基于高导热透明陶瓷的激光二极管LD器件封装与光电特性研究

毕 业 论 文院系名称 机械工程系 论文题目 基于高导热透明陶瓷的激光二极管 LD 器件封装与光电特性研究 目录中文摘要: .1英文摘要: .21 文献综述 .31.1 LED 与 LD 简介 .31.2 LED 封装技术与产生白光原理 .61.3 激光二极管 LD 的研究进展 .71.4 白光 LED 荧光材料 .111.5 LD 荧光转换材料与透明陶瓷材料 .121.6 YAG 透明陶瓷概论 .161.7 Y2O3-AL2O3 的二元系统相图 .181.8 本课题研究的目的及意义 .192 实验部分 .212.1 实验材料 .212.2 实验器材 .222.3 研究过程 .233 结果与讨论 .243.1 YAG：CE 的光致发光性能 .243.2 YAG：CE 的吸收性能 .253.3 LD 发射光谱与光电参数 .273.4 白光 LD 器件的光学性能 .283.5 白光 LD 器件的色度 .333.6 白光 LD 器件的电学性能 .354 研究结论与展望 .364.1 主要工作 .364.2 有待进一步开展的工作 .37致谢 .38参考文献 .391基于高导热透明陶瓷的激光二极管 LD 器件封装与光电特性研究摘要:激光二极管(LD)是继发光二极管（LED ）之后的下一代半导体照明与显示器件。它具有效率高、体积小、质量轻、代价低、连续输出波长范围宽和光脉冲输出高等优点。但是因为它方向性比较强，所以其照射出的光是一个亮度极高的光斑。为了探索 LD 未来的应用技术。本文采用具有高导热的YAG：Ce 透明陶瓷作为白光配光材料，研究了利用 450nm 蓝色激光激发YAG：Ce 黄色透明陶瓷产生白光的可能。研究结果表明：在发光性能方面随着 Ce 浓度的提高，白光区域占光的总强度的百分比逐步提高；在显示指数方面，随着 Ce 浓度的降低，显色指数在逐渐升高；在色品图方面，随着Ce 浓度的上升，色坐标在逐步的向黄色的光方向移动，其中 0.1 at.%的Ce:YAG 透明陶瓷最接近理想白点；在透射率方面，随着掺杂 Ce 浓度的提高，透射率在逐步下降；在光致发光光谱(PL)方面，Ce:YAG 陶瓷中 Ce3+的最佳替代浓度为 x =0.30.5 at.；在光效方面，随着 Ce 浓度的降低，光效在逐步的升高。关键词：Ce:YAG；透明陶瓷；激光二极管；光学性能；电学性能；2Abstract: The laser diode (LD) is the next generation of semiconductor lighting and display devices following the light emitting diode (LED). Laser diodes have the advantages of high efficiency, small size, and light weight small size and light weight, low price, continuous output wavelength range and high optical pulse output. But because of its relatively strong direction, so the light is a light of a very high brightness spot. In order to explore the future application of LD technology. In this paper, YAG: Ce transparent ceramics with high thermal conductivity as white light distribution material was used to study the possibility of generating white light by stimulating YAG: Ce yellow transparent ceramics with 450nm blue laser. Research indicates:With the increase of Ce concentration, the white light area gradually increases the percentage of the total intensity of light; In the display index, with the decrease of Ce concentration, the color rendering index gradually increased; In the aspect of chromaticity diagram, as the increase of Ce concentration, the color coordinates move in the direction of yellow light gradually, of which 0.1 at.% Ce: YAG transparent ceramics is close to the ideal white point; In terms of transmittance, the transmittance decreases with the increase of doped Ce concentration. In the photoluminescence spectrum (PL), the best alternative concentration of Ce3+ in Ce: YAG ceramics is x = 0.3 0.5; In terms of luminous efficiency, as the Ce concentration decreases, the luminous efficiency increases step by step.Key words: Ce: YAG；transparent ceramics；laser diode；optical properties；electrical properties；31 文献综述1.1 LED 与 LD 简介1.1.1 发光二极管 LED 简介发光二极管通常也被人们称作 LED。是含着镓、磷、氮、砷等元素的化合物制备而成的。其结构如图 1.1 所示，英文名是 Light emitting diode，这种发光器件是以半导体为工作介质的。LED 的发光原理为半导体中的电子和空穴来产生复合，从而发出光子。和利用灯丝发光的照明器件相对比，LED 发光没有发热和容易烧毁的缺点。由于 LED 发光波长由发光材料的能隙决定，因此可以涵盖从紫外到红外的波长范围。因为 LED 无汞环保、节能省电、寿命长、体积小、驱动电压低、响应速度快、抗震性能好等优点，LED 被称为第四代照明光源或者是绿色光源。因为LED 的各种优点， LED 已经被广泛应用于各种显示、背光源、普通照明、汽车照明和环境装饰等方面，尤其是在节能环保领域，LED 的应用越来越受到重视 1。图 1.1 发光二极管的结构 2LED 的发光原理： LED 可以直接把电能转变成光能。LED 的核心部位是一个以半导体材质的晶片，晶片的一边粘附在支架上，这是 LED 的负极，另一边黏结在电源的正极上，然后晶片的整体被环氧树脂包装封好。LED 中的晶片由两个部件组成，其一是 P 型的半导体材料，在该材料中空穴占主体地位，另一个是 N 型的半导体材料，在该材料中电子占据主体地位。当这两种半导体材料连接起来的时候，4它们之间就形成一个“P-N 结”。这时候电流通过导线并作用到这个晶片材料的时候，电子就会被从 N 区推向 P 区，在 P 区内部电子跟空穴进行复合，这个时候就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 的工作原理。而光的波长决定光的颜色，所以光的颜色是由 P-N 结的材料决定的 3。但是，LED 有很多的缺陷，大多数 LED 灯中包含有锑、砷、铅或其他的多种有毒的金属元素。其中，部分 LED 灯的有毒元素含量已经远远超过了有关部门制定的相关标准； 因为 LED 的单个发光面比较窄，因此通常情况下，大规模会集成在线路板上，这样就形成一个比较大的发光源，这样就产生了大量的热量，而散热不太好，有时会击穿电路板。这些问题的出现为激光二极管的发展奠定了一定的基础。1.1.2 激光二极管 LD 简介半导体激光器又被称作激光二极管如图 1.2，是激光器的一种。其实质是使用半导体制成的二极管。图 1.2 激光二极管激光的发生须要同时满足粒子数反转、阈值和谐振三个条件 4。如图 1.3，首先，粒子数反转是指在半导体中电子从价带激发到导带。为了获取粒子数反转，通常应5用的 PN 结是由重掺杂的 P 型和 N 型材料所制备的。在外加电压的作用下，在 PN结区范围内就形成了粒子数反转，在高费米能级以下的导带中储存着电子，而在低费米能级以上的价带中储存着空穴。其次，激光的形成还需要消耗极小的谐振腔，谐振腔整体的组成部分是两个相互平行的反射镜，在两个反射镜之间，激活物质所发出的受激辐射的光来回反射同时不停的引发新的受激辐射，从而使受激辐射不断被增大。当受激辐射增加的增益结果大于激光器内的各种损耗时，也就是满足了相对应的阈值条件:P1P2exp(2G - 2A) 1(P1、P 2 是两个反射镜的反射率， exp 为常数，G 是激活介质的增益系数，A 是介质的损耗系数)接着形成了稳定的激光。最终，激光在谐振腔内进行反复地反射，当这些光束在输出端的相位差的值恰好为 =2q q=1、2、3、4 时，才能在输出端发生增强的干涉光源，从而最终输出稳定的激光。图 1.3 激光二极管示意图 5激光二极管的发展大概经过了以下几个历史性的阶段：激光二极管的研制得益于上世纪 60 年代发现的激光，由于激光的一系列优异的性能，它的出现引起了科学家们的强烈关注；在 1962 年，科学家秋第一次在 77K 下完美的研制出具有工作脉冲的受激发射的同质结 GaAs 激光二极管；随后在两年的时间内，将激光二极管的工作温度逐步升高，直到提高到了室温；在 1969 年，科学家制作出了在室温下6脉冲工作的单异质结激光二极管；在 1970 年，科学家制成了在室温下非间断工作的 Ga1-xAlxAs/GaAs 双异质结(DH)激光二极管。随后，激光二极管加速了发展的步伐。在 1975 年，科学家们将 Ga1-xAlxAs/GaAsDH 激光二极管的使用时间提升到了105 小时以上。与此同时，以 In1-xGaxAs1-yPy/InP 为激光材料的长波长 DH 激光二极管也取得了很大的发展 6。激光二极管的工作原理如下：晶体二极管本质是一个 PN 结，其是由一个 p 型半导体和一个 n 型半导体相接触而成的，耗尽区是在 p-n 结的界面两侧发生，从而形成自建电场。当外界不施加电压时， p-n 结处于电平衡状态，即 p-n 结界面两侧的载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等；当外界施加一个正向电压时，外界电场增强而自建电场维持不变，这样载流子的扩散电流增长，从而引起了正向电流；当外界施加一个反向电压时，外界电场和自建电场进一步增强，从而形成了反向饱和电流 I0，I 0 在相应的反向电压范围内和反向偏置电压值是没有关联的；当外界施加的反向电压高到一定程度时，p-n 结的耗尽区中的电场强度达到了临界值，这时就发生了二极管的击穿现象。此时载流子倍增，形成了数量庞大的电子空穴对，造成数值很大的反向击穿电流，二极管被击穿 7。1.2 LED 封装技术与产生白光原理LED 的封装主要可以分为引脚式封装、表面贴片式封装、功率型封装、COB型封装等封装方式，不同封装对应不同效果，但是目的都是为了很好地保护 LED。引脚式封装是利用引脚架作为各种封装外型的的引脚，是最先研制并成功的封装结构，其技术成熟度高，品种全，数量多，也是最早投入市场使用的产品之一，其封装的内结构和反射层也一直都在改善。LED 灯在工作时会产生热量，此时负极的引脚架就起着散热的作用，90%的热量都是通过它散发到 PCB 板，然后再进一步散发到空气中，实现 LED 的降温。陶瓷做的底座，利用环氧树脂封装起来，引脚则可以弯曲成所需的形状，由此形成的 LED 具有很好地工作温度性能。表面贴片式封装出来的 LED 如今也已被市场接纳，从引脚式封装到 SMD 的转型合乎市场的趋势，现已取得一定量的市场份额。最初的 SMD LED 多采纳改良过的带塑料体的 SOT-23型 ，用卷盘式的容器编带进行包装。改良过后，SMD LED 就属于双色或三色发光体系，现已发展成为热点。主要是其解决了可控性、平整性、亮度等一系列的问题，7去除了较重的碳钢引脚架，利用更少的环氧树脂用于填充显示反射层，并采纳更轻的 PCB 板。相比之前的引脚式封装，SMD LED 重量、尺寸减少一半，致使整个产品应用趋于完美，非常适宜户内，而在半户外的全彩显示屏也取得很不错的效果；随着 LED 技术的成熟与发展，LED 的芯片及封装开始向大功率发展。为了产生比5mmLED大 10-20 倍的光通量，就应该通大电流，采用不会劣化的封装材料和有效的散热以解决光衰问题。目前有一种功率型的 LED- Norlux 系列。Norlux 系列功率 LED 是六角形的构造，底座为铝板（绝缘体作用） ，多芯片的组合。发光区在中心部位，铝板做绝缘体的同时也是热沉，经过底座上制造的两个接触点，管芯的键合引线与正、负极相连。依据所需输出光功率的大小来确定底座上排列管芯的数目，然后按照光学设计的形状，使用折射率较高的材料进行包封。这样整个封装就结束了，而且这种由常规管芯的高密度组