[发明专利]适用于特种照明的LED微腔结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种LED的微腔结构，尤其是适用于特种照明的LED非共振微腔结构。

背景技术

现有固态发光的白光发光二极管(LED)技术主要是基于使用高量子效率(η≥60％)蓝光InGaN量子阱结构，通过荧光材料的下转换，使蓝光降级辐射到红色和绿色，从而三色混合产生白光。然而，采用荧光转换设计的白光LED尚存在很多性能上的限制。首先，多步骤的颜色下转换实现方式存在着固有的效率限制：InGaN量子阱LED产生的高能量蓝光光子必须首先被荧光粉吸收，然后经由杂质离子中心辅助传递，一对一的转换为低能量波长的光子。在这个过程中，荧光粉材料中光子的部分能量会转换为晶格振动(产生热)，使白光LED的极限量子效率受到限制(≤65％)。其次，每种单独的荧光粉具有不同的化学组分，很难控制颗粒的尺寸、混合和蒸镀，导致光颜色的不稳定变化，此外，不同化学组分的荧光粉具有不同的老化行为，经常会引起器件性能的不稳定，而缩短其工作寿命。综上，采用荧光转换设计的白光LED由于存在上述限制而无法应用在很多特殊的应用领域，如航空航天舱内照明、人体介入医疗特种照明、现代农业补光和诱捕照明等特种照明。

最近半导体纳米晶量子点(QDs)被应用于白光LED技术中。作为一个新的荧光材料族，半导体纳米晶具有出众的优越特性。由于强量子限制，诸如CdSe/(Zn，Cd)S QDs的半导体量子点具有窄激子吸收，极高荧光效率(大约90-95％)，以及可通过尺寸调节使辐射范围覆盖全可见光波段等优异特性。因此，相同化学成分、不同尺寸的量子点可以在白光LED中提供多光谱成分，改善颜色质量和老化性能。量子点荧光粉可通过非接触的方式将电子-空穴对间接注入到量子点中，非辐射能量来自一个最近的InGaN量子阱(QW)。这在本质上不同于先前描述的多步“下转换”设计，取消了一些中间颜色的转换步骤，提升了发光效能。

研究结果表明，量子点LED比常规采用荧光转换设计的LED优势明显：首先，量子点LED照明效率高，量子点-荧光粉和InGaN发光器间非辐射能量的转化率高于普通LED中空穴电子对的重组比率，使其具有低损耗特性。除了能量转移效率，量子点在红、黄、绿波长的高量子产率可使荧光物质充分释放而提高输出效率。其次，量子点LED电致发光(EL)装置由薄膜状的量子点制成，能够展示出高亮度和窄带发射性能。尤其是单分散纳米晶量子点能够提供带宽非常窄的窄带发射，峰值半高宽(fwhm)可降低到8-30nm，其色度更饱和。再次，量子点LED尺寸对光谱发射具有可调性，光学特性可通过调整纳米晶尺寸实现，而不依赖于化学成分的改变。因此，在同一器件上可通过采用不同尺寸的纳米晶实现多波长发射和宽谱发射，发射波长可涵盖整个可见(0.4μm-0.8μm)和近红外光区(0.8μm-2.5μm)。最后，量子点LED具有更良好的光化学性能和热性能稳定性。

由于量子点LED在电致发光(EL)中展示出的特点和优势，使其完全能够胜任前述采用荧光转换设计的LED不能胜任的特殊应用领域。然而量子点LED目前也存在着问题。首先，由于很难控制量子点-量子阱非辐射能量转化，基于白光LED的量子点荧光粉的效率远远低于理论预期的改进(大约53％)。其次，为了获得预期的颜色特性的输出光，LED中多种颜色量子点之间性能的失配对于多色量子点发光颜色的平衡是一个障碍。而明亮的、色度饱和的蓝色电致发光成分的缺乏，严重影响了量子点LED技术的发展。

GaN量子阱的辐射寿命可用于控制InGaN量子阱和CdSe/(Zn，Cd)S量子点间的直接能量转换。众所周知，直接半导体中的辐射电子空穴重组寿命τT受自发辐射过程决定，可以通过费米(Fermi)的黄金准则描述为：

τ_T∝|<m>|^-2δ_(v)^-1

其中<m>是光学过渡的矩阵元素，δ(v)是光子状态密度其为频率V的函数。光学过渡矩阵元素是这个结构的内在特性，由辐射介质(QW)的尺寸和成份决定，当光子状态密度作为波长和方向的函数时，可以通过纳入共振微腔中的辐射介质得以改变，从而最终改变辐射重组寿命。采用以上公式的计算表明，当τ_T延长到0.25ns到1.5ns的时候，QD-QW的能量转移效率能够提高50％，进而推进LED装置中QD的颜色转换效率。