基于Ce3+∶YAG透明陶瓷的大功率LED和LD照明原型器件的發光性能：厚度和表面粗糙度的影響

鄭哲涵， 張 翔， 徐小科， 劉 茜*， 石 云*，李 茹， 王 歡， 王 飛， 劉光輝

(1. 中國科學院上海硅酸鹽研究所 高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室，上海 200050；2. 福州大學 材料科學與工程學院， 福建 福州 350116； 3. 中國科學院大學 材料科學與光電研究工程中心， 北京 100049；4. 常州星宇車燈股份有限公司， 江蘇 常州 213022； 5. 上海激光技術研究所， 上海 200233)

1 引 言

近年來，基于大功率發光二極管(Light-emitting diode，LED)和激光二極管(Laser diode，LD)的白光照明受到了國內外廣泛的關注[1-6]。普通LED的工作電流一般為20 mA，功率為0.05 W，而大功率LED工作電流達幾百毫安，功率可達幾瓦，甚至數十瓦。而LD除具有超高亮度、緊湊性及易于聚焦等優點之外，其受激輻射不存在“效率驟降”問題[7]，能夠在高電流功率密度下實現遠高于LED的功率效率。因此，大功率LED和LD的白光照明器件在機場、汽車、航空、高鐵和深海水下等高功率密度照明領域顯示出廣闊的應用前景。以汽車前照燈為例，單個LD元件長度(約10m)僅為常規LED的1/100，能耗不及LED的60%，因此，激光前照燈被認為是未來汽車大燈的主流[8-9]。LD照明還可應用于激光顯示和可見光通信等領域[10]。

由于大功率照明具有上述特點，對燈具熱管理所涉及的熒光材料的熱導率、光效和熒光熱穩定性都提出了更高要求。普通LED的發光部件采用“熒光粉+有機樹脂”封裝方案，易在高溫下出現發光效率降低、光色偏移及樹脂老化等問題。近年來，許多研究聚焦于以玻璃[6,11]、人工晶體[12]和熒光陶瓷[3,13]等塊體材料替代“熒光粉+有機樹脂”的方案。此外，現階段白光激光照明主要應用于有高亮度和遠距離需求的室外照明, 對白光的顯色指數要求不高,采用藍光與黃光復合出射冷白光的配色即可，對紅光補色的要求沒有室內照明高[14]。這使得主發射波長在550 nm的黃光Ce∶YAG作為大功率照明用高效熒光材料的優勢更加突出，成為研究的焦點。Xu等[15]研究表明,Ce∶YAG晶體具有很高的飽和閾值(超過360 W/mm2)，在3.38 W藍色激光器(～100 W/mm2)的激發下，可獲得光效145 lm/W、色溫4 980 K的白光發射。

熒光材料的性能發揮與器件的封裝技術密切相關，在傳統的“熒光粉+有機樹脂”封裝方案中，通常采用改變粉-膠用量比例的形式來調節發光效率。而對塊體熒光材料而言，考慮到器件結構設計和小型化的需求，則需要調節塊體的尺寸，如直徑、厚度等，以實現器件結構匹配，并保證有合適的發光離子體積濃度從而能夠實現對藍光的高效吸收和轉換。Waetzig等[16]研究了不同Ce摻雜濃度的YAG陶瓷及其厚度對光色性能的影響，以藍光LED芯片激發(0.38 W)厚度為0.8 mm的 0.5% Ce3+∶YAG陶瓷，在276 lm的光通量下獲得了76.6 lm/W的光電轉換效率。Liu等[17]使用功率達20 W的藍光LED芯片激發，研究了陶瓷厚度(0.2～1.5 mm厚)對光電性能的影響，結果顯示，厚度為1.5 mm的 0.3% Ce∶YAG透明陶瓷的熒光熱穩定性最高。 Hu等[18]研究了0.1% Ce∶YAG陶瓷的厚度效應(0.25～1.0 mm厚)，在藍光LED芯片(2.7 W)激發下，陶瓷的顯色指數隨厚度增加而降低，厚度為0.25 mm時，顯色指數為73.7。

除材料的厚度效應外，研究還發現，塊體熒光材料的表面狀態與器件的光取出效率有關[19]，也會影響到發光器件的整體性能。Park等[20]在Ce∶LuAG陶瓷表面引入二維光子晶體SiNx，其LED光效提高了1.25倍。Xu和Li等[15,21]通過在陶瓷表面鍍高反膜實現了LD激發下Ce∶YAG和Ce∶LuAG熒光陶瓷光色性能的改進。 此外，熒光陶瓷在燒結完成后一般需要進行機械拋光，主要作用是提高陶瓷表面光潔度與平面度，有利于降低表面散射，提高透光性。以往的研究工作均采用雙面拋光的陶瓷進行光色性能表征[21-23]。但是，Lee等[24]的模擬計算表明，粗糙的表面能夠對LED芯片發射的藍光形成散射，使藍光和黃光的混合效果更好，但尚缺乏實驗驗證。靳亞碩等[25]研究了雙表面未經過拋光處理的Ce∶YAG陶瓷和單晶在大功率LD激發下的光色性能。 研究表明，在高功率密度激光激發下，Ce∶YAG陶瓷和單晶均可產生高亮度白光。 但是由于沒有與拋光樣品進行對比研究，無法判斷粗糙表面對器件發光性能的具體影響。

前期我們研究了摻雜原子百分比為0.1%、0.3%、0.5%和1.0%的 Ce∶YAG陶瓷的LED光電性能[22]，結果表明摻雜濃度0.5%的Ce∶YAG陶瓷綜合性能為優值。 因此，本文選取稀土離子Ce3+摻雜濃度為0.5%的YAG陶瓷，系統研究了大功率藍光LED芯片(3.2 V×0.3 A)和藍光LD光源(0.8 W，1.6 W)激發下，陶瓷厚度和表面粗糙度對Ce∶YAG陶瓷基原型器件發光性能的影響。

2 實 驗

2.1 陶瓷制備

將高純(≥99.99%)氧化物粉體Al2O3、Y2O3和CeO2作為初始原料，按照化學計量比稱量粉體，陶瓷樣品的化學式為Ce0.005∶Y2.995Al5O12(簡稱Ce∶YAG)。加入0.8%的正硅酸乙酯(TEOS)和0.08%的MgO作為復合燒結助劑。使用無水乙醇為球磨介質，在高能球磨機中混料12 h后，將漿料在烘箱中100 ℃充分干燥，然后經200目(75 μm孔徑)過篩，所得粉體干壓成直徑為18 mm的圓片，隨后在250 MPa冷等靜壓5 min得到素坯。將素坯在1 750 ℃真空燒結20 h，獲得Ce∶YAG透明陶瓷。 進一步在1 450 ℃空氣氣氛中退火10 h，消除燒結造成的氧空位和內應力。將獲得的試樣加工至不同厚度(0.3～2.3 mm)，并選取0.4,0.5,0.6,0.7,0.8 mm厚度的Ce∶YAG陶瓷片僅作單面拋光處理，其余陶瓷片均雙面拋光處理，用于測試表征。

2.2 性能表征

采用瓦里安Cary5000紫外可見近紅外分光光度計測試Ce∶YAG陶瓷的光學透過率，陶瓷雙表面被加工成平行的拋光面。采用日本日立公司 F-4600型熒光光譜儀測定Ce∶YAG陶瓷的光致發光特性，激發波長460 nm。另外準備一組Ce∶YAG陶瓷加工成單面拋光后，采用美國布魯克公司Daktak-XT型表面輪廓儀測試Ce∶YAG陶瓷的表面粗糙度Ra。 將單面和雙面拋光的Ce∶YAG陶瓷分別與藍光LED芯片和藍光LD光源組合，采用杭州虹譜公司HSP6000型光譜分析儀，在積分球中通過透射模式測試Ce∶YAG陶瓷基原型器件的光電轉換效率、顯色指數CRI和色溫CCT等光色性能參數。由于陶瓷片在光源尤其在激光光源輻照下存在一定的熱致光衰，因此在等待Ce∶YAG陶瓷發光趨于穩定的情況下進行了多次測試，以獲得重復性較高的結果。

2.3 測試用原型器件的組裝

實際的器件產品所能容納的熒光陶瓷尺寸具有一定的范圍，依賴于入射到陶瓷片上的光斑大小，如果光斑越小，激發熒光后對后面光束準直越有利。

LED原型器件的組裝：將待測Ce∶YAG透明陶瓷(厚度0.3～2.3 mm)用膠水固定在商用藍光LED芯片裸片上(3.2 V×0.3 A)，陶瓷片覆蓋出光區(直徑約4 mm)，以Ce∶YAG陶瓷/LED表示。 藍光波長460 nm。

LD原型器件的組裝：將待測Ce∶YAG透明陶瓷用膠水固定在自制的藍光LD光源(全功率1.6 W；半功率0.8 W)出光孔(直徑約10 mm)平齊的平面上，以Ce∶YAG陶瓷/LD表示。 藍光波長455 nm。

3 結果與討論

圖1給出了Ce∶YAG透明陶瓷的光學透過率和光致發光光譜。 如圖1(a)插圖所示，經真空燒結后的Ce∶YAG陶瓷呈明亮的黃綠色，為透明塊體狀。厚度1.2 mm的Ce∶YAG陶瓷在可見光區的直線透過率可達80%，其在450 nm處的寬帶吸收來源于Ce3+的4f-5d特征吸收[26]。市場上常見藍光LD的發射光譜峰值波長為450 nm附近，譜寬5～10 nm,而藍光LED光譜的峰值波長在470 nm附近，譜寬約100 nm[14]，因此，Ce∶YAG陶瓷與商用藍光LED芯片和LD的波長匹配性良好。 圖1(b)顯示，Ce∶YAG陶瓷經460 nm藍光激發后，在500～600 nm范圍內有一個寬譜發射，主發射峰位于530 nm，這是Ce3+的5d-4f躍遷特征發射。

圖1 Ce∶YAG透明陶瓷(雙面拋光)的透過率(a)(厚度1.2 mm，嵌入圖為Ce∶YAG透明陶瓷的照片)及光致發光光譜(b)(λex=460 nm)。Fig.1 Optical transmittance(a)(1.2 mm in thickness) and photoluminescence spectrum(b)(λex=460 nm) of Ce∶YAG ceramic disk, with a photo of the ceramics inserted in (a).

3.1 陶瓷厚度對器件發光性能的影響

本文首先研究了Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件(輸入功率0.96 W，3.2 V×0.3 A)的發光性能，并將其與LD激發下的性能進行對比。將Ce∶YAG透明陶瓷雙面拋光至不同厚度(0.3～2.3 mm)，并與發射波長為460 nm的藍光LED芯片組合進行光色參數測試。不同厚度Ce∶YAG透明陶瓷片封裝器件的光電轉換效率、顯色指數(CRI)和色溫(CCT)的變化趨勢如圖2(a)、(b)所示，陶瓷片在厚度達到1.8 mm時發光接近飽和。Ce∶YAG陶瓷的主發射峰在530 nm附近，來自Ce3+特征發射(5d-4f能級躍遷)[26]。隨著陶瓷厚度的增加，Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的顯色指數從74.3(0.3 mm厚)降低至48.0(2.3 mm厚)；色溫在陶瓷厚度大于0.9 mm后降速趨緩，色溫保持在4 300 K左右。以上現象可歸因于陶瓷厚度增加對藍光的吸收路徑延長(吸收增加)以及紅光區發射的缺失，導致發光光譜中剩余藍光成分降低，出射光更多集中在黃光范圍，從而色溫和顯色指數都快速下降。如圖2(c)所示，厚度0.3 mm的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件色溫高達100 000 K，這源于較薄的Ce∶YAG陶瓷的藍光吸收路徑短，且薄片中相應的Ce3+總濃度也較低，對藍光的吸收減少，大部分藍光沒有被吸收，從而色溫偏高[25]。顯色指數的改善有待通過補充綠光和紅光成分來實現，相應的色溫也會得到改善[23]。此外，Hu等[18]的工作表明，低濃度摻雜除使Ce3+的特征吸收峰強度降低外，還同時使吸收峰的半高寬變窄，這有利于克服Ce∶YAG陶瓷中的自吸收效應，提高發光效率從而可獲得較高的顯色指數。本文工作也表明，厚度為0.5 mm左右的Ce∶YAG陶瓷組裝的原型器件的顯色指數較高(～75)，可滿足車燈或廣場等遠距離、高亮度照明需求[14]。

圖2 雙面拋光、厚度變化范圍0.3～2.3 mm的不同厚度Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件(3.2 V×0.3 A)的光電轉換效率(a)、顯色指數CRI(b)和色溫CCT(c)的變化曲線。Fig.2 Changing of photoelectric conversion efficiency(a), color rendering index CRI(b), and correlative color temperature CCT(c) of Ce∶YAG ceramics based LED prototype devices(3.2 V×0.3 A) with the thickness(0.3～2.3 mm).

圖3所示為不同厚度Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的CIE色坐標圖，發光顏色沿著近似直線的軌跡由藍光區域向白光區域和黃光區域移動。在陶瓷片厚度為0.5 mm時，色坐標位于白光區域；陶瓷厚度大于0.9 mm后，色坐標隨陶瓷片厚度的增加向黃光區移動，但移動幅度逐漸趨緩。色坐標變化與圖2所示的光電轉換效率、色溫以及顯色指數的上升與下降趨勢相符。

圖3 不同厚度(雙面拋光，厚度0.3～2.3 mm)Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件(3.2 V×0.3 A)的CIE色坐標圖Fig.3 CIE of Ce∶YAG ceramics based LED prototype devices(3.2 V×0.3 A) with thickness increasing(0.3～2.3 mm)

圖4所示為陶瓷厚度1.8 mm和0.5 mm的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件與商用白光LED的光譜功率分布對比，其中商業粉體/LED芯片的流明效率為91.0 lm/W、色溫7 111 K、顯色指數85.1。可以看到，陶瓷厚度1.8 mm的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的藍光比例(圖4(a))相比商業粉體/LED芯片的藍光比例(圖4(c))更低，這主要是由于陶瓷對藍光的吸收更強，較低的藍光比例使Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的色溫相對偏低。 而陶瓷厚度0.5 mm的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件(圖4(b))的藍光比例和商業白光LED芯片(圖4(c))接近，較高比例的藍光穿透陶瓷片與黃光混合，從而使出射光接近白光，色溫升高。

如圖4(c)所示，商業白光LED芯片具有更寬的光譜分布以及橙紅光區更高的相對強度，因此顯色指數相對更高。顯色指數反映了照明器件對物體色彩的還原程度，當其數值接近100(太陽光的顯色指數)時顯色性最好。因此本實驗中的商業白光LED芯片更適合于色彩需要精確或正確判斷的應用場景，如人眼舒適的室內照明等。而大功率LED照明和LD照明目前主要面向大面積、遠距離的照明需求，達到中等顯色性即可滿足應用需求。同時，由圖2綜合考慮光電轉換效率、顯色指數和色溫等參數，我們認為在大功率藍光LED芯片或藍光LD光源激發下，厚度為0.5～1.0 mm范圍的Ce∶YAG陶瓷組成的LED原型器件可實現白光出射，顯色指數約60～70，綜合性能相對較好。

圖4 雙面拋光、陶瓷厚度1.8 mm(a)和0.5 mm(b)的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件與商用粉體白光LED原型器件(c)的光譜功率分布圖。Fig.4 Spectral distribution of Ce∶YAG based LED prototype devices/LED with double face polished ceramic thickness: (a)1.8 mm， (b)0.5 mm， and commercial phosphor white LED prototype devices(c).

3.2 陶瓷表面粗糙度對器件發光性能的影響

Bachmann等[27]認為較低的Ce摻雜濃度有利于降低材料的熱猝滅效應。考慮到器件的小型化設計對熒光材料尺寸有小而薄的需求，在上文已獲得厚度為0.5～1.0 mm范圍的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件綜合性能較佳的結論基礎上，我們進一步研究了Ce∶YAG透明陶瓷單面拋光后的表面狀態差異對原型器件發光性能的影響。 我們選取將陶瓷單面拋光至不同厚度(0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 mm)，并采用表面粗糙度輪廓儀直接測量陶瓷的表面粗糙度Ra來表征表面狀態。陶瓷表面粗糙度輪廓測試結果示于圖5，測試長度1.5 mm，從陶瓷的右邊緣移向中心，用針尖曲率半徑為2 μm左右的金剛石觸針沿被測表面緩慢滑行，金剛石觸針的上下位移量由電學式長度傳感器轉換為電信號，經放大、濾波、計算出輪廓算數平均偏差Ra，即在取樣長度L內輪廓偏距絕對值的算術平均值，來表征表面粗糙度。經計算獲得拋光面的表面粗糙度Ra=9.79 nm，未拋光面的表面粗糙度Ra=322.86 nm。

圖5 單面拋光的Ce∶YAG陶瓷的表面粗糙度輪廓。 (a)拋光面；(b)未拋光面。Fig.5 Roughness profiles of single-face polished Ce∶YAG ceramics surface. (a)Polished surface. (b)Unpolished surface.

將單面拋光的陶瓷片與發射波長為460 nm的藍光LED芯片(輸入功率為0.96 W，3.2 V×0.3 A)組合進行光色性能測試。分別將拋光面(粗糙度Ra=9.79 nm)及未拋光面(粗糙度Ra=322.86 nm)朝向LED芯片進行封裝測試和對比。所測得光色性能參數如圖6所示，與圖2中所示的雙面拋光陶瓷的光色性能相比，單面拋光的陶瓷光電轉換效率整體提高(89～94 lm/W)，色溫降至4 000 K左右。厚度為0.7 mm的Ce∶YAG具有相對更高的發光效率(93.6 lm/W)，色溫為4 023 K。

圖6 單面拋光、不同厚度(0.4～0.8 mm)的Ce∶YAG陶瓷/LED(3.2 V×0.3 A)原型器件的光色性能對比(實線表示陶瓷未拋光面朝向藍光LED芯片，虛線表示拋光面朝向藍光LED芯片)。(a)光電轉換效率；(b)顯色指數CRI；(c)色溫CCT；(d)雙面拋光和單面拋光、不同厚度Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的光電轉換效率對比。Fig.6 Changing of luminous efficiency(a), color rendering index CRI(b), and correlative color temperature CCT(c) of single face polished Ce∶YAG ceramics based LED prototype devices(3.2 V×0.3 A) with different thickness(0.4-0.8 mm)，where solid line represents that unpolished surface towards blue LED chip, dash line represents that polished surface towards blue LED chip. (d)Comparison of photoelectric conversion efficiency of Ce∶YAG ceramic/LED prototype devices with different thickness after double-face light and single-face polishing.

如圖6 (d) 所示，實線表示陶瓷未拋光面朝向藍光LED芯片，虛線表示拋光面朝向藍光LED芯片。對于同一厚度的Ce∶YAG陶瓷，可以發現，無論陶瓷片的拋光面或未拋光面朝向藍光LED芯片方向，所測得的色溫、顯色指數和發光效率的數值都很接近，可以認為拋光面的放置方式對光色性能參數幾乎無影響。單面拋光陶瓷片保留了一個光潔表面，有利于入射藍光和發射黃光的出射，另一個相對較粗糙的表面有利于藍光的散射和與黃光的充分混合，并提高光取出效率[19]。

我們進一步研究了不同厚度單面拋光Ce∶YAG透明陶瓷片在藍光LD光源功率從0.8 W(半功率)調至1.6 W(全功率)激發下的光色性能參數變化情況。如圖7(a)所示，與藍光LED芯片激發結果類似，厚度為0.7 mm的Ce∶YAG陶瓷片具有相對更高的發光效率(可達178.5 lm/W, 色溫3 973 K，顯色指數33.1)；由于更高的激發光源功率導致更為明顯的熱致光衰，當將藍光LD光源功率從0.8 W(半功率)調至1.6 W(全功率)時，出現了整體發光效率下降的現象。同樣，如圖7(a)、(b)所示，陶瓷的拋光面或未拋光面放置方向對測得的光電轉換效率和顯色指數未產生明顯的影響。顯色指數整體低于藍光LED激發下的情況，可能是由于激發源為藍光激光，呈現窄峰發射的特點，因而與Ce∶YAG發出的黃綠光的白光混色效果不及LED的寬譜發射效果好[15]。陶瓷拋光面放置方向和激光功率對色溫的影響隨陶瓷厚度的增加而降低至一個相近的值(3 950 K左右)，說明藍黃光的比例和混合效果在陶瓷較薄的情況下受表面粗糙度的影響更明顯，這與藍光LED激發時的趨勢不同(圖6)。

圖7 不同厚度單面拋光Ce∶YAG透明陶瓷/LD原型器件的光色性能對比(LD功率通過旋鈕調節為半功率(0.8 W，方塊)與全功率輸出(1.6 W，圓形)，實線為未拋光面朝向藍光LD光源出光孔，虛線為拋光面朝向藍光LD光源出光孔)。(a)光電轉換效率；(b)顯色指數CRI；(c)色溫CCT。Fig.7 Changing of luminous efficiency(a), color rendering index CRI(b), and correlative color temperature CCT(c) of single face polished Ce∶YAG ceramics based LD prototype devices(0.8 W, square; 1.6 W, circle), where the solid line represents that the un-polished surface towards blue LD source, the dash line represents that the for polished surface towards blue LD source.

圖8為單面拋光的Ce∶YAG透明陶瓷片(厚度0.5 mm)分別被藍光LED芯片和藍光LD光源激發時的光譜功率分布圖。圖8(b)中LD發出的藍光半高寬比圖8(a)中的LED藍光更窄，藍光激光被部分轉換為波長為530 nm左右的黃綠色光，測得的色溫偏高(CCT：7 200 K)，顯色指數較低(CRI：69)。對比雙面拋光的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件(圖4)，目前這個結果也說明單面拋光Ce∶YAG透明陶瓷片在高功率固態照明上更具有應用潛力，即在較高的光源功率下以相對較薄的陶瓷組裝原型器件就可獲得較優的綜合性能，具有降低照明器件和材料成本的重要意義。

圖8 厚度0.5 mm的單面拋光Ce∶YAG透明陶瓷原型器件光譜功率分布圖。 (a)LED(3.2 V×0.3 A)；(b)LD(功率1.6 W)。Fig.8 Spectral distribution of single-face polished Ce∶YAG ceramic based prototype devices(thickness: 0.5 mm). (a)Blue LED(3.2 V×0.3 A) . (b)Blue LD(1.6 W).

圖9進一步顯示了不同厚度(0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 mm)單面拋光Ce∶YAG透明陶瓷在藍光LED芯片(3.0 V×0.3 A)及藍光LD光源(半功率0.8 W，全功率1.6 W)激發下的CIE色坐標圖。對于厚度為0.4～0.5 mm較薄的Ce∶YAG陶瓷，無論是LED芯片或是LD光源激發，其CIE色坐標均位于藍-白光區。而對于LED激發模式，陶瓷厚度在0.6～0.8 mm的Ce∶YAG/LED原型器件的CIE色坐標都位于(0.42,0.54)附近(黃光區)，坐標位置非常接近，坐標誤差≤0.01，相較圖3所示的厚度為2.3 mm的雙面拋光陶瓷片與LED組裝的原型器件的色坐標(0.40, 0.54)，又略向黃光區域移動。對于LD激發模式，陶瓷0.6～0.8 mm厚的Ce∶YAG/LD原型器件的色坐標位于(0.43,0.55)附近，色坐標位置同樣非常接近，坐標誤差≤0.01，相較Ce∶YAG/LED原型器件的色坐標，進一步向黃光區小幅度移動。由此可見，單面拋光0.4～0.5 mm厚的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件與Ce∶YAG陶瓷/LD原型器件均可實現近白光發射，具有應用于高功率固態照明器件的潛力。需要說明的是，基于陶瓷在復合結構和多組分摻雜上的優勢，目前原型器件顯色指數偏低的問題可以通過疊加紅光和綠光陶瓷薄片或復合結構以及組分調控的途徑適度補償紅光及綠光成分來加以改善[23]。

圖9 不同厚度單面拋光(厚度0.4～0.8 mm)的Ce∶YAG陶瓷/LED(3.2 V×0.3 A)及Ce∶YAG陶瓷/LD(0.8 W/1.6 W)原型器件的CIE色坐標圖Fig.9 CIE of single-face polished Ce∶YAG ceramics based LED(3.2 V×0.3 A) or LD(0.8 W/1.6 W) prototype devices with different thickness(0.4～0.8 mm)

4 結 論

采用真空燒結制備了Ce3+摻雜YAG透明陶瓷，系統研究了陶瓷的厚度和表面粗糙度對光色性能的影響。

(1)對雙面拋光的Ce∶YAG陶瓷，采用大功率藍光LED芯片(3.2 V×0.3 A)激發，在透射模式下，厚度為1.8 mm的 Ce∶YAG透明陶瓷(雙面拋光)獲得最高103 lm/W的光電轉換效率，色溫為4 343 K；陶瓷厚度在0.3～0.9 mm范圍內，組裝的Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件的光電轉換效率為最高，可達87.2 lm/W，顯色指數為60～72，有望應用于車燈或廣場等有遠距離、高亮度照明需求的場合。

(2)通過單面拋光引入表面粗糙度，使Ce∶YAG陶瓷基照明原型器件的光色性能得到明顯提升。 在透射模式和大功率LED/LD激發下，陶瓷厚度0.4～0.8 mm范圍的原型器件的綜合光色性能較好：在 LED激發下，Ce∶YAG陶瓷/LED原型器件獲得了最高達93.6 lm/W的光電轉換效率；在LD激發下，Ce∶YAG陶瓷/LD原型器件獲得了最高達178.5 lm/W的光電轉換效率。

(3)相對雙面拋光的陶瓷而言，單面拋光由于引入了表面粗糙度，導致入射的藍光形成散射，藍光和黃光的混合效果更好，最終使Ce∶YAG透明熒光陶瓷在更低的厚度上實現了更高的發光效率，有利于器件的低成本與小型化。