藍光LD激發(fā)pc-WLED的發(fā)光性能

摘要：為了提升白光LED的光源亮度，同時降低LED效率驟降的影響，采用了藍光LD激發(fā)pc-WLED的技術方案。研究了熒光陶瓷片與反射基板的關系，并分析了不同摻雜的熒光陶瓷片的性能。對熒光陶瓷片進行封裝后，進行了性能比較。最后，將不同摻雜的熒光陶瓷片裝配到RC激光模組中進行了對比實驗。從結果可知，GaN基藍光LED芯片是非常理想的反射基板，最適用于照明的熒光陶瓷為4xAl2O3+（Ce0.01Y0.93Gd0.06）3Al5O12，因為其氧化鋁含量高，熱導率好，且該熒光陶瓷不僅可以進一步提升白光LED的光源亮度，而且可以減小LED效率驟降的影響。

關鍵詞：藍光LD；pc-WLED；熒光陶瓷片；LED

中圖分類號：O 439文獻標志碼：A

Luminescence performance of pc-WLED excited by blue ray LD

YANG Yihan，HUANG Lihao，WANG Dingcheng，LI Yang，WANG Xuanyu，SUI Guorong

（School of Optical-Electrical and Computing Engineering，University of Shanghai forScience and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract：In order to improve the brightness of the white LED light source and reduce the impact of the sudden drop in LED efficiency，the blue ray LD can be used to excite pc-WLED.Then，we studied the relationship between fluorescent ceramic sheets and reflective substrates，and the performance of different-doping fluorescent ceramic sheets.The fluorescent ceramic sheets were packaged.The performance was compared.Finally，different doping fluorescent ceramic sheets were assembled into the RC laser module for comparison.The results show that GaN blue LED chip is a very ideal reflection substrate，and the most suitable fluorescent ceramic for lighting is 4xAl2O3+（Ce0.01Y0.93Gd0.06）3Al5O12，because of its high alumina content and good thermal conductivity.The fluorescent ceramic can not only further improve the brightness of white LED light source，but also reduce the impact of LED efficiency drop.

Keywords：blue ray LD;pc-WLED;fluorescent ceramic sheet;LED

引言

LED引領全新的照明技術已近20年之久，近年隨著LD技術的快速發(fā)展，其展現(xiàn)出強大的生命力和發(fā)展趨勢[1-8]。藍光LD和LED都是以GaN半導體材料制得，它們的輻射波長基本相同，只是前者屬于受激輻射發(fā)光，發(fā)射光譜窄；而后者屬于自發(fā)輻射發(fā)光，發(fā)射光譜寬。由于發(fā)光機制不一樣，它們的載流子壽命和轉化效率也不相同。在小電流情況下，藍光LED的效率遠高于藍光LD，但隨著注入電流增加，藍光LED的外量子效率會逐漸降低，這種效率驟降效應[1]已經成為了目前藍光LED發(fā)展的瓶頸。

LED產生白光的傳統(tǒng)方案主要有3種[8]：第1種方案是利用紅、綠、藍3種顏色或者紅、綠、藍、黃4種顏色的激光直接混合產生白光；第2種方案是利用近紫外LED激發(fā)紅、綠、藍3色熒光粉來產生白光[9]；第3種方案是利用藍光LED激發(fā)黃色熒光體來產生白光。目前制備LED最普遍且商用化的方法是熒光粉轉換白光LED（phosphor-converted WLED，pc-WLED）。利用熒光粉的轉換效應，部分藍光發(fā)生斯托克斯偏移變?yōu)檩^長的波長從而產生寬譜白光。最主流的pc-WLED的制備方案是利用InGaN藍光LED激發(fā)YAG∶Ce黃色熒光粉產生白光[10-12]。該方案具有發(fā)射光譜較寬、理化性質穩(wěn)定和價格低廉等優(yōu)勢?？紤]到LED目前本身的缺陷，同時借鑒其成熟技術，本文提出了采用藍光LD激發(fā)pc-WLED的方法，可以大幅提高轉換效率，不存在效率驟降的問題，同時可獲得更強的輸出功率和更優(yōu)的光斑形狀，帶來新的照明光源技術，對激光照明技術的普及與發(fā)展具有重要的意義。

1原理

利用藍光LD激發(fā)pc-WLED，可以緩解LED的效率驟降現(xiàn)象，使光效提高[1]。pc-WLED由藍光LED芯片和黃色熒光材料封裝而成。LD激發(fā)pc-WLED在本質上激發(fā)的是LED芯片上的黃色熒光材料。熒光材料可大幅提升亮度；而在相同亮度下，通過增大LD的電流降低LED的電流，又可以降低LED效率驟降[4-7]的影響。藍光LD激發(fā)pc-WLED的系統(tǒng)結構如圖1所示。

這種方案的本質是將pc-WLED作為反射式熒光片來使用。得益于藍光LED芯片的特性與優(yōu)勢，LD激發(fā)pc-WLED是可行的，有以下5個原因。

（1）雖然LD激發(fā)時會產生大量的熱能，但由于組件具備良好散熱性，故不會對LED芯片造成損傷。

（2）在藍光LED芯片底部鍍高反射膜，形成了較好的光反射層，使藍光LED芯片可以作為pc-WLED的反射基板。

（3）在pc-WLED中，熒光材料產生的熱量主要依靠LED芯片向下傳導，由于GaN基LED芯片工作的結溫通常低于150℃，而大多數(shù)熒光材料可以在200℃甚至更高的溫度下工作，這說明封裝在pc-WLED上的熒光材料還有余量承受更高功率的激光激發(fā)。

（4）在藍光LED芯片上設計微結構，可使pc-WLED系統(tǒng)中熒光材料的光提取效率和發(fā)光均勻性大幅提升。

（5）利用藍光LED芯片透射的藍光來合成白光，彌補藍激光波長窄的缺點，這就實現(xiàn)了LED和LD兩種光源的融合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，提供較高的轉化效率。

2實驗結果和分析

為了驗證LED芯片作為反射基板的可行性，將其與幾種常見的反射基板（漫反射白板，鏡面鋁板）進行了對比。

2.1熒光陶瓷片與反射基板的關系

在選定一種標準的熒光陶瓷片樣品后（YAG∶Ce熒光陶瓷），將其切割成1 mm×1 mm×0.13 mm的尺寸，再用硅膠將它們粘接到不同的反射基板上固化，最后將固化后的熒光片裝配到RC激光模組（見圖2）中對比它們輸出的光通量。用于對比的反射基板包括：（1）用多孔氧化鋁陶瓷片制作的漫反射基板（反射率接近100%）；（2）表面鍍銀的鏡面鋁板（Alanod 4200AG，反射率>98%）；（3）固晶到陶瓷基板上的LED芯片（Osram ODB4047UX3，垂直芯片結構）。圖3顯示了將熒光陶瓷片粘貼在不同反射基板上的照片。其中，圖3（d）是進一步在LED芯片周圍封上白墻膠之后的照片（白墻膠封住了LED芯片和熒光陶瓷片的側面），形成一個完整的pc-WLED。

測光通量時將RC激光模組的電流設定為1 A，表1列出了不同反射基板對應的測量結果。從結果可知，如果以漫反射板為基準（漫反射板的效率最高），那么藍光LED芯片作為反射基板帶來的光效損失僅有10%左右，與鏡面鋁板的結果非常接近，這表明GaN基藍光LED芯片是非常理想的反射基板。

對比LED芯片封白墻膠前后光通量的變化可知，在LED芯片和熒光陶瓷片四周封上白墻膠也會造成一定的光效損失，因為白墻膠會阻擋LED芯片和熒光陶瓷片的側面發(fā)光，被白墻膠反射回去的光不可避免地帶來損失。LED芯片和熒光陶瓷片的厚度越薄，光效的損失就會越小。

2.2不同摻雜濃度對熒光陶瓷片性能的影響

實驗中選取了4種不同的Al2O3–YAG復合熒光陶瓷片，編號為S1～S4。為了改善YAG∶Ce的輻射光譜使之能輸出白光，其中兩種熒光陶瓷中摻入了Gd。4種熒光陶瓷片的組成成分如表2所示。S1和S2的組分中不含Gd，且Ce濃度比較接近，但S1的Al2O3含量比S2高一倍；S3和S4的組分中摻入了Gd，其中S3的Gd含量較低，Al2O3含量最高，而S4的Gd含量較高，Al2O3含量比S3低。

圖4是S1～S4 4種熒光陶瓷片表面拋光后的SEM照片，可以看到所有樣品中都包含了大量的Al2O3顆粒（照片中黑色的是Al2O3，白色的是YAG∶Ce）。其中，S3中的Al2O3最多，S2中的Al2O3最少，而S1和S4的Al2O3含量相當，這與實驗設計的組分基本一致。

在自制的系統(tǒng)中測量了4種熒光陶瓷片的熱淬滅特性，自制測試系統(tǒng)的光學結構參見圖5（a）。首先制作一個銅制的加熱臺，里面嵌有一個微型陶瓷加熱片可以對銅塊進行加熱，銅塊上粘有熱電偶用來實時測量其表面溫度。然后將尺寸為4 mm×4 mm的鏡面鋁板（Alanod 4200AG）嵌入銅塊，如圖5（b）所示。測量時將待測熒光陶瓷片樣品切成4 mm×4 mm的小片，然后放置到鏡面鋁板上，通過加熱平臺對其進行加熱并利用熱電偶測量其溫度（熱電偶所測的銅塊表面的溫度視為熒光陶瓷片的溫度）。從藍光LD輸出的激光，經過透鏡聚焦后垂直照射到待測樣品中心。為了收集從熒光片出射的光，采用RC激光模組中相同的拋物面反光杯進行光收集，反光杯的焦點正好位于待測樣品的中心，因此，從熒光片樣品出射的光經過拋物面反光杯反射后將形成準直的平行光出射，最后利用積分球和光譜儀對輸出光進行測量。

測量時藍光LD的電流設定為0.5 A，此時輸出的激光功率非常低，可以排除熒光陶瓷片自身發(fā)熱的影響[13]。圖6（a）是測得的4種熒光片樣品的熱淬滅特性曲線，從結果可知，在熱淬滅性能上，S1>S2>S3>S4。這是由于：在YAG∶Ce熒光陶瓷中，Ce的濃度越低其熱穩(wěn)定性能越好，S1中Ce的濃度最低，所以熱淬滅性能最好；摻Gd會導致YAG∶Ce熒光陶瓷的熱淬滅性能變差，且Gd的含量越高越嚴重，因此S4的抗熱淬滅性能最差。圖6（b）是4種樣品輸出光的色溫（CCT）隨溫度的變化曲線，對比發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，S1和S2的CCT基本維持不變，而S3和S4則出現(xiàn)了明顯的升高，且S4的變化更為明顯，這表明在YAG∶Ce熒光陶瓷中CCT的變化主要受Gd的影響。

2.3不同摻雜濃度的熒光陶瓷片經過封裝后的性能分析

4種熒光陶瓷片被切割成1 mm×1 mm的小片，并封裝成pc-WLED。LED芯片采用歐司朗ODB4047 UX3芯片，LED基板采用3 mm×3 mm的氮化鋁陶瓷基板，并采用了熱電分離設計。圖7（a）是將LED芯片固晶在陶瓷基板上的照片，圖7（b）所示為封裝好的LED照片，熒光陶瓷片四周被封上了白墻膠。

在實驗中先測量4種LED的光通量和光譜數(shù)據。表3是4種LED在電流1 A時的光學參數(shù)。從測量結果可知，4種LED都具有較高的效率，且在電光轉化效率上S1>S2>S3>S4，最高的S1達到了129.8 lm/W，最低的S4也有97 lm/W。由于S1和S2的輸出光是黃綠光，在光通量上占優(yōu)勢，而S3和S4的輸出光是白光，光通量略低，所以只能將S1和S2進行對比，將S3和S4進行對比。S2的光效低于S1的原因在于：S2相對S1的Ce濃度更高一些，導致其熒光轉化效率降低。但S3的光效高于S4的主要原因在于S3吸收的藍光更多，所以發(fā)射的黃光多，如果對比輸出光功率可發(fā)現(xiàn)兩者是接近的。

圖8是4種LED樣品在電流1 A時輸出的光譜曲線。對比光譜曲線可知它們輸出的藍光強度不一樣，S2<S1<S3<S4。強度越高說明透過的藍光越多，那么被熒光片吸收的藍光就越少。對于純YAG∶Ce熒光陶瓷而言，由于其在波長450 nm附近具有很強的吸收系數(shù)，因此當它封成白光LED后很難透射出足夠的藍光，所以S1和S2都只能輸出黃綠光（藍光成分不足）。對比S1和S2可知，由于S1中Al2O3的含量比S2高，這相當于稀釋了熒光片中YAG∶Ce的濃度，使得其對藍光的吸收降低，所以S1透過的藍光比S2多。盡管如此，從S1透射的藍光比例也遠不夠合成白光，如果進一步增加S1中Al2O3的含量，藍光的增加也非常有限，而且還會因為Al2O3含量太高而導致表面光斑出現(xiàn)藍色斑點（Al2O3在熒光陶瓷中形成了藍光透射的通道）。要想合成白光輸出，必須降低YAG∶Ce熒光陶瓷對藍光的吸收系數(shù)，一種行之有效的手段就是向YAG∶Ce中摻入Gd，也就是樣品中的S3和S4。

從圖8的光譜曲線不難發(fā)現(xiàn)，摻Gd可以有效降低YAG∶Ce熒光陶瓷對藍光的吸收系數(shù)，使透射藍光的比例大大增加。且Gd的含量越高，透射的藍光比例也越高。對比S3和S4，由于S4的Gd含量更高，所以S4輸出的藍光也更多。

由于光通量會隨著電流的變化而變化，我們分別在25℃和85℃環(huán)境溫度下測量了4種LED的光通量隨電流變化的曲線，測量結果見圖9。當LED電流從0.5 A逐漸增加到3 A時，在25℃環(huán)境溫度下，4種LED輸出的光通量都隨著電流的增加而增加，并沒有出現(xiàn)發(fā)光飽和現(xiàn)象；但在85℃環(huán)境下，S4出現(xiàn)了明顯的發(fā)光飽和，其最大光通量出現(xiàn)在電流為2.5 A時，之后隨著電流增加輸出光通量反而降低，這是由于S4熒光陶瓷的抗熱淬滅性能最差，出現(xiàn)了熱飽和。在25℃環(huán)境下，當電流為3 A時，S1～S4可輸出的最大光通量分別為900 lm，850 lm，700 lm，620 lm。

2.4不同摻雜濃度的熒光陶瓷片在RC激光模組中的比較

在實驗中，4種LED被裝配到RC激光模組中。同時點亮LED和LD，測量其輸出光通量與電流的關系。每次測量時，先給LED一個恒定的驅動電流，然后逐漸增大LD的電流直至輸出光通量飽和或者達到電流上限為止（在室溫25℃環(huán)境下，以脈沖電流進行測量）。對于每種LED，依次測量LED電流為0 A，1 A，1.5 A，2 A和2.5 A時的5組數(shù)據，并將每組數(shù)據描繪成一條曲線，最終得到了4種LED的輸出光通量隨LD電流變化的曲線（見圖10）。

從圖10中的結果可發(fā)現(xiàn)，每種LED可輸出的最大光通量大致上是恒定的，S1～S4分別為1 200 lm，840 lm，1 150 lm，670 lm（根據圖中的紅色標線讀?。Ｒ許1為例，觀察LED偏置電流為1 A，1.5 A，2 A，2.5 A時的曲線可以發(fā)現(xiàn)，每條曲線都在光通量達到1 200lm左右時出現(xiàn)飽和。這個最大光通量主要取決于熒光陶瓷片本身的性能，是由熒光陶瓷片的轉化效率、熱導率和熱淬滅特性共同決定的。4種樣品中表現(xiàn)最好的是S1，這是由于其熒光陶瓷片不僅光效高，而且熱淬滅性能也好；表現(xiàn)最差的是S4，因為它的熱淬滅性能最差?？紤]到反光杯的光收集效率為0.87，可計算出在LD的輔助激發(fā)下，S1～S4實際輸出的最大光通量約為1 480 lm，960 lm，1 320 lm，770 lm。

在LD和LED同時激發(fā)下，S1輸出的最大光通量從900 lm提升到1 480 lm，提升了64%；S3輸出的最大光通量從700 lm提升到1 320 lm，提升了88%。但S2和S4兩種熒光陶瓷片的最大光通量幾乎沒有提升。S2的氧化鋁含量低，所以熱導率低，而S4的Gd含量高，熱淬滅性最差，它們在LD的激發(fā)下都沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢。

對比S2和S3可知，雖然S2的熱淬滅性能要優(yōu)于S3，且單獨點亮LED時，S2輸出的光通量也遠高于S3，但在LD和LED的同時激發(fā)下，S2陶瓷片的表現(xiàn)卻不如S3穩(wěn)定，可能由于S3中的氧化鋁含量最高，其熱導率最好，因此最不容易發(fā)生飽和。

對比S1和S3可知，雖然S3熒光陶瓷的熱淬滅性能比S1差，但是當LED偏置電流分別為1 A，1.5 A，2 A，2.5 A時，S3都可以承受更高功率的激光激發(fā)（更不容易飽和，盡管S3輸出的最大光通量略低于S1），這也是由于S3中的氧化鋁含量高，熱導率好。綜合S3的表現(xiàn)說明，在LD激發(fā)pc-WLED的技術方案中，熒光陶瓷片的熱導率是非常重要的考量因素。

為了對比4種熒光片在LD和LED激發(fā)下的效率，實驗中將LED的電流設定為1 A，LD的電流也設定為1 A，然后依次測量4種樣品在LD單獨點亮、LED單獨點亮以及LD和LED一起點亮時輸出的光通量。當驅動電流為1 A時，LD的電壓為3.7 V，LED的電壓為3 V，據此可計算兩者消耗的電功率，進而計算出不同狀態(tài)下的電光轉化效率。計算結果如表4、5、6所示。根據輸出光通量/電功率計算出的光效，還包含了RC激光模組的光收集效率。

從表4～6中的結果可知，4種熒光陶瓷片在LED和LD激發(fā)時都具有不錯的轉換效率；當LED和LD一起點亮時，其輸出光通量基本等于兩者單獨點亮時的光通量之和。在電流為1 A時，LD激發(fā)熒光陶瓷片的光效要遠低于LED，大約只有LED的62%～70%（不同的熒光陶瓷片降低的幅度不一樣）。這是因為當電流較小時（1 A），藍光LED芯片的電光轉化效率要遠高于藍光LD。但隨著電流增大，藍光LED的效率會逐漸降低，而LD的光效還會升高，因此兩者的差距會逐漸縮小甚至出現(xiàn)LD的光效超越LED的情況。

圖11顯示了S3樣品在LED和LD單獨點亮時，兩者的光效隨電流變化的曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)當電流超過2.6 A后，LD的光效開始超過LED。因此，使用藍光LD輔助激發(fā)pc-WLED，不僅可以進一步提升白光LED的光源亮度，而且可以減小LED效率驟降的影響。

圖12顯示了S1～S44種樣品在RC激光模組中投射出的光斑圖像（從左到右分別對應單獨點亮LD，單獨點亮LED，以及LD和LED一起點亮時的圖像，LD和LED的電流都設定為1 A）。從照片可以發(fā)現(xiàn)，當LD單獨點亮時，S1～S44種樣品都只能輸出黃綠色光，且顏色逐漸由黃綠色變?yōu)辄S色，光斑中心會有明顯的亮心。這是由于當LD輸出的激光聚焦到熒光陶瓷片上時只作用于熒光陶瓷片的中心區(qū)域，因此呈現(xiàn)出中心亮邊緣暗的光斑分布，這對光源中心亮度的提升明顯。當LED單獨點亮時，整個光斑亮度分布比較均勻。當LED和LD一起點亮時，通過兩者光斑的疊加，既可以對LD輸出的光斑實現(xiàn)均勻化，同時又能保持較高的中心亮度，適合于遠距離照明，例如采用該方案的汽車前照燈。

此外，雖然LD激發(fā)熒光陶瓷片只能輸出黃綠色光，但是通過與LED輸出光的疊加，也可以獲得理想的白光輸出（參見S3、S4的照片），這種白光成分中，藍光主要來自于LED芯片，而激光成分很少，也增加了照明的安全性。

綜合對比4種樣品，雖然熒光陶瓷片S1具有最高的轉換效率，但由于S1的輸出光并非白光，而S3不僅輸出白光，且在LD輔助激發(fā)下具有出色的熱穩(wěn)定性能，因此更適合用于照明。

3結論

通過實驗測量可以發(fā)現(xiàn)，如果以漫反射板為基準，那么藍光LED芯片作為反射基板帶來的光效損失與鏡面鋁板的結果非常接近，這表明GaN基藍光LED芯片是非常理想的反射基板。

在pc-WLED中，熒光材料產生的熱量主要依靠LED芯片向下傳導，由于GaN基LED芯片工作的最高結溫可達到150℃，因此要求熒光材料的工作溫度高于150℃，這對熒光材料的熱導率和熱淬滅性能都有很高的要求。

當熒光陶瓷摻雜Ce的濃度低，熱淬滅性能好，而熒光陶瓷片摻Gd會導致YAG∶Ce熒光陶瓷的熱淬滅性能變差，且Gd的含量越高越嚴重。

4種熒光陶瓷片在LED和LD激發(fā)時都具有不錯的轉換效率，當LED和LD一起點亮時，其輸出光通量基本等于兩者單獨點亮時的光通量之和。最適用于照明的熒光陶瓷為4xAl2O3+（Ce0.01Y0.93Gd0.06）3Al5O12，原因在于氧化鋁含量高，熱導率好，且該熒光陶瓷可通過使用藍光LD輔助激發(fā)pc-WLED，不僅可以進一步提升白光LED的光源亮度，而且可以減小LED效率驟降的影響。

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（編輯：張磊）