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武汉光电国家实验室成功实现暖白光LED

导读: 人类在其进化过程中,适应了太阳可见光谱混合而成的白光,白光照明显得非常重要。到今天,白光照明在经历了第一代白炽灯、第二代荧光灯后,进入了第三代白光LED。白光LED具有的高能效……

  人类在其进化过程中,适应了太阳可见光谱混合而成的白光,白光照明显得非常重要。到今天,白光照明在经历了第一代白炽灯、第二代荧光灯后,进入了第三代白光LED。白光LED具有的高能效(10倍于白炽灯)、环保、应用范围广、寿命长(50倍于白炽灯)等诸多方面的优势使其在全世界范围内推广使用。

  红、绿、蓝三基色III-V族LED的混合可以产生白光,能量损耗小,发光效率高,器件显色指数容易控制和改善。但是,由于各色LED芯片的发光效率、驱动电压以及温度特性等各不相同,导致电路设计和协同控制困难;另外,使用多芯片技术发光的成本较高,不利于商业化。在蓝光或(近)紫外III-V族LED芯片基础上,用黄色荧光粉或红、绿、蓝三种颜色的荧光粉封装得到的白光,其显色指数普遍较高,色温可以得到调整。但是,这种方案过分依赖荧光粉调节,得到的白光LED效率不高。

  ZnO白光LED是一个解决以上问题的研究方向。ZnO是一种宽禁带直接带隙n型半导体材料,具有高的激子束缚能(60meV),在室温(26meV)下,激子能够稳定存在,可以实现室温下的高效的激子受激发而成为新一代的半导体发光材料。由于ZnO的p型掺杂会导致晶体的马德隆能升高,加上ZnO自身存在严重的自补偿效应,使得ZnO的p型掺杂难以实现。目前p型ZnO的实现仍然是国际普遍公认的难题,也是目前国内外研究的重点与热点。

  武汉光电国家实验室高义华教授近年来一直致力于基于ZnO一维纳米材料的光电器件研究。他带领硕士生任小亮,博士生张翔晖,联合苏俊博士、李露颖副教授,刘逆霜副教授和国家脉冲强磁场中心的韩俊波副教授等人,通过简单的化学气相沉积方法,一步实现了基于高质量的锑(Sb)掺杂p型ZnO纳米线阵列/n型GaN薄膜的白光LED。通过X射线光电子能谱(XPS)分析和元素分布像分析,发现Sb成功掺杂ZnO阵列。室温PL光谱显示了Sb元素掺杂前后带边能级变化,低温PL(4.65K)光谱分析发现Sb元素掺杂在ZnO能带中形成稳定的受主能级与深能级,进一步的IV测试表明p型ZnO阵列成功实现。

  基于p-ZnO/n-GaN的一步白光LED,在8.0-15.5V工作电压下色温稳定在3500K左右,相比于一般白光LED的实现方法简单易操作,且所发白光为适于家居照明的暖白光。该工作为白光LED的发展带来新思路和物质载体。2015年2月25日,Adv.Funct.Mater.(IF:10.439,Vol.25,2182-2188(2015))发表了其研究成果“基于锑掺杂氧化锌纳米阵列一步实现暖白光LED的研究”(WhiteLight-EmittingDiodeFromSb-Dopedp-ZnONanowireArrays/n-GaNFilm)。

  该研究工作得到了国家“973计划”(2011CB933300)、国家自然科学基金(11374110,11074082,11204093,51371085,11304106)等项目的资助。

  图1(a)LED的IV曲线图(b)电压变化的EL光谱图(c)EL典型峰值的强度变化图(d)p-ZnO/n-GaN的能级示意图(e)14V电压的EL分峰图(f)不同电压下LED器件发光的光学照片(g)14VEL谱的CIE色谱图(h)色温变化图。

  该研究工作是高义华课题组2014年在杂志Laser&PhotonicsRev.(2014,Vol.8,No.3,429-435)上发表研究的拓展与深化[2]。如图2所示,该工作[2]研究了掺杂Ga的ZnO阵列的发光性质,实现电致发光峰从紫外的382nm到480nm的可见光区域的大范围调节。它拓宽了他人的40nm的红移范围,为ZnO能带工程研究和光电子器件发展迈出了重要一步。

  图2(I)GaxZn1-xO纳米线阵列的SEM图,(a-f)对应于镓掺杂浓度逐渐增加(0

  [1]X.L.Ren,X.H.Zhang,N.S.Liu,L.Wen,L.W.Ding,Z.W.Ma,J.Su,L.Y.Li,J.B.Han&Y.H.Gao*.WhiteLight-EmittingDiodeFromSb-Dopedp-ZnONanowireArrays/n-GaNFilm.Adv.Funct.Mater.25,2182-2188(2015).

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