專(zhuān)利名稱(chēng)：白光二極管光源及其熒光粉的制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種白光二極管光源及其熒光粉的制法，尤其涉及一種包括發(fā)出藍(lán)光和/或紫外輻射的發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管中含有至少一種能吸收藍(lán)光和/或紫外輻射，甚至其它波段輻射的熒光粉的白光二極管光源及其熒光粉的制法。
背景技術(shù)：
無(wú)機(jī)發(fā)光二極管與其它類(lèi)型光源相比，具有使用壽命長(zhǎng)，體積小，抗震顫以及窄頻帶輻射的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)光二極管借助于自身半導(dǎo)體材料的輻射很難有效實(shí)現(xiàn)寬波段多色光輻射。因此，通過(guò)無(wú)機(jī)熒光粉的作用將異質(zhì)結(jié)的大部分輻射轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)波輻射的發(fā)光二極管技術(shù)得到應(yīng)用。這種以熒光粉形式存在的轉(zhuǎn)化裝置即光譜轉(zhuǎn)換器。
在WO 00/33390專(zhuān)利中描述了包含輻射單一藍(lán)光的發(fā)光二極管或與熒光粉混合物相互作用的激光二極管的發(fā)光裝置。
為了形成白光，需要在光譜420～470nm區(qū)域輻射的發(fā)光二極管與含有至少兩種熒光粉的熒光粉混合物共同作用。為此需要兩種具有不同輻射光譜的熒光粉。這種熒光粉混合物總是包含一種紅色成分和一種綠色成分。在此條件下，這兩種顏色與發(fā)光二極管發(fā)出的藍(lán)光相混合即可形成白光。也可以用單一成分的材料替代熒光粉混合物，但這種情況下，二極管發(fā)光的質(zhì)量就會(huì)有所下降。
通常，對(duì)用于普通照明的白光光源的發(fā)光質(zhì)量要求較高。再者，光源使用者，尤其是歐洲和北美的使用者，傾向于比色溫度在2700～5000K的暖色光照。
在WO 00/33389專(zhuān)利中描述了用Ba2SiO4:Eu2+作熒光粉來(lái)改變藍(lán)色發(fā)光二極管發(fā)出的光。然而熒光粉Ba2SiO4:Eu2+輻射的最大值出現(xiàn)下約505nm處，因此用這種組合不能完全可靠地獲得白光。
由C.X.M.普爾特(S.H.M.Poort)的學(xué)術(shù)著作中提及的“正位硅酸鹽和正位磷酸鹽被Eu2+激發(fā)時(shí)的光學(xué)特性”(”Journal of Alloys and Compounds”，260(1997)，p.93-97)可得出Ba2SiO4以及KBaPO4，KSrPO4等磷酸鹽被Eu2+激發(fā)時(shí)的特性。此處同時(shí)也提到，Ba2SiO4在被Eu2+激發(fā)時(shí)的輻射光譜在約505nm處。
關(guān)于在Eu2+的激發(fā)作用下可獲得白光的Ba，Ca，Sr的二元或三元正位硅酸鹽的架構(gòu)在俄羅斯RU №2251761專(zhuān)利案中已經(jīng)明確。該熒光粉的化學(xué)式為，a)(2-x-y)SrO·x(BaU，CaV)O·(1-a-b-c-d)SiO2·aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+；其中0≤x≤1,6，0,005＜y＜0,5，x+y≤1,6，0≤a，b，c，d＜0.5，u+v＝1；b)(2-x-y)BaO·x(SrU，CaV)O·(1-a-b-c-d)SiO2·aP2O5bAl2O3cB2O3dGeO2:yEu2+；其中0,01＜x＜1,6，0,005＜y＜0,5，0≤a，b，c，d＜0,5 u+v＝1，x*u＞0,4。
盡管這種三元正位硅酸鹽熒光粉有可能產(chǎn)生黃光輻射，但卻不能保證半導(dǎo)體光源發(fā)光的高亮度。此外，利用這種熒光粉做出的發(fā)光二極管無(wú)法產(chǎn)生比色溫度高于6000K的低溫白光輻射。誠(chéng)屬美中不足之處。
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的是提供一種白光二極管光源的熒光粉及其制法，其可將在紫外波段和藍(lán)光波段(370～490nm)發(fā)生輻射的發(fā)光二極管用作光源，這種光源通過(guò)采用改進(jìn)的熒光粉產(chǎn)生有效功率更高的白光，從而使其有可能被應(yīng)用于照明。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種白光二極管光源的熒光粉及其制法，其采用一種或幾種熒光粉實(shí)現(xiàn)了在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)比色溫度的可能性，從而滿(mǎn)足使用者不同的需求，尤其是調(diào)節(jié)在國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的公差橢圓范圍內(nèi)的顏色。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種白光二極管光源之熒光粉及其制法，其系由銦鎵氮化物短波異質(zhì)結(jié)與光譜轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的白光半導(dǎo)體源，該光源的特點(diǎn)是包含至少兩個(gè)輻射最大值分別在360-400nm的近紫外區(qū)域(紫外異質(zhì)結(jié))與440-480nm區(qū)域(藍(lán)光異質(zhì)結(jié))，此時(shí)短波異質(zhì)結(jié)輻射光譜重迭部分是其光譜最大值時(shí)輻射強(qiáng)度的10-30％。光譜轉(zhuǎn)換器是以正位硅酸鹽熒光粉為基體的多層覆膜，熒光粉的化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8:(∑Me2，3)(Hal)2，3。該覆膜與位于反射鏡反射表面的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的發(fā)光面有光接觸，同時(shí)也是該半導(dǎo)體光源的電接觸之一。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種白光二極管光源，其系由銦鎵氮化物所制成，包括一絕緣晶體架，系用以承載后述該第一異質(zhì)結(jié)及第二異質(zhì)結(jié)；一第一異質(zhì)結(jié)，其置于該絕緣晶體架中，具有一正極、一負(fù)極及一發(fā)光表面，其中該正極及負(fù)極可外露于該絕緣晶體架外；一第二異質(zhì)結(jié)，其置于該絕緣晶體架中且位于該第一異質(zhì)結(jié)的一側(cè)，其亦具有一正極、一負(fù)極及一發(fā)光表而，其中該正極及負(fù)極亦可外露于該絕緣晶體架外；一光譜轉(zhuǎn)換器，覆蓋于該第一異質(zhì)結(jié)及該第二異質(zhì)結(jié)的發(fā)光表面上方處；以及一光學(xué)機(jī)體，其置于該光譜轉(zhuǎn)換器上方且可與該絕緣晶體架結(jié)合使成密閉狀態(tài)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種白光二極管光源的熒光粉，系由正位硅酸鹽所制成，其化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8:(∑Me2，3)(Hal)2，3，其被激發(fā)發(fā)光的光譜具有一第一極限及一第二極限，且當(dāng)熒光粉基體被離子激發(fā)且基體組成中的離子濃度滿(mǎn)足一特定原子分率時(shí)，該熒光粉輻射光譜分布于可見(jiàn)光光譜的綠—黃—橙色區(qū)域。
為達(dá)到上述的目的，本發(fā)明的一種白光二極管熒光粉的制作方法，其包括下列步驟秤取如下BaCO3、SrCO3、EuCl2及SiO2顆粒并加以混合；在混合料中加入MgCO3及CaCO3；將配料充分混合，然后置于一坩堝中，再放入分隔為2個(gè)區(qū)之一熔爐中；在熔爐的第一區(qū)中，當(dāng)溫度升至第一溫度時(shí)，碳酸鹽分解，生成堿土金屬的正位硅酸鹽和銪；在熔爐的第二區(qū)中，當(dāng)溫度升至第二溫度時(shí)，加入還原性氣體混合物；在該熔爐退場(chǎng)門(mén)處取出該坩堝，將該坩堝中的物質(zhì)放入一溶液中；以及使用一儀器對(duì)干燥的熒光粉進(jìn)行測(cè)試，確定其參數(shù)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種白光二極管熒光粉的制作方法，其包括下列步驟用一沉淀劑在特定的反應(yīng)器中發(fā)生凝膠作用；將所得凝膠干燥至所含水的質(zhì)量至一特定濃度；用一磨具將其磨成粉末；以及將該粉末放入一坩堝中；加熱至一特定溫度即得該熒光粉。
圖1為一示意圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的白光二極管光源的示意圖，其中10絕緣晶體架；20第一異質(zhì)結(jié)；21正極；22負(fù)極；23發(fā)光表面；30第二異質(zhì)結(jié)；31正極；32負(fù)極；33發(fā)光表面；40光譜轉(zhuǎn)換器；41有機(jī)樹(shù)脂；42熒光粉；50光學(xué)機(jī)體。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的意義在于將在紫外波段和藍(lán)光波段(370～490nm)發(fā)生輻射的發(fā)光二極管用作光源，這種光源通過(guò)采用改進(jìn)的熒光粉產(chǎn)生有效功率更高的白光，從而使其有可能被應(yīng)用于照明。
與此同時(shí)，也克服了現(xiàn)有技術(shù)水準(zhǔn)存在的種種缺陷。此外，通過(guò)采用一種或幾種熒光粉實(shí)現(xiàn)了在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)比色溫度的可能性，從而滿(mǎn)足使用者不同的需求，尤其是調(diào)節(jié)在國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定的公差橢圓范圍內(nèi)的顏色。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是提出了由銦鎵氮化物短波異質(zhì)結(jié)與光譜轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的白光半導(dǎo)體源，該光源的特點(diǎn)是包含至少兩個(gè)輻射最大值分別在360-400nm的近紫外區(qū)域(紫外異質(zhì)結(jié))與440-480nm區(qū)域(藍(lán)光異質(zhì)結(jié))，此時(shí)短波異質(zhì)結(jié)輻射光譜重迭部分是其光譜最大值時(shí)輻射強(qiáng)度的10-30％。
請(qǐng)參照?qǐng)D1，其示出了本發(fā)明一較佳實(shí)施例的白光二極管光源的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，本發(fā)明的白光二極管光源其系由銦鎵氮化物所制成，包括一絕緣晶體架10；一第一異質(zhì)結(jié)20；一第二異質(zhì)結(jié)30；一光譜轉(zhuǎn)換器40；以及一光學(xué)機(jī)體50所組合而成。
其中，該絕緣晶體架10系用以承載該第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30。
該第一異質(zhì)結(jié)20系置于該絕緣晶體架10中，其具有一正極21、一負(fù)極22及一發(fā)光表面23，其中該正極21及負(fù)極22系可外露于該絕緣晶體架10外。其中，該第一異質(zhì)結(jié)20系為一紫外光異質(zhì)結(jié)，其輻射最大值例如但不限于為360-400nm。
該第二異質(zhì)結(jié)30系置于該絕緣晶體架10中且位于該第一異質(zhì)結(jié)20的一側(cè)，例如但不限于右側(cè)，其亦具有一正極31、一負(fù)極32及一發(fā)光表面33，其中該正極31及負(fù)極32亦可外露于該絕緣晶體架10外。其中，該第二異質(zhì)結(jié)30系為一藍(lán)光異質(zhì)結(jié)，其輻射最大值例如但不限于為440-480nm，且該第二異質(zhì)結(jié)的輻射光譜與該第一異質(zhì)結(jié)20之輻射光譜的重迭部分僅占其輻射最大值的10～30％。
該光譜轉(zhuǎn)換器40系覆蓋于該第一異質(zhì)結(jié)20及該第二異質(zhì)結(jié)30的發(fā)光表面上方處。其中，該光譜轉(zhuǎn)換器30系由一透明有機(jī)樹(shù)脂41及一熒光粉42所混合而成，且該熒光粉42例如但不限于是由正位硅酸鹽所制成，其化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8:(∑Me2，3)(Hal)2，3。這種熒光粉42中的激發(fā)元素以+2及+3價(jià)態(tài)存在，不同于現(xiàn)有技術(shù)使用Eu+2作激發(fā)劑的熒光粉。
該光譜轉(zhuǎn)換器40是由有機(jī)化合物構(gòu)成的光漫射層，層中均勻分布著熒光粉42顆粒。這種有機(jī)化合物例如但不限于是高溫硬化的環(huán)氧樹(shù)脂或聚碳酸酯或有機(jī)硅化物。本發(fā)明所選的這些化合物的共同特點(diǎn)是它們的分子質(zhì)量≥10000碳原子單位，從而保證了化合物層為補(bǔ)償溫差應(yīng)力所必需的韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化合物層中熒光粉顆粒的填充量應(yīng)為6～25％。
該光學(xué)機(jī)體50系置于該光譜轉(zhuǎn)換器40上方且可與該絕緣晶體架10結(jié)合使成密閉狀態(tài)。
此外，本發(fā)明的白光二極管光源進(jìn)一步具有一反射鏡(圖未示)，用以調(diào)整位于其表面的該第一異質(zhì)結(jié)20、第二異質(zhì)結(jié)30及該光譜轉(zhuǎn)換器40輻射的光的方向，此外，該反射鏡也可與該白光二極管光源中的電源接觸。
此外，請(qǐng)參照表1，其示出了該光譜轉(zhuǎn)換器40在以上兩種不同激發(fā)狀態(tài)下(熒光粉狀光譜轉(zhuǎn)換器40被第一異質(zhì)結(jié)20所發(fā)出的紫外線激發(fā)時(shí)的輻射光譜和熒光粉狀光譜轉(zhuǎn)換器40被第二異質(zhì)結(jié)30所發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)時(shí)的輻射光譜)的具體光色參數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)方案的革新性首先表現(xiàn)下為實(shí)現(xiàn)白光光源采用至少兩個(gè)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)(即第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30)，而不是一個(gè)。該第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30在短波輻射的不同分波段發(fā)生輻射。其中第一異質(zhì)結(jié)20在近紫外區(qū)域發(fā)生輻射，另外一個(gè)第二異質(zhì)結(jié)30則在藍(lán)光區(qū)域發(fā)生輻射。制作該第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30時(shí)采用相同的銦鎵氮化物材料及與制作該材料外延層相同的工藝。因此他們具有相同的電學(xué)特性，從而可以將他們以串聯(lián)或并聯(lián)的模式聯(lián)入電路。異質(zhì)結(jié)發(fā)光光譜隨異質(zhì)結(jié)中InN的含量而變化。
本發(fā)明采用的第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30的輻射光譜的重迭部分僅占其輻射最大值的10～30％。該第一異質(zhì)結(jié)20及第二異質(zhì)結(jié)30輻射最大值位于光譜重迭區(qū)域外，其中該第一異質(zhì)結(jié)20之峰值波長(zhǎng)為λ＝390-395nm，第二異質(zhì)結(jié)30的峰值波長(zhǎng)λ＝450-465nm。
本發(fā)明之白光二極管光源具有以下優(yōu)點(diǎn)1.光色可在色溫5000K～12000K的大范圍內(nèi)變化；2.發(fā)光強(qiáng)度高2～10坎以上；3.光通量大，裝置中光通量可達(dá)50流明。除以上優(yōu)點(diǎn)外，當(dāng)該白光二極管光源的電學(xué)參數(shù)改變時(shí)，其所發(fā)出的白光的光譜架構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變化，這在以往的文獻(xiàn)或?qū)＠鞍钢形从兴涊d。當(dāng)該第二異質(zhì)結(jié)30(藍(lán)光異質(zhì)結(jié))被激發(fā)的功率較大時(shí)，光源發(fā)出冷色光；而當(dāng)該第一異質(zhì)結(jié)20(紫外線異質(zhì)結(jié))被激發(fā)的功率較大時(shí)，光源則發(fā)出暖色光。該白光二極管光源的這些特點(diǎn)具有重要意義，此點(diǎn)在以前文獻(xiàn)或?qū)＠鞍钢幸辔丛惶接戇^(guò)，因此，足證本發(fā)明的白光二極管光源具有新穎性及進(jìn)步性。
此外，本發(fā)明亦提供一種白光二極管光源之熒光粉42，系由正位硅酸鹽所制成，其化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8:(∑Me2，3)(Hal)2，3，其被激發(fā)發(fā)光的光譜具有一第一極限及一第二極限，且當(dāng)熒光粉42基體被離子激發(fā)且基體組成中的離子濃度滿(mǎn)足一特定原子分率時(shí)，該熒光粉輻射光譜分布于可見(jiàn)光光譜的綠—黃—橙色區(qū)域。
其中，該第一極限為λ＝360-400nm區(qū)間，該第二極限為λ＝440-480nm區(qū)間，該特定原子分率為0.005≤(∑Me+2，3)≤0.1，而該光譜最大值λ＝560-590nm。
用以激發(fā)該熒光粉42基體之離子可為Ce+3+Mn+2，Ce+3+Sn+2，Eu+2+Dy+3，Eu+2+Pr+3，Eu+2+Y3+，Eu+2+Ce+3，Eu+2+Er+3，Eu+2+Gd+3或Eu+2+La+3等。其中，該+2價(jià)離子可決定熒光粉42之發(fā)光光譜，該+3價(jià)離子可決定熒光粉42被激發(fā)之發(fā)光光譜，而鹵素族元素離子則可決定激發(fā)中心之能量轉(zhuǎn)移。
如上所述，要實(shí)現(xiàn)這種全新的自光二極管光源必須研制出在兩種不同波長(zhǎng)光的激發(fā)下均能高質(zhì)量發(fā)光的新型熒光粉42，即紫外光分波段和藍(lán)光分波段。此類(lèi)問(wèn)題至今未見(jiàn)于已公開(kāi)的專(zhuān)利文獻(xiàn)中，也無(wú)具體解決方案。我們知道，以鋁釔石榴石為基體的標(biāo)準(zhǔn)熒光粉在藍(lán)光激發(fā)下正常發(fā)光，而在紫外光激發(fā)下卻不能發(fā)光。由俄羅斯專(zhuān)利第2251761號(hào)可知，正位硅酸鹽熒光粉也具有相同的缺陷。因此，本發(fā)明解決的另一個(gè)問(wèn)題是在兩種不同波段的光的激發(fā)下發(fā)光的熒光粉42。
上述問(wèn)題的解決方案如下。用于白光二極管光源的正位硅酸鹽熒光粉42具有以下特點(diǎn)它被激發(fā)發(fā)光的光譜具有兩個(gè)極限，一個(gè)在λ＝360-400nm區(qū)間，另一個(gè)在λ＝440-480nm區(qū)間，同時(shí)，當(dāng)熒光粉基體被Ce+3+Mn+2，Ce+3+Sn+2，Eu+2+Dy+3，Eu+2+Pr+3，Eu+2+Y+3，Eu+2+Ce+3，Eu+2+Er+3，Eu+2+Gd+3或Eu+2+La+3中的離子激發(fā)(∑Me+2，3)，且基體組成中的離子濃度滿(mǎn)足0.005≤(∑Me+2，3)≤0.1原子分率時(shí)，該熒光粉輻射光譜分布于可見(jiàn)光光譜的綠—黃—橙色區(qū)域，光譜最大值λ＝560-590nm。
該問(wèn)題是通過(guò)在半導(dǎo)體裝置基礎(chǔ)上構(gòu)建光源得以解決的，其中熒光粉是Mg，Ca，Sr，Ba族元素的二元正位硅酸鹽，用+2和+3價(jià)態(tài)的稀土元素Ce+3+Mn+2，Ce+3+Sn+2，Eu+2+Dy+3，Eu+2+Pr+3，Eu+2+Y+3，Eu+2+Ce+3，Eu+2+Er+3，Eu+2+Gd+3，Eu+2+La+3作為其激發(fā)元素，該熒光粉的化學(xué)式為(∑1，2，3，4Me)4-xSi2O8:(TR+2，TR+3)xHal2，3。其中，Me＝Mg，Ca，Sr，BaTR+2＝Eu+2TR+3＝Y(jié)，Gd，La，Lu，Pr，Tb，Ce，Dy，Er
Hal＝F-1和/或Cl-1和/或Br-1且∑Me1+2+Me2+2+Me3+2+Me4+2＝4-xX＝0,001-0,1原子分率通過(guò)上述熒光粉被激發(fā)發(fā)光的光譜與異質(zhì)結(jié)短波輻射的光譜相重迭，異質(zhì)結(jié)輻射的光譜最大值的10％～30％形成光譜轉(zhuǎn)換器40。此外，本發(fā)明在該項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光，紫光和紫外線異質(zhì)結(jié)的短波輻射分別不同程度地激發(fā)熒光粉。化學(xué)式為(Mg，Ca，Sr，Ba)4-xSi2O8·(Eu，Y)x的熒光粉被激發(fā)的光譜最大值出現(xiàn)在λ＝395-405nm的UVA波段，而化學(xué)式為(Ba，Sr，Mg，Ca)4-xSi2O8·(Eu，Er)x的熒光粉被激發(fā)的光譜最大值出現(xiàn)在λ＝395～445nm波段，即藍(lán)光半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)輻射區(qū)域。在此情況下，在由2個(gè)異質(zhì)結(jié)組成的二極管的整體輻射中將會(huì)出現(xiàn)2個(gè)光譜轉(zhuǎn)換器輻射的光譜最大值。其中一個(gè)最大值與被氧化至+2價(jià)態(tài)的激活離子的輻射相關(guān)聯(lián)，另外一個(gè)最大值主要是由于相同激活離子的輻射形成的，但這種輻射與前者相比具有更高的能量。紫外線異質(zhì)結(jié)20強(qiáng)烈激發(fā)光譜轉(zhuǎn)換器40的短波輻射，而藍(lán)光異質(zhì)結(jié)30則引發(fā)長(zhǎng)波輻射。此外，通過(guò)選擇正位硅酸鹽熒光粉基體中的激發(fā)元素對(duì)及相對(duì)應(yīng)的鹵化物對(duì)，調(diào)節(jié)光譜轉(zhuǎn)換器40的輻射光譜，色度坐標(biāo)以及比色溫度。
關(guān)于Eu+2離子的輻射在許多文獻(xiàn)中都有所論述(例如前述普爾特的研究成果)，而有關(guān)這種熒光粉在紫外線異質(zhì)結(jié)20(或紫光異質(zhì)結(jié))與藍(lán)光異質(zhì)結(jié)30同時(shí)聯(lián)合激發(fā)下的情況至今無(wú)數(shù)據(jù)可考。在上述情況下，在主要由(Ba，Sr，Mg，Ca)熒光粉構(gòu)成的光譜轉(zhuǎn)換器40的作用下形成藍(lán)綠光和綠光區(qū)域的短波輻射，同時(shí)通過(guò)藍(lán)光異質(zhì)結(jié)對(duì)熒光粉的激發(fā)作用形成黃，橙和橙紅區(qū)域的長(zhǎng)波輻射，此時(shí)熒光粉42中Sr+2，Ca+2離子的含量多于Ba+2，Mg+2離子的含量。
上述光源為得到顏色系數(shù)Ra＞90的標(biāo)準(zhǔn)白光所需的藍(lán)光輻射直接來(lái)源于藍(lán)光異質(zhì)結(jié)。
上述白光光源區(qū)別于其它現(xiàn)有光源的特點(diǎn)是可以通過(guò)電學(xué)途徑改變自身的整體輻射。如果需要高溫白光輻射，可以通過(guò)提升藍(lán)光異質(zhì)結(jié)30的供電功率實(shí)現(xiàn)。在此過(guò)程中將形成大量長(zhǎng)波輻射，這些長(zhǎng)波輻射與未被吸收的藍(lán)光為得到比色溫度T＝2950~5000K的光提供了條件。此時(shí)紫外線異質(zhì)結(jié)20的供電功率較低，從而保證了整體輻射中少量的藍(lán)，藍(lán)綠和綠光短波輻射。
如果需要低溫白光輻射，則要向紫外線異質(zhì)結(jié)20供給大量功率。此時(shí)光譜轉(zhuǎn)換器40的藍(lán)，藍(lán)綠和綠色區(qū)域發(fā)生輻射，同時(shí)還有未被吸收的異質(zhì)結(jié)紫光輻射，最終得到比色溫度T＞8000K的白光。
如上所述，該白光半導(dǎo)體源的優(yōu)點(diǎn)不僅由于其架構(gòu)特點(diǎn)和引入兩個(gè)可產(chǎn)生不同波長(zhǎng)輻射的異質(zhì)結(jié)20、30，還與其采用含有本發(fā)明所研發(fā)的新型正位硅酸鹽熒光粉42的光譜轉(zhuǎn)換器40有關(guān)。
本發(fā)明的熒光粉42，若與俄羅斯第2251761號(hào)專(zhuān)利相比較，其區(qū)別性特征是其成分中含有四種堿土金屬元素，即Mg，Ca，Sr，Ba，而不是兩種或三種，四種元素的比例關(guān)系為1∶0.01∶0.69∶0.30～1∶0.1∶0.2∶0.7。本發(fā)明研發(fā)過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)表明，這四種組成元素的作用各不相同。Ba+2與活潑的Eu+2結(jié)合，由于離子中發(fā)生f-d躍遷而形成綠光發(fā)光中心。體積小的Sr+2取代體積大的Ba+2，將形成黃色光和橙色光的發(fā)光中心。Eu+2在Ca的正位硅酸鹽的作用下形成紅色光發(fā)光中心。體積最小的Mg+2通過(guò)形成穩(wěn)固的離子鍵使正位硅酸鹽熒光粉基體的晶格架構(gòu)更加牢固。Mg+2的加入還能使熒光粉基體的熔點(diǎn)提升100℃，同時(shí)也能對(duì)熒光粉顆粒的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
此外，在正位硅酸鹽熒光粉基體中加入鹵族元素離子是熒光粉42合成過(guò)程中一項(xiàng)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)性工作，可通過(guò)采用鹵族化合物高壓蒸汽實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)熒光粉42的填充濃度為最小值時(shí)，原始輻射有可能穿透光譜轉(zhuǎn)換器40射出；而當(dāng)其填充濃度為最大值時(shí)，光譜轉(zhuǎn)換器40不能實(shí)現(xiàn)自己將原始輻射與被激發(fā)產(chǎn)生的輻射相混合的作用，從而導(dǎo)致無(wú)法在最終得到白光。首先，將化合物溶解在相應(yīng)的溶劑中，在此溶液的基礎(chǔ)上形成含熒光粉42的懸濁液。用微量測(cè)量器將該懸濁液滴在異質(zhì)結(jié)20、30的發(fā)光表面23、33，形成一層濃度為80～200微米的薄膜。光譜轉(zhuǎn)換器40在被激發(fā)發(fā)光的過(guò)程中強(qiáng)烈改變異質(zhì)結(jié)20、30的原始輻射，將原始輻射與被激發(fā)產(chǎn)生的輻射相混合，最終形成白光。
本發(fā)明的白光二極管光源包含至少兩個(gè)輻射波長(zhǎng)不同的InGaN短波異質(zhì)結(jié)，該光源中的熒光粉42具有光譜轉(zhuǎn)換器40的作用，要制成這種熒光粉42有以下幾種可選方案。其中第一種方案屬于固相合成法范疇，選用粉末狀原料；而第二種合成方案屬于膠體化學(xué)方法范疇，即所謂的溶膠-凝膠法。
本發(fā)明第一實(shí)施例的熒光粉制造方法系以上述之固相合成法制造熒光粉，其包括下列步驟秤取如下BaCO3、SrCO3、EuCl2及SiO2顆粒并加以混合(步驟1)；在混合料中加入MgCO3及CaCO3(步驟2)；將配料充分混合，然后置于一坩堝中，再放入分隔為2個(gè)區(qū)之一熔爐中(步驟3)；在熔爐之第一區(qū)中，當(dāng)溫度升至第一溫度時(shí)，碳酸鹽分解，生成堿土金屬的正位硅酸鹽和銪(步驟4)；在熔爐之第二區(qū)中，當(dāng)溫度升至第二溫度時(shí)，加入還原性氣體混合物(步驟5)；在該熔爐退場(chǎng)門(mén)處取出該坩堝，將該坩堝中的物質(zhì)放入一溶液中(步驟6)；以及使用一儀器對(duì)干燥的熒光粉進(jìn)行測(cè)試，確定其參數(shù)(步驟7)。
于步驟1中，該BaCO3為30g，SrCO3為100g，EuCl2為0.9g而SiO2為30g，且該BaCO3、SrCO3、EuCl2及SiO2顆粒為超分散顆粒且其顆粒直徑為10～50nm。
于步驟2中，該MgCO3為10g而該CaCO3為5g。
于步驟3中，該坩堝可為一剛鋁石坩堝。
于步驟4中，在熔爐之第一區(qū)中，當(dāng)溫度升至第一溫度時(shí)，碳酸鹽分解，生成堿土金屬的正位硅酸鹽和銪；其中，該第一溫度為1300℃。
于步驟5中，在熔爐之第二區(qū)中，當(dāng)溫度升至第二溫度時(shí)，加入還原性氣體混合物；其中，該第二溫度為1260℃，該還原性氣體混合物為H2∶N2＝5∶95。
于步驟6中，在該熔爐退場(chǎng)門(mén)處取出該坩堝，將該坩堝中的物質(zhì)放入一溶液中；其中，該溶液為CH3COOH溶液，且其比例為1∶10。
于步驟7中，使用一儀器對(duì)干燥的熒光粉進(jìn)行測(cè)試，確定其參數(shù)；其中，該儀器為CS-2102儀器，其可測(cè)試該熒光粉42之亮度，輻射亮度，色品坐標(biāo)，峰值波長(zhǎng)等參數(shù)。
本發(fā)明第二實(shí)施例分熒光粉制造方法系以上述之溶膠-凝膠法制造熒光粉，其包括下列步驟用一沉淀劑在特定的反應(yīng)器中發(fā)生凝膠作用(步驟1)；將所得凝膠干燥至所含水的質(zhì)量至一特定濃度(步驟2)；用一磨具將其磨成粉末(步驟3)；將該粉末放入一坩堝中(步驟4)；以及加熱至一特定溫度即得該熒光粉(步驟5)。
于步驟1中，用一沉淀劑在特定的反應(yīng)器中發(fā)生凝膠作用；其中，該沉淀劑為H4Si3.5F0.5。
于步驟2中，將所得凝膠干燥至所含水的質(zhì)量至一特定濃度；其中，該含水的質(zhì)量特定濃度為含水5-10％。
于步驟3中，用一磨具將其磨成粉末；其中，該磨具為行星球磨機(jī)。
于步驟4中，將該粉末放入一坩堝中；其中，該坩堝可為一剛鋁石坩堝。
于步驟5中，加熱至一特定溫度即得該熒光粉；其中，該特定溫度不超過(guò)1150℃。
以上根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例所制造之熒光粉之化學(xué)式如表2所示。表2中列出熒光粉的主要光譜和發(fā)光指標(biāo)。
表2
由表2中數(shù)據(jù)可知，熒光粉發(fā)光的色品坐標(biāo)完全覆蓋了光譜的綠色，黃色和橙色光波段，峰值波長(zhǎng)在522至670nm間。這種熒光粉不僅用作光譜轉(zhuǎn)化器的主要材料，同時(shí)也是對(duì)綠黃色熒光粉的補(bǔ)充。
所有上述熒光粉在被波長(zhǎng)λ＝460nm的光激發(fā)時(shí)都具有相當(dāng)高的發(fā)光亮度，而被波長(zhǎng)λ＝395nm的紫外光激發(fā)時(shí)的發(fā)光亮度大大超過(guò)了美國(guó)某公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)樣品的發(fā)光亮度。
前文中已說(shuō)過(guò)，異質(zhì)結(jié)需聯(lián)為一體，聯(lián)接模式可以是并聯(lián)，也可以是串聯(lián)。當(dāng)選用具有不同電阻率的異質(zhì)結(jié)時(shí)，通常更多采用串聯(lián)模式。將發(fā)光表面覆蓋有用作光譜轉(zhuǎn)換器40的熒光粉42的藍(lán)光和紫外光異質(zhì)結(jié)20、30并聯(lián)在一起構(gòu)成白光光源。在這個(gè)并聯(lián)電路中需串聯(lián)入光電阻以調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)20、30中的電流強(qiáng)度，這種電阻通常由異質(zhì)結(jié)材料本身的電阻來(lái)提供。當(dāng)藍(lán)光異質(zhì)結(jié)30中的電流強(qiáng)度在20mA～40mA間時(shí)，整體光通量中的藍(lán)光部分增多。同時(shí)光譜轉(zhuǎn)換器40的輻射光譜向長(zhǎng)波波段移動(dòng)。長(zhǎng)波輻射的光通量超過(guò)了紫外光異質(zhì)結(jié)20發(fā)光和光譜轉(zhuǎn)換器40被其激發(fā)發(fā)光的光通量。發(fā)光整體呈暖色調(diào)，色溫在3100κ～5800κ間。當(dāng)增大紫外光異質(zhì)結(jié)中的電流強(qiáng)度時(shí)，情況則相反，會(huì)引起短波輻射的光通量增大，色溫T＞7000κ。
需要特別指出的是，該半導(dǎo)體光源具有相當(dāng)大的光通量。當(dāng)成對(duì)并聯(lián)的異質(zhì)結(jié)20、30處于完全電功率狀態(tài)W＝0.20w時(shí)，光通量F≥6lm，發(fā)光效率η≥30lm/w.如果采用表面面積S＞1mm2的高質(zhì)量氮化物異質(zhì)結(jié)，當(dāng)其處于完全電功率狀態(tài)W＝0.6w時(shí)，光通量F≥30lm，發(fā)光效率η≥50lm/w。
該白光二極管光源的新穎性不僅體現(xiàn)下其電學(xué)和材料學(xué)方面，還有其光學(xué)架構(gòu)上的改進(jìn)。為了不影響雙頻帶發(fā)光半導(dǎo)體源的白光輸出，采用圓柱形透鏡作光出射裝置，透鏡的幾何軸線穿過(guò)異質(zhì)架構(gòu)成的發(fā)光架構(gòu)的幾何中心。這種圓柱形透鏡出射裝置能夠消除白光出射時(shí)的色差綜上所述，本發(fā)明的白光二極管系由至少兩個(gè)分別輻射不同波長(zhǎng)的藍(lán)光和紫外光的異質(zhì)架構(gòu)成，此外還包括一個(gè)光譜轉(zhuǎn)換器，該光譜轉(zhuǎn)換器被激發(fā)產(chǎn)生的輻射與氮化物異質(zhì)結(jié)的兩種原始輻射相混合，最終合成白光，并可通過(guò)改變異質(zhì)結(jié)的電功率調(diào)節(jié)白光的色度，因此，確可改善習(xí)知白光二極管及其熒光粉制作方法之缺點(diǎn)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作少許更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)根據(jù)權(quán)利要求書(shū)來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種白光二極管光源，其系由銦鎵氮化物所制成，包括一絕緣晶體架，其用以承載后述的該第一異質(zhì)結(jié)及第二異質(zhì)結(jié)；一第一異質(zhì)結(jié)，其置于該絕緣晶體架中，具有一正極、一負(fù)極及一發(fā)光表面，其中該正極及負(fù)極系可外露于該絕緣晶體架外；一第二異質(zhì)結(jié)，其置于該絕緣晶體架中且位于該第一異質(zhì)結(jié)之一側(cè)，其亦具有一正極、一負(fù)極及一發(fā)光表面，其中該正極及負(fù)極亦可外露于該絕緣晶體架外；一光譜轉(zhuǎn)換器，其覆蓋于該第一異質(zhì)結(jié)及該第二異質(zhì)結(jié)之發(fā)光表面上方處；以及一光學(xué)機(jī)體，其置于該光譜轉(zhuǎn)換器上方且可與該絕緣晶體架結(jié)合使成密閉狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的白光二極管光源，其中該第一異質(zhì)結(jié)為一紫外光異質(zhì)結(jié)，其輻射最大值為360-400nm。
3.如權(quán)利要求2所述的白光二極管光源，其中該第二異質(zhì)結(jié)為一藍(lán)光異質(zhì)結(jié)，其輻射最大值為440-480nm。
4.如權(quán)利要求1所述的白光二極管光源，其中該第一異質(zhì)結(jié)及該第二異質(zhì)結(jié)的輻射光譜的重迭部分僅占其輻射最大值的10～30％，且其具有相同的電學(xué)特性，其可以串聯(lián)或并聯(lián)的模式加入電路中，且該第一異質(zhì)結(jié)及該第二異質(zhì)結(jié)之發(fā)光光譜系隨其中的InN的含量而變化。
5.如權(quán)利要求1所述的白光二極管光源，其中該光譜轉(zhuǎn)換器系由一透明有機(jī)樹(shù)脂及一熒光粉所混合而成。
6.如權(quán)利要求5所述的白光二極管光源，其中該有機(jī)樹(shù)脂可以是高溫硬化的環(huán)氧樹(shù)脂或聚碳酸酯或有機(jī)硅化物，而該熒光粉是由正位硅酸鹽所制成。
7.如權(quán)利要求6所述的白光二極管光源，其中該熒光粉的化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8(ΣMe2，3)(Hal)2，3。
8.如權(quán)利要求1所述的白光二極管光源，其進(jìn)一步具有一反射鏡，用以調(diào)整位于其表面之該第一異質(zhì)結(jié)、第二異質(zhì)結(jié)及該光譜轉(zhuǎn)換器輻射的光的方向，此外，該反射鏡也可與該白光二極管光源中之電源接觸。
9.一種白光二極管光源的熒光粉，系由正位硅酸鹽所制成，其化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)3Si2O8(ΣMe2，3)(Hal)2，3，其被激發(fā)發(fā)光的光譜具有一第一極限及一第二極限，且當(dāng)熒光粉基體被離子激發(fā)且基體組成中的離子濃度滿(mǎn)足一特定原子分率時(shí)，該熒光粉輻射光譜分布于可見(jiàn)光光譜的綠—黃—橙色區(qū)域。
10.如權(quán)利要求9所述的熒光粉，其中該第一極限為λ＝360-400nm區(qū)間，該第二極限為λ＝440-480nm區(qū)間，而該光譜最大值λ＝560-590nm。
11.如權(quán)利要求9所述的熒光粉，其中該離子可為Ce+3+Mn+2，Ce+3+Sn+2，Eu+2+Dy+3，Eu+2+Pr+3，Eu+2+Y+3，Eu+2+Ce+3，Eu+2+Er+3，Eu+2+Gd+3或Eu+2+La+3。
12.如權(quán)利要求11所述的熒光粉，其中該+2價(jià)離子可決定熒光粉的發(fā)光光譜，該+3價(jià)離子可決定熒光粉被激發(fā)之發(fā)光光譜，而鹵素族元素離子則可決定激發(fā)中心的能量轉(zhuǎn)移。
13.如權(quán)利要求11所述的熒光粉，其中該特定原子分率為0.005≤(ΣMe+2，3)≤0.1。
14.如權(quán)利要求9所述的熒光粉，其中該熒光粉的平均直徑10≤d≤14微米，中位線直徑4≤d50≤10微米。
15.一種白光二極管光源的熒光粉之制作方法，其包括下列步驟秤取如下BaCO3、SrCO3、EuCl2及SiO2顆粒并加以混合；在混合料中加入MgCO3及CaCO3；將配料充分混合，然后置于一坩堝中，再放入分隔為2個(gè)區(qū)之一熔爐中；在熔爐的第一區(qū)中，當(dāng)溫度升至第一溫度時(shí)，碳酸鹽分解，生成堿土金屬的正位硅酸鹽和銪；在熔爐的第二區(qū)中，當(dāng)溫度升至第二溫度時(shí)，加入還原性氣體混合物；在該熔爐退場(chǎng)門(mén)處取出該坩堝，將該坩堝中的物質(zhì)放入一溶液中；以及使用一儀器對(duì)干燥的熒光粉進(jìn)行測(cè)試，確定其參數(shù)。
16.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該BaCO3為30g，SrCO3為100g，EuCl2為0.9g而SiO2為30g。
17.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該BaCO3、SrCO3、EuCl2及SiO2顆粒為超分散顆粒且其顆粒直徑為10～50nm。
18.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該MgCO3為10g而該CaCO3為5g。
19.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該坩堝可為一剛鋁石坩堝。
20.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該第一溫度為1300℃，該第二溫度為1260℃。
21.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該還原性氣體混合物為H2∶N2＝5∶95。
22.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該溶液為CH3COOH溶液，且其比例為1∶10。
23.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其中該儀器為CS-2102儀器，其可測(cè)試該熒光粉之亮度，輻射亮度，色品坐標(biāo)，峰值波長(zhǎng)等參數(shù)。
24.如權(quán)利要求15所述的制作方法，其于該在混合料中加入MgCO3及CaCO3步驟中。
25.一種白光二極管光源的熒光粉的制作方法，其包括下列步驟用一沉淀劑在特定的反應(yīng)器中發(fā)生凝膠作用；將所得凝膠干燥至所含水的質(zhì)量至一特定濃度；用一磨具將其磨成粉末；將該粉末放入一坩堝中；以及加熱至一特定溫度即得該熒光粉。
26.如權(quán)利要求25所述的制作方法，其中該沉淀劑為H4Si3.5F0.5。
27.如權(quán)利要求25所述的制作方法，其中該特定濃度為含水5-10％。
28.如權(quán)利要求25所述的制作方法，其中該磨具為行星球磨機(jī)。
29.如權(quán)利要求25所述的制作方法，其中該坩堝可為一剛鋁石坩堝。
30.如權(quán)利要求25所述的制作方法，其中該特定溫度不超過(guò)1150℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種白光二極管光源及其熒光粉的制法，其中該白光二極管由至少兩個(gè)分別輻射不同波長(zhǎng)的藍(lán)光和紫外光的異質(zhì)結(jié)架構(gòu)成，此外還包括一個(gè)光譜轉(zhuǎn)換器，該光譜轉(zhuǎn)換器被激發(fā)產(chǎn)生的輻射與氮化物異質(zhì)結(jié)的兩種原始輻射相混合，最終合成白光，并可通過(guò)改變異質(zhì)結(jié)的電功率調(diào)節(jié)白光的色度。該光譜轉(zhuǎn)換器的基體是化學(xué)式為Mg(Ca，Sr，Ba)
文檔編號(hào)H01L33/00GK1851918SQ20061008385
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者索辛那姆 申請(qǐng)人:任慰