2024, Vol. 46
Issue (4): 64-73
LED引领全新的照明技术已近20年之久，近年随着LD技术的快速发展，其展现出强大的生命力和发展趋势[1-8]。蓝光LD和LED都是以GaN半导体材料制得，它们的辐射波长基本相同，只是前者属于受激辐射发光，发射光谱窄；而后者属于自发辐射发光，发射光谱宽。由于发光机制不一样，它们的载流子寿命和转化效率也不相同。在小电流情况下，蓝光LED的效率远高于蓝光LD，但随着注入电流增加，蓝光LED的外量子效率会逐渐降低，这种效率骤降效应[1]已经成为了目前蓝光LED发展的瓶颈。
LED产生白光的传统方案主要有3种[8]：第1种方案是利用红、绿、蓝3种颜色或者红、绿、蓝、黄4种颜色的激光直接混合产生白光；第2种方案是利用近紫外LED激发红、绿、蓝3色荧光粉来产生白光[9]；第3种方案是利用蓝光LED激发黄色荧光体来产生白光。目前制备LED最普遍且商用化的方法是荧光粉转换白光LED（phosphor-converted WLED, pc-WLED）。利用荧光粉的转换效应，部分蓝光发生斯托克斯偏移变为较长的波长从而产生宽谱白光。最主流的pc-WLED的制备方案是利用InGaN蓝光LED激发YAG∶Ce黄色荧光粉产生白光[10-12]。该方案具有发射光谱较宽、理化性质稳定和价格低廉等优势。考虑到LED目前本身的缺陷，同时借鉴其成熟技术，本文提出了采用蓝光LD激发pc-WLED的方法，可以大幅提高转换效率，不存在效率骤降的问题，同时可获得更强的输出功率和更优的光斑形状，带来新的照明光源技术，对激光照明技术的普及与发展具有重要的意义。
1 原 理利用蓝光LD激发pc-WLED，可以缓解LED的效率骤降现象，使光效提高[1]。pc-WLED由蓝光LED芯片和黄色荧光材料封装而成。LD激发pc-WLED在本质上激发的是LED芯片上的黄色荧光材料。荧光材料可大幅提升亮度；而在相同亮度下，通过增大LD的电流降低LED的电流，又可以降低LED效率骤降[4-7]的影响。蓝光LD激发pc-WLED的系统结构如图1所示。
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图 1 蓝光LD激发pc-WLED系统结构图 Figure 1 Structure of pc-WLED system excited by blue LD |
这种方案的本质是将pc-WLED作为反射式荧光片来使用。得益于蓝光LED芯片的特性与优势，LD激发pc-WLED是可行的，有以下5个原因。
（1）虽然LD激发时会产生大量的热能，但由于组件具备良好散热性，故不会对LED芯片造成损伤。
（2）在蓝光LED芯片底部镀高反射膜，形成了较好的光反射层，使蓝光LED芯片可以作为pc-WLED的反射基板。
（3）在pc-WLED中，荧光材料产生的热量主要依靠LED芯片向下传导，由于GaN基LED芯片工作的结温通常低于150 ℃，而大多数荧光材料可以在200 ℃甚至更高的温度下工作，这说明封装在pc-WLED上的荧光材料还有余量承受更高功率的激光激发。
（4）在蓝光LED芯片上设计微结构，可使pc-WLED系统中荧光材料的光提取效率和发光均匀性大幅提升。
（5）利用蓝光LED芯片透射的蓝光来合成白光，弥补蓝激光波长窄的缺点，这就实现了LED和LD两种光源的融合，可以充分发挥两者的优势，提供较高的转化效率。
2 实验结果和分析为了验证LED芯片作为反射基板的可行性，将其与几种常见的反射基板（漫反射白板，镜面铝板）进行了对比。
2.1 荧光陶瓷片与反射基板的关系在选定一种标准的荧光陶瓷片样品后（YAG∶Ce荧光陶瓷），将其切割成1 mm×1 mm×0.13 mm的尺寸，再用硅胶将它们粘接到不同的反射基板上固化，最后将固化后的荧光片装配到RC激光模组（见图2）中对比它们输出的光通量。用于对比的反射基板包括：（1）用多孔氧化铝陶瓷片制作的漫反射基板（反射率接近100%）；（2）表面镀银的镜面铝板（Alanod 4200AG，反射率>98%）；（3）固晶到陶瓷基板上的LED芯片（Osram ODB4047UX3，垂直芯片结构）。图3显示了将荧光陶瓷片粘贴在不同反射基板上的照片。其中，图3（d）是进一步在LED芯片周围封上白墙胶之后的照片（白墙胶封住了LED芯片和荧光陶瓷片的侧面），形成一个完整的pc-WLED。
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图 2 RC激光模组示意图 Figure 2 RC laser module |
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图 3 荧光陶瓷片粘贴在不同反射基板上的照片 Figure 3 Photos of fluorescent sheets plates pasted on different reflective substrates |
测光通量时将RC激光模组的电流设定为1 A，表1列出了不同反射基板对应的测量结果。从结果可知，如果以漫反射板为基准（漫反射板的效率最高），那么蓝光LED芯片作为反射基板带来的光效损失仅有10%左右，与镜面铝板的结果非常接近，这表明GaN基蓝光LED芯片是非常理想的反射基板。
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表 1 荧光陶瓷片粘贴在不同反射基板上输出的光通量 Table 1 Output light flux of fluorescent ceramic sheets pasted on different reflection substrates |
对比LED芯片封白墙胶前后光通量的变化可知，在LED芯片和荧光陶瓷片四周封上白墙胶也会造成一定的光效损失，因为白墙胶会阻挡LED芯片和荧光陶瓷片的侧面发光，被白墙胶反射回去的光不可避免地带来损失。LED芯片和荧光陶瓷片的厚度越薄，光效的损失就会越小。
2.2 不同掺杂浓度对荧光陶瓷片性能的影响实验中选取了4种不同的Al2O3–YAG复合荧光陶瓷片，编号为S1～S4。为了改善YAG∶Ce的辐射光谱使之能输出白光，其中两种荧光陶瓷中掺入了Gd。4种荧光陶瓷片的组成成分如表2所示。S1和S2的组分中不含Gd，且Ce浓度比较接近，但S1的Al2O3含量比S2高一倍；S3和S4的组分中掺入了Gd，其中S3的Gd含量较低，Al2O3含量最高，而S4的Gd含量较高，Al2O3 含量比S3低。
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表 2 S1～S4的组成成分表 Table 2 List of components of S1−S4 |
图4是S1～S4 4种荧光陶瓷片表面抛光后的SEM照片，可以看到所有样品中都包含了大量的Al2O3颗粒（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含量相当，这与实验设计的组分基本一致。
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图 4 S1～S4表面抛光后的SEM照片 Figure 4 SEM photos of S1−S4 surface after polishing |
在自制的系统中测量了4种荧光陶瓷片的热淬灭特性，自制测试系统的光学结构参见图5（a）。首先制作一个铜制的加热台，里面嵌有一个微型陶瓷加热片可以对铜块进行加热，铜块上粘有热电偶用来实时测量其表面温度。然后将尺寸为4 mm×4 mm的镜面铝板（Alanod 4200AG）嵌入铜块，如图5（b）所示。测量时将待测荧光陶瓷片样品切成4 mm×4 mm的小片，然后放置到镜面铝板上，通过加热平台对其进行加热并利用热电偶测量其温度（热电偶所测的铜块表面的温度视为荧光陶瓷片的温度）。从蓝光LD输出的激光，经过透镜聚焦后垂直照射到待测样品中心。为了收集从荧光片出射的光，采用RC激光模组中相同的抛物面反光杯进行光收集，反光杯的焦点正好位于待测样品的中心，因此，从荧光片样品出射的光经过抛物面反光杯反射后将形成准直的平行光出射，最后利用积分球和光谱仪对输出光进行测量。
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图 5 自制热淬灭特性测试系统示意图 Figure 5 Schematic diagram of self-made test system for thermal emission characteristics |
测量时蓝光LD的电流设定为0.5 A，此时输出的激光功率非常低，可以排除荧光陶瓷片自身发热的影响[13]。图6（a）是测得的4种荧光片样品的热淬灭特性曲线，从结果可知，在热淬灭性能上，S1>S2>S3>S4。这是由于：在YAG∶Ce荧光陶瓷中，Ce的浓度越低其热稳定性能越好，S1中Ce的浓度最低，所以热淬灭性能最好；掺Gd会导致YAG∶Ce荧光陶瓷的热淬灭性能变差，且Gd的含量越高越严重，因此S4的抗热淬灭性能最差。图6（b）是4种样品输出光的色温（CCT）随温度的变化曲线，对比发现，随着温度升高，S1和S2的CCT基本维持不变，而S3和S4则出现了明显的升高，且S4的变化更为明显，这表明在YAG∶Ce荧光陶瓷中CCT的变化主要受Gd的影响。
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图 6 4种荧光陶瓷片的输出光效率与色温随温度变化特性曲线 Figure 6 Output light efficiency and color temperature curves of four fluorescent ceramic sheets with temperature variation |
4种荧光陶瓷片被切割成1 mm×1 mm的小片，并封装成pc-WLED。LED芯片采用欧司朗ODB4047 UX3芯片，LED基板采用3 mm×3 mm的氮化铝陶瓷基板，并采用了热电分离设计。图7（a）是将LED芯片固晶在陶瓷基板上的照片，图7（b）所示为封装好的LED照片，荧光陶瓷片四周被封上了白墙胶。
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图 7 封装后的荧光陶瓷片实物图 Figure 7 Photo of fluorescent ceramic sheet after packaging |
在实验中先测量4种LED的光通量和光谱数据。表3是4种LED在电流1 A时的光学参数。从测量结果可知，4种LED都具有较高的效率，且在电光转化效率上S1>S2>S3>S4，最高的S1达到了129.8 lm/W，最低的S4也有97 lm/W。由于S1和S2的输出光是黄绿光，在光通量上占优势，而S3和S4的输出光是白光，光通量略低，所以只能将S1和S2进行对比，将S3和S4进行对比。S2的光效低于S1的原因在于：S2相对S1的Ce浓度更高一些，导致其荧光转化效率降低。但S3的光效高于S4的主要原因在于S3吸收的蓝光更多，所以发射的黄光多，如果对比输出光功率可发现两者是接近的。
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表 3 S1～S4在电流1 A时的光学参数 Table 3 Optical parameters of S1-S4 with 1 A current |
图8是4种LED样品在电流1 A时输出的光谱曲线。对比光谱曲线可知它们输出的蓝光强度不一样，S2<S1<S3<S4。强度越高说明透过的蓝光越多，那么被荧光片吸收的蓝光就越少。对于纯YAG∶Ce荧光陶瓷而言，由于其在波长450 nm附近具有很强的吸收系数，因此当它封成白光LED后很难透射出足够的蓝光，所以S1和S2都只能输出黄绿光（蓝光成分不足）。对比S1和S2可知，由于S1中Al2O3的含量比S2高，这相当于稀释了荧光片中YAG∶Ce的浓度，使得其对蓝光的吸收降低，所以S1透过的蓝光比S2多。尽管如此，从S1透射的蓝光比例也远不够合成白光，如果进一步增加S1中Al2O3的含量，蓝光的增加也非常有限，而且还会因为Al2O3含量太高而导致表面光斑出现蓝色斑点（Al2O3在荧光陶瓷中形成了蓝光透射的通道）。要想合成白光输出，必须降低YAG∶Ce荧光陶瓷对蓝光的吸收系数，一种行之有效的手段就是向YAG∶Ce中掺入Gd，也就是样品中的S3和S4。
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图 8 S1～S4在电流1 A时的光谱 Figure 8 Spectra of S1-S4 with 1 A current |
从图8的光谱曲线不难发现，掺Gd可以有效降低YAG∶Ce荧光陶瓷对蓝光的吸收系数，使透射蓝光的比例大大增加。且Gd的含量越高，透射的蓝光比例也越高。对比S3和S4，由于S4的Gd含量更高，所以S4输出的蓝光也更多。
由于光通量会随着电流的变化而变化，我们分别在25 ℃和85 ℃环境温度下测量了4种LED的光通量随电流变化的曲线，测量结果见图9。当LED电流从0.5 A逐渐增加到3 A时，在25℃环境温度下，4种LED输出的光通量都随着电流的增加而增加，并没有出现发光饱和现象；但在85 ℃环境下，S4出现了明显的发光饱和，其最大光通量出现在电流为2.5 A时，之后随着电流增加输出光通量反而降低，这是由于S4荧光陶瓷的抗热淬灭性能最差，出现了热饱和。在25 ℃环境下，当电流为3 A时，S1～S4可输出的最大光通量分别为900 lm，850 lm，700 lm，620 lm。
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图 9 四种LED在不同电流下的光通量 Figure 9 Light flux of four LEDs under different current |
在实验中，4种LED被装配到RC激光模组中。同时点亮LED和LD，测量其输出光通量与电流的关系。每次测量时，先给LED一个恒定的驱动电流，然后逐渐增大LD的电流直至输出光通量饱和或者达到电流上限为止（在室温25 ℃环境下，以脉冲电流进行测量）。对于每种LED，依次测量LED电流为0 A，1 A，1.5 A，2 A和2.5 A时的5组数据，并将每组数据描绘成一条曲线，最终得到了4种LED的输出光通量随LD电流变化的曲线（见图10）。
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图 10 在不同LED偏置电流下，S1~S4的光通量随LD电流变化的曲线 Figure 10 The variation of light flux of S1-S4 with LD current under different LED bias current |
从图10中的结果可发现，每种LED可输出的最大光通量大致上是恒定的，S1～S4分别为
在LD和LED同时激发下，S1输出的最大光通量从900 lm提升到
对比S2和S3可知，虽然S2的热淬灭性能要优于S3，且单独点亮LED时，S2输出的光通量也远高于S3，但在LD和LED的同时激发下，S2陶瓷片的表现却不如S3稳定，可能由于S3中的氧化铝含量最高，其热导率最好，因此最不容易发生饱和。
对比S1和S3可知，虽然S3荧光陶瓷的热淬灭性能比S1差，但是当LED偏置电流分别为1 A，1.5 A，2 A，2.5 A时，S3都可以承受更高功率的激光激发（更不容易饱和，尽管S3输出的最大光通量略低于S1），这也是由于S3中的氧化铝含量高，热导率好。综合S3的表现说明，在LD激发pc-WLED的技术方案中，荧光陶瓷片的热导率是非常重要的考量因素。
为了对比4种荧光片在LD和LED激发下的效率，实验中将LED的电流设定为1 A，LD的电流也设定为1 A，然后依次测量4种样品在LD单独点亮、LED单独点亮以及LD和LED一起点亮时输出的光通量。当驱动电流为1 A时，LD的电压为3.7 V，LED的电压为3 V，据此可计算两者消耗的电功率，进而计算出不同状态下的电光转化效率。计算结果如表4、5、6所示。根据输出光通量/电功率计算出的光效，还包含了RC激光模组的光收集效率。
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表 4 LD单独点亮（@1 A）的光学参数 Table 4 Optical parameters for excitation of LD only（@1 A） |
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表 5 LED单独点亮（@1 A）的光学参数 Table 5 Optical parameters for excitation of LED only（@1 A） |
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表 6 LED和LD一起点亮（@1 A）的光学参数 Table 6 Optical parameters for excitation of both LED and LD（@1 A） |
从表4～6中的结果可知，4种荧光陶瓷片在LED和LD激发时都具有不错的转换效率；当LED和LD一起点亮时，其输出光通量基本等于两者单独点亮时的光通量之和。在电流为1 A时，LD激发荧光陶瓷片的光效要远低于LED，大约只有LED的62%～70%（不同的荧光陶瓷片降低的幅度不一样）。这是因为当电流较小时（1 A），蓝光LED芯片的电光转化效率要远高于蓝光LD。但随着电流增大，蓝光LED的效率会逐渐降低，而LD的光效还会升高，因此两者的差距会逐渐缩小甚至出现LD的光效超越LED的情况。
图11显示了S3样品在LED和LD单独点亮时，两者的光效随电流变化的曲线。从图中可以发现当电流超过2.6 A后，LD的光效开始超过LED。因此，使用蓝光LD辅助激发pc -WLED，不仅可以进一步提升白光LED的光源亮度，而且可以减小LED效率骤降的影响。
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图 11 LED和LD的光效随电流变化的曲线（S3样品） Figure 11 Light efficiency of LED and LD as a function of current （S3 sample） |
图12显示了S1～S44种样品在RC激光模组中投射出的光斑图像（从左到右分别对应单独点亮LD，单独点亮LED，以及LD和LED一起点亮时的图像，LD和LED的电流都设定为1 A）。从照片可以发现，当LD单独点亮时，S1～S44种样品都只能输出黄绿色光，且颜色逐渐由黄绿色变为黄色，光斑中心会有明显的亮心。这是由于当LD输出的激光聚焦到荧光陶瓷片上时只作用于荧光陶瓷片的中心区域，因此呈现出中心亮边缘暗的光斑分布，这对光源中心亮度的提升明显。当LED单独点亮时，整个光斑亮度分布比较均匀。当LED和LD一起点亮时，通过两者光斑的叠加，既可以对LD输出的光斑实现均匀化，同时又能保持较高的中心亮度，适合于远距离照明，例如采用该方案的汽车前照灯。
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图 12 4种样品在RC激光模组中投射出的光斑照片 Figure 12 Photos of light spots cast by four samples in RC laser module |
此外，虽然LD激发荧光陶瓷片只能输出黄绿色光，但是通过与LED输出光的叠加，也可以获得理想的白光输出（参见S3、S4的照片），这种白光成分中，蓝光主要来自于LED芯片，而激光成分很少，也增加了照明的安全性。
综合对比4种样品，虽然荧光陶瓷片S1具有最高的转换效率，但由于S1的输出光并非白光，而S3不仅输出白光，且在LD辅助激发下具有出色的热稳定性能，因此更适合用于照明。
3 结 论通过实验测量可以发现，如果以漫反射板为基准，那么蓝光LED芯片作为反射基板带来的光效损失与镜面铝板的结果非常接近，这表明GaN基蓝光LED芯片是非常理想的反射基板。
在pc-WLED中，荧光材料产生的热量主要依靠LED芯片向下传导，由于GaN基LED芯片工作的最高结温可达到150 ℃，因此要求荧光材料的工作温度高于150 ℃，这对荧光材料的热导率和热淬灭性能都有很高的要求。
当荧光陶瓷掺杂Ce的浓度低，热淬灭性能好，而荧光陶瓷片掺Gd会导致YAG∶Ce荧光陶瓷的热淬灭性能变差，且Gd的含量越高越严重。
4种荧光陶瓷片在LED和LD激发时都具有不错的转换效率，当LED和LD一起点亮时，其输出光通量基本等于两者单独点亮时的光通量之和。最适用于照明的荧光陶瓷为4xAl2O3+（Ce0.01Y0.93Gd0.06）3Al5O12，原因在于氧化铝含量高，热导率好，且该荧光陶瓷可通过使用蓝光LD辅助激发pc-WLED，不仅可以进一步提升白光LED的光源亮度，而且可以减小LED效率骤降的影响。
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