应用渐变折射率材料提高led出光效率

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1、应用渐变折射率材料提高LED出光效率2013级硕士李玉磊专业材料物理与化学指导老师陈小源2014年12月摘要在GaN-basedLED中，由于GaN材料在可见光范围内的折射率（n@2.5)与空气（n=1)相差很大，在多量子阱中产生的光有相当一部分会被限制在器件中，不能够耦合出去，从而抑制了LED出光效率的提高。针对这个问题，我们通过选择不同的光学材料，采用掠入射角共蒸镀的方法，实现对介质材料有效折射率的渐进改变，从而制作出新型的渐变折射率材料（GradedRefractiveIndexMaterial）。最低的有效折射率可

2、接近1。采用该种材料与GaN形成渐变折射率结构，能够极大程度的将光耦合出去，大大提高LED的出光效率。与此同时，通过对该材料进行图像化设计，还可以优化LED的出光分布。另外，通过采用该种材料还可构建高性能分布式布拉格反射镜（DBR）。由于两种材料的折射率差相差很大，所形成的DBR具有更大的入射角和高反高透特性，可以进一步应用在白光LED中。在蓝光LED和黄光荧光粉中间，通过精确的光学设计，加入一层蓝光高透，黄光高反的DBR结构，能够降低LED芯片对黄光的吸收，增加黄光的输出，从而提高白光LED效率和色温。预计通过采用渐变折

3、射率材料，可以将LED的相对出光效率提升50%以上。1.选题背景及意义1.1白光LED（White-lightEmittingDiode,WLED）的发展目前有报导的实现LED白光的方法有：（1）多芯片WLED。将红、绿、蓝三色LED功率型芯片集成封装在单个器件之内，调节三基色的配比，可以获得各种颜色的光，通过调整三色LED芯片的工作电流可产生宽谱带白光。其缺点是，由于三种颜色的LED量子效率不同，而且随着温度和驱动电流的变化不一致，随时间的衰减速度也各不相同，红、绿、蓝LED的衰减速率依次上升。（2）单芯片InGaNWL

4、ED。采用高亮度的近紫外LED（nearUV，400nm[1])泵浦Red、Green、Blue三色荧光粉，产生红、绿、蓝三基色，通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光；另外一种以GaN基蓝光LED为泵浦源，泵浦黄光荧光粉，由蓝光和黄光混合形成白光。目前该技术因为工艺简单，成本低，成为WLED的主流。（3）多量子阱型，是在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质以制造结构不同的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合直接发出白光。（4）半导体纳米晶（SemiconductorNanocrystals）/量子点（QuantumD

5、ots）WLED：众所周知，半导体纳米晶发光具有窄波长，高量子效率的优点，并且其表面极易被各种形状的无机或者有机的分子功能化，因此半导体纳米晶WLED也是当下的研究热点之一[2]。（5）基于ZnSe的WLED。原理是混和ZnSe有源层发出的蓝光和ZnSe衬底发出的黄光生成白光。发光效率低，寿命比InGaNWLED短好多，现在几乎不用了。1.2WLED的优点白光LED有一系列之优点，具有发热量低、寿命长、省电、反应速度快、环保无水银、体积小可平面封装，易开发成轻薄短小产品等。如果将白炽灯替换成LED电灯，可以实现CO2减排9

6、0%[3]，这是最简单且有效的节能减排技术。1.3各国制定的WLED发展计划（1）1998年日本拟定一项“21世纪光计划”，核心在于高质量材料的生长，高功率管芯的制备以及高效率白光荧光粉的获得，计划解决的问题包括：a.GaN基化合物半导体发光机理研究；b.UVLEDs的外延生长方法的改进；c.大尺寸同质衬底生长；d.开发近紫外激发的白光荧光粉，实现使用白光LED的照明光源，预期目标2010年达到120lm/W（2）美国能源部设立了“固态照明国家研究项目”(NationalResearchProgramonSolidStat

7、eLighting)，计划到2020年实现白光LED光效2001m/W，光通量15001m的目标。（3）欧共体设立了“彩虹”计划(RainbowprojectAIlnGaNformulticolorsources）（4）2003年6月，我国正式设立了“国家半导体照明工程项目”的国家级计划。该计划由科技部牵头，国家发展和改革委员会、信息产业部等参与，对氮化镓基蓝、绿光LED的研究和产业化，都给予了大力支持。2011年，我国发布《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，按照国家规划，2014年10月1日起禁止进口和销售60瓦及以上普通照明

8、白炽灯；2016年10月1日起禁止进口和销售15瓦及以上普通照明白炽灯。白炽灯被淘汰，留下的市场空间为LED照明带来了巨大的发展潜力。2014年11月，国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》（以下简称“计划”），明确了优化能源结构、推进能源科技创新为我国能源发展的战略任务，特别