袁桃利， 劉　運(yùn)， 張思璐

(陜西科技大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安　710021)

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藍(lán)光LED激發(fā)MPR-1003紅色熒光粉器件性能研究

袁桃利， 劉運(yùn)， 張思璐

(陜西科技大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安710021)

摘要：采用藍(lán)光LED芯片激發(fā)MPR-1003熒光粉，并對其光譜和光效特性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：涂覆熒光粉后，光譜中包含了藍(lán)光和紅光兩種成分.隨著熒光粉比例的增加，藍(lán)光強(qiáng)度逐漸減小，而紅光強(qiáng)度增強(qiáng).當(dāng)熒光粉和膠的比例為4∶6時，藍(lán)光波段的峰值完全消失，只在紅光波段出現(xiàn)一個發(fā)射峰值,器件變?yōu)榧兗t色，色純度達(dá)到99.7%；當(dāng)熒光粉比例增加時，光效呈下降趨勢,分析了光譜及光效變化的原因.最后，對器件的亮度、芯片溫度及電壓隨時間的變化等進(jìn)行了測試，分析了亮度、溫度及電壓變化等之間的關(guān)系.

關(guān)鍵詞：紅色熒光粉； 光譜； 光效； LED

0引言

自從20世紀(jì)60年代LED(Light Emitting Diode,LED)商用化以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，LED因具有能耗低、體積小、綠色環(huán)保、壽命長等特點(diǎn)，而在照明和顯示領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1,2].

一直以來，高性能白光LED都是研究的熱點(diǎn)之一.在實(shí)現(xiàn)白光LED的方法中，主要有熒光粉涂覆光轉(zhuǎn)換法、多色LED組合法、多量子阱法等[3-5].其中，熒光粉涂覆光轉(zhuǎn)換法是合成白光的最常用方法[6,7].可采用藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉，或在此基礎(chǔ)上增加紅色熒光粉獲得白光.該方法因缺少紅光或紅色熒光粉而效率較低，導(dǎo)致白光LED器件顯色指數(shù)較低、光衰較大、色溫偏高[8,9].因此，研究出能被藍(lán)光芯片激發(fā)的高效紅色熒光粉，具有重要的實(shí)際意義.

目前，白光LED中使用的紅色熒光粉主要有有機(jī)熒光粉和無機(jī)熒光粉等兩類.其中，有機(jī)熒光粉主要有MEH-PPV[10]、DCJTB[11]、4CzTPN-Ph[12]等，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、容易結(jié)晶、性能不太穩(wěn)定；無機(jī)熒光粉主要有堿土硫化物體系、氮化物體系、鎢/鉬酸鹽體系等[13]，其物理化學(xué)性能較穩(wěn)定，發(fā)光效率較高.

本文采用氮化物紅光材料MPR-1003，其在455 nm處的激發(fā)譜和發(fā)射譜如圖1所示.由圖1可以看到，MPR-1003是可以被藍(lán)光芯片激發(fā)的，其發(fā)射峰值出現(xiàn)在610～620 nm范圍，是正宗的紅色.在本研究中，將其涂覆于藍(lán)光芯片之上，做成了LED樣品，研究了藍(lán)光芯片激發(fā)該紅色熒光粉時的光譜、光效等特性，并對該樣品的亮度、溫度、電壓等隨時間的變化做了分析.

圖1　MPR-1003的激發(fā)譜和發(fā)射譜

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

(1)材料：所用藍(lán)光LED芯片，購于臺灣晶元光電股份有限公司；MPR-1003，購于三菱化學(xué)株式會社；熒光粉膠和填充膠，采用廣州市杰果電子科技有限公司的8866AB硅膠和5212AB硅膠.

(2)設(shè)備：擴(kuò)晶機(jī)和金線焊線機(jī)，采用深圳市三合發(fā)光電設(shè)備有限公司的SH2002型和SH2012型；真空干燥箱，為北京科偉永興儀器有限公司的DZF型真空干燥箱.

1.2器件制備

為了增強(qiáng)芯片散熱能力，樣品采用一體化封裝模式，以覆銅鋁基板做支撐，三顆LED串聯(lián).首先,對銅膜進(jìn)行刻蝕，留出固定三顆LED的位置，之間以銅膜做導(dǎo)線連接.刻蝕后，在LED固定位置點(diǎn)銀膠，固晶，烘烤，然后焊接金線，制作圍封框.將熒光粉MPR-1003按一定比例混合在AB膠中，粉和膠的質(zhì)量比分別設(shè)置為1∶9、2∶8、3∶7、3.5∶6.5、4∶6，通過點(diǎn)膠機(jī)涂覆于藍(lán)光芯片之上，烘烤.最后，在圍封框內(nèi)注入填充膠密封固定.

芯片烘烤條件為：溫度150 ℃，時間為1.5 h；熒光粉固化條件為：溫度50 ℃，固化時間為1 h.

1.3材料及器件測試

LED器件的光譜、色坐標(biāo)、光效-電流等,使用杭州遠(yuǎn)方光電信息公司的PMS-50紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)進(jìn)行；亮度、芯片溫度、電壓隨時間變化等測試，采用LUMINANCE METER LS-110型亮度計配合自行設(shè)計的溫度測試系統(tǒng)軟件進(jìn)行;MPR-1003的激發(fā)譜和發(fā)射譜，采用OmniFluo熒光光譜測量系統(tǒng)進(jìn)行.

所有測試均在室溫條件下進(jìn)行.

2結(jié)果與討論

2.1器件的光譜分析

圖2是器件未涂覆紅色熒光粉和涂覆不同比例熒光粉時的相對光譜圖.由圖2可以看出，藍(lán)光芯片的電致發(fā)光光譜發(fā)射峰位于454 nm，半波寬較窄.涂覆熒光粉后，光譜中有兩個明顯的峰值.一個峰值位于藍(lán)光波段，波長為455 nm，顯然這是來自于芯片的電致發(fā)射；在紅光波段，有一個明顯的發(fā)射峰位于615 nm處，光譜強(qiáng)度較強(qiáng).

對照MPR-1003的激發(fā)譜和發(fā)射譜，可以肯定這是光致激發(fā)MPR-1003的結(jié)果.隨著熒光粉比例增加，藍(lán)光波段的光譜強(qiáng)度逐漸減小，在2∶8比例后快速衰減；紅光波段的強(qiáng)度起初增加明顯，但當(dāng)粉和膠的比例達(dá)到2∶8后，紅光光強(qiáng)變化緩慢.器件的色坐標(biāo)由(0.312 4,0.175 5)變化到(0.641 3,0.357 5),顏色由藍(lán)紫轉(zhuǎn)為紅藍(lán)，最后變?yōu)榧兗t.

在LED器件中，發(fā)光經(jīng)歷了兩個過程：先是在電流驅(qū)動下LED芯片發(fā)出藍(lán)色光子；接著藍(lán)色光子激發(fā)紅色熒光材料MPR-1003，發(fā)出紅光.因此,器件的色度以及效率,不僅與LED芯片的發(fā)射有關(guān)，還取決于在能量傳遞過程中藍(lán)光激發(fā)MPR-1003的發(fā)光效率.

隨著比例的增加，藍(lán)光強(qiáng)度逐漸減小，越來越多的藍(lán)色光子被用于去激發(fā)MPR-1003;而當(dāng)比例大于3∶7時，紅光強(qiáng)度不再增強(qiáng)，這說明能量從芯片向熒光粉，通過光子發(fā)射、熒光粉再吸收等方式，進(jìn)行了很好地傳遞，并且隨著熒光粉比例的增加，更多的光子被消耗，從而轉(zhuǎn)換成熒光粉的發(fā)射.

圖2　不同比例器件的光譜圖(電流：300 mA)

2.2器件的光效-電流特性

圖3是器件的光效與電流變化曲線.對于不同比例的器件，隨著電流的增加，光效緩慢降低.原因有兩方面:一是,對于芯片，電流的增加使得發(fā)生非輻射復(fù)合的載流子機(jī)率增加，導(dǎo)致器件內(nèi)量子效率降低；二是，隨著電流的增加，器件的溫度急劇升高，使得芯片和熒光粉的效率進(jìn)一步下降.

由圖3還可以看出，粉和膠的比例對器件的光效影響巨大.隨著粉和膠比例的增加，光效直線下降，從1∶9時的約27 lm/W,降為4∶6時的5.21 lm/W.隨著熒光粉的增加，藍(lán)光消耗增加，強(qiáng)度減小，紅光強(qiáng)度增加，光通量減小，光效下降；在另一方面,熒光粉量的增加，使得粉和膠的混合體密度增加，透過率減小，吸收了大量的光子，直接引起光效降低.

圖3　不同比例器件的光效-電流曲線

2.3色坐標(biāo)特性

圖4是器件的色坐標(biāo)變化趨勢.由圖4可以看出，隨著MPR-1003熒光粉比例的增加，器件的x坐標(biāo)變化很大，y坐標(biāo)緩慢增加.不涂覆熒光粉時，LED芯片色坐標(biāo)處于藍(lán)光區(qū)；涂覆熒光粉增加時，色坐標(biāo)由藍(lán)光區(qū)經(jīng)過紫光區(qū)、紅紫區(qū)向著紅光區(qū)移動，最終實(shí)現(xiàn)完全的紅光器件，色純度達(dá)到99.7%.

結(jié)合光譜的變化，當(dāng)熒光粉比例增加時，在光譜中，既包括熒光粉發(fā)出的紅光，還包括剩余的藍(lán)光.藍(lán)光和紅光的光譜強(qiáng)度相對變化及強(qiáng)度決定了最終器件的顏色,這與色坐標(biāo)變化完全吻合.

圖4　不同比例器件的色坐標(biāo)變化

2.4芯片溫度、亮度與時間特性

圖5為器件的亮度隨時間的變化關(guān)系圖，圖5插圖為芯片溫度及電壓隨時間的變化而變化的過程圖.電流穩(wěn)定在320 mA.

由亮度-時間曲線可以看出，器件在點(diǎn)亮后約1分鐘內(nèi)急劇下降，由36 570 cd/m2下降到33 430 cd/m2，之后約30分鐘內(nèi)下降速度較快，30分鐘后亮度基本趨于穩(wěn)定，約為31 700 cd/m2.

在插圖中，芯片溫度在1分鐘內(nèi)急劇上升，由22 ℃升至27 ℃，之后30分鐘上升較快，30分鐘后基本穩(wěn)定在36 ℃左右;電壓-時間變化的趨勢與亮度相似，只是變化幅度緩和一些.

由時間節(jié)點(diǎn)來看，亮度急劇衰減與芯片溫度急劇升高存在必然聯(lián)系.剛施加電流后，電子和空穴從兩側(cè)注入，芯片溫度較低，大多數(shù)電子能夠向結(jié)區(qū)注入并輻射復(fù)合，因此亮度很高;在短時間內(nèi)，隨著溫度的急劇升高，載流子的非輻射復(fù)合加強(qiáng)，器件亮度急劇下降.非輻射復(fù)合在芯片內(nèi)部以熱能等形式耗散，這部分熱能不能夠及時傳導(dǎo)出去，又導(dǎo)致芯片溫度不斷升高.

存在公式[14]：

Wem∝exp[(Eg-hv)/kBT]/T3

其中,Wem為單位體積輻射躍遷幾率;T為絕對溫度.由公式可以看出，芯片的單位體積躍遷輻射幾率與溫度幾乎成反比.溫度越高，芯片的輻射躍遷復(fù)合的幾率越小，導(dǎo)致器件發(fā)光效率下降，亮度降低.之后，隨著芯片溫度的逐漸增加，亮度也進(jìn)一步下降.經(jīng)過30分鐘左右，在芯片內(nèi)部由于非輻射復(fù)合引起的熱能與芯片的散熱達(dá)到平衡，芯片溫度不再繼續(xù)上升.在恒流作用下，輻射復(fù)合幾率比較穩(wěn)定，器件的發(fā)光亮度維持不變.在電壓-時間曲線中，電壓起始為9.5 V，30分鐘后基本保持在9.3 V不變.在恒流的條件下，LED隨著工作溫度的升高，電阻減小，即電阻和溫度成反比關(guān)系[15,16].

由前面分析可知，隨著時間的推移，器件溫度先快速升高后維持恒定，而芯片的電阻則先減小后保持不變.根據(jù)伏安關(guān)系U=IR，在電流恒定時，器件的電壓先減小后保持不變，這與測試結(jié)果完全一致.

圖5　亮度-溫度-電壓與時間的關(guān)系曲線

3結(jié)論

使用MPR-1003作為紅色熒光粉，制備了藍(lán)光芯片激發(fā)紅色熒光粉的LED器件.研究了當(dāng)涂覆熒光粉的比例改變時，器件的光譜和光效的變化趨勢以及亮度、芯片溫度及電壓等隨時間的變化，并對其原因進(jìn)行了分析.

隨著熒光粉比例的增加，藍(lán)光強(qiáng)度下降，紅光強(qiáng)度增強(qiáng);光效呈下降趨勢;芯片溫度隨著時間的變化而增加，器件的亮度隨著時間的變化而減小，但經(jīng)過一段時間后兩者都基本維持不變；芯片溫度的增加導(dǎo)致電阻減小，在恒流作用下，電壓呈現(xiàn)出先減小后保持恒定趨勢.

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The research of the device characteristics on the MPR-1003

red fluorescent material excited by blue LED

YUAN Tao-li， LIU Yun， ZHANG Si-lu

(College of Science, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The spectra and light efficiency are studied firstly,when the MPR-1003 fluorescent material is stimulated by the blue LED chip.It shows that the spectrum contains blue and red components after coated fluorescent material.With the addition of phosphor fraction,the intensity of blue light decreases,whereas the red light increases.When the ratio of the mass of the red fluorescent material to that of glue equals to 4∶6,blue light peak disappear completely,and there is only one peak at red light band.At this time,the LED device appears pure red,the color purity reaches 99.7%.When the fluorescent material mass fraction increases,the light efficiency is on the decline.And analyze the reason of change of the spectra and light efficiency.Finally, the brightness of the device,the chip temperature and voltage as the function of time was tested,and analyse the relationship between the threes.

Key words:red fluorescent material; spectrum; light efficiency; LED

中圖分類號：TN253

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)02-0165-04

作者簡介:袁桃利(1979-)，女，陜西戶縣人，講師，研究方向：顯示材料與顯示技術(shù)

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51272148)

收稿日期:*2014-10-19