白光LED發光原理研究

倪江楠 連晗

引言：本文通過白光LED的發光情況進行分析，闡述其發光的原理，并對其應用技術分析。

一、發光本質、發光的分類及發光材料的應用

（一）發光的本質。光是電磁波，具有波粒二象性。光的波動性由波長和頻率兩個參量來表示，在真空中滿足 ，其中c為光在真空中的波速。光的粒子屬性由頻率為v的光其單位能量為hv來表示，當這個能量照射到物體時能激發出光電導、光電發射、發光及光化學等效應，稱為光量子或光子。

發光就是物體不經過熱階段而將其內部以某種方式吸收的能量直接以光能的形式釋放出來的非平衡輻射過程。發光的第一個特點是，其與周圍環境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫，故稱為“冷光”。其第二個特點是從外界吸收能量后，要經過能量的吸收、存儲、傳遞和轉換過程，最終發射出光來。發光只是一種宏觀現象，其微觀本質為原子核外電子云的形變，形變力使得電子穿過價帶進入禁帶，從而為熒光的產生創造了根本條件，高能級的電子躍遷形成熒光。發光的本質是能量的轉換，其與基質的能帶結構、晶體結構、載流子等密切相關。稀土離子具有良好的發光本領，其根本原因就在于豐富的電子能級和長壽命激發態，特殊的 電子層結構為能量轉換提供了重要的保障。

（二）發光的分類。一種物質，它從外界吸收能量，引起內部的合適的激發，經過能量存儲、轉換，然后發射出光束來。首先，既然需要吸收能量，那么按照吸收能量的來源來劃分，可以分為物理發光、機械發光、化學發光及生物發光，其對應的能量分別為物理能、機械能、化學能和生物能。其次，可以按照物理能激發的方式不同又可以劃分為光致發光、電致發光、X射線發光及放射性發光等。發光的大致分類如表1所示。

（三）發光材料的分類及主要應用。發光材料按照材料的物理性質可以劃分為固體、液體和氣體發光材料。其中，固體發光材料按照其具體形式可以分為粉末、薄膜、陶瓷、纖維、晶體、玻璃、閃爍體、液晶等。固體發光材料主要包括有機和無機固體發光材料。根據激發方式的不同，固體發光材料可以分為：光致發光材料、電致發光材料、X 射線及高能發光材料、陰極射線發光材料、化學能發光材料、生物能發光材料、機械能發光材料、光釋發光材料、聲致發光材料、應力發光材料等。本文主要研究光致發光材料。

光致發光材料：在紫外光、高能輻射、可見光、紅外光等激發下能發光的材料稱為光致發光材料。光致發光材料又可以分為熒光燈用熒光粉、長余輝發光材料和上轉換發光材料。熒光燈用熒光粉是一類在紫外光和近紫外光激發下能夠產生可見光的光致發光材料。熒光燈用熒光粉主要應用于照明、顯示領域。尤其是在白光發光二極管領域，三基色熒光粉在白光的產生中占據主導地位。長余輝發光材料是一類可將紫外光或可見光轉換為可見光的發光材料。長余輝發光材料可以存儲光能、太陽能等，然后在黑暗的環境下自動釋放能量而發出可見光，而且這樣的存儲-釋放的過程可以重復許多次。長余輝發光材料的應用非常廣，可以應用于發光油墨、發光涂料、發光塑料、發光陶瓷、發光水泥、發光工藝品、發光玻璃、發光鐘表和夜光儀表等，在建筑裝飾、裝潢、鐵路船舶交通、軍事、醫療、紡織、應急照明、防偽標記以及日常生活用品等領域被廣泛使用。

上轉換發光材料是一類將紅外光轉換為可見光的光致發光材料。大部分的發光材料遵循斯托克斯定律：即用短波長(高能量)的光子照射材料得到長波長(低能量)的光子。然而，當用長波長(低能量)的光子激發發光材料產生短波長(高能量)的光子的現象稱為上轉換發光或反斯托克斯發光，相應的這種發光材料稱作反斯托克斯(Anti-Stocks)材料或上轉換發光材料。Pr3+、Sm3+、Er3+激活的某些復合物在約980nm的紅外光激發下能觀察到反斯托克(Anti-Stokes)熒光現象。

上轉換的發光過程和機理分為激發態吸收、能量傳遞和“光子雪崩”過程三種情況。上轉換發光材料主要應用于紅外防偽上轉換、反斯托克斯熒光制冷、上轉換激光器、上轉換三維立體顯示、電子俘獲材料以及燃料敏化太陽能電池。反斯托克斯熒光制冷是利用這樣一種原理：用低能量的光激發發光介質，發光介質發射出高能量的光子，從而將發光介質中的原有能量帶出介質外，產生制冷效應。值得注意的是，電子俘獲材料的光致上轉換機制與通常的多光子過程是不一樣的，其本質是紅外線激勵下的電子-空穴復合發光。發光材料的應用非常廣泛，其主要應用于白光LED、液晶顯示、等離子體顯示平板、激光器、閃爍器等各種領域。此外，發光材料還在農業上選種，工業中的分析、染色、醫學診斷，水利勘測以及化學分析，分子生物學和考古學中都有不同程度的應用。

二、白光LED和白光LED用紅色熒光粉

（一）白光LED簡介。白光LED是由發光二極管(light emitting diode,簡稱LED)芯片和可被LED有效激發的熒光粉組合而成的能獲得各種室溫發光出白光的器件。白光發光二極管的發展很大程度上取決于發光二極管芯片的發展。發光二極管芯片的地位是第一位的。白光發光二極管作為一種新型全固態照明光源，深受許多學者和政府的高度重視。白光LED就像愛迪生發明的白熾電燈一樣，將引起照明工業的一場革命，并帶動和推動一大批相關產業的發展，如稀土產業、芯片產業等。白光LED具有很多的優點，廣闊的應用前景和潛在的市場，它被視為21世紀的綠色照明光源，已經獲得許多政府的大力支持。

白光LED照明光源主要的優勢在于：壽命超長、效率高、環保節能、光譜范圍寬、無污染、安全可靠：啟動電壓低、顯色性好、效應時間短、無頻閃、無紅外和紫外輻射、可視距離遠、抗惡劣環境、體積小。

（二）白光LED的基本原理和結構。LED(light emitting diode),即是一種具有二極管電子特性且能發光的半導體組件。LED既具有二極管整流的功能，也具有發光特性，在白光LED中是利用它的發光特性。發光二極管是結構型發光器件，圖1是發光二極管的基本結構圖，其核心部分為LED芯片。商業上的發光二極管一般用環氧樹脂封裝外殼，芯片的直徑一般為200-350 ，主要結構是p-n結結構。另外，一般需要包括n型層和p型層，并在p型層和n層上分別制作電極。n 型層和p 型層分別提供發光所需的電子和空穴，它們在發光層復合發光。為了提高LED的發光效率，人們設計了不同的發光層結構，如單量子阱、多量子阱、異質結構等，以增加復合發光的概率。

圖1 發光二極管的基本結構圖

雖然實現白光LED的方案有很多，但目前最主要的技術方案有三種。第一種為藍光LED和YAG:Ce 熒光粉合成白光。此種組合方式是目前最常用的白光LED制作方式，其優點是此種組合制作簡單，在所有白光LED的組合方式中成本最低而效率最高，大部分白光LED都以此種方式制成。第二種技術方案為紫外LED激發紅、綠、藍熒光粉合成白光。其原理與三基色熒光粉類似。采用紫外LED泵埔紅、綠、藍三色熒光粉，產生紅、綠、藍三基色光，通過調整三色熒光粉的配比可以形成白光。但是，此種方案必須要求紅、綠、藍熒光粉在近紫外區域有較強的吸收。但是，此種組合方式的白光LED最大的一個瓶頸在于效率偏低，主要原因在于所使用的紫外LED效率偏低。

第三種技術方案為紅色LED、綠色LED、藍色LED芯片或發光管組成一個像素(piexel)來實現白光。紅、綠、藍三色LED 組合的白光的色純度很高，在大型液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)、TV背光源領域具有巨大的市場潛力。但是，由紅、綠、藍三色LED合成白光的缺點是：生產成本最高。由于三種顏色的LED 的量子效率不同，而且隨著溫度和驅動電流的變化不一致，隨時間的衰減速度的快慢也各不相同，必加的補償電路不但造成電路復雜，也增加了生產的成本。

（三）白光LED 用紅色熒光粉。雖然實現白光LED 具有三種主要的技術方案，但是每一種方案都具有一定的瓶頸。例如，基于藍光LED的白光發光二極管由于缺乏紅光發射的熒光粉導致其顯色指數偏低，不能滿足某些特殊領域的應用。第二種方案其整體的發光效率有待改進，這就急需尋求在近紫外區域具有良好吸收能力的紅、綠、藍熒光粉。第三種方案其生產成本和色漂移是必須考慮的問題。提高顯色性的方案主要有：(1)可以在黃色熒光粉YAG:Ce中摻入適量的紅色熒光粉來提高顯色性；(2)也可以通過摻雜改性使原來的黃色熒光粉發射波長紅移，以增加紅色成分來提高顯色性。綜上所述，無論是哪一種技術方案，要制得高顯色指數的白光LED，

在藍光或近紫外區域具有高吸收系數的紅色熒光粉是必需的和急迫的。雖然三價Eu3+摻雜的材料被廣泛地應用于紅色熒光粉，但其也具有紅色成份不足之處，因為其主要的發射波長位于約615nm歸因于Eu3+的5D0→7F2躍遷，此躍遷并未在深紅色發射區域。因此，本論文將研究鐠、釤摻雜的紅色熒光粉，其發射可位于深紅色光譜區域。

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