CN100555658C - 金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体和发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明特别提供了依据下式的荧光体：[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X(I)，其中，x、y和z为任何值，其中x+y+z＝1；Bv为一种或多种二价碱土金属离子，Mv为一种或多种一价碱金属离子，Tv为一种或多种三价金属离子；Rε为一种或多种选自Eu²⁺或Mn²⁺离子的激活剂，X为一种或多种卤化物，m为1或0，条件是如果m为1并且提供对支持有用发光有效的氧化硅量，则n大于3，或者如果m为0，则n为1。

Description

金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体和发光装置

技术领域

本发明涉及金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体，制备该荧光体的方法，以及用该荧光体进行调节(modify)的半导体发光装置。

背景技术

在发光应用中，荧光体可用来调节或控制光输出的波长。例如，通过沿发射路径放置荧光体以便将光转换成较长的波长，可增强紫外或蓝光发光二极管(LED)来产生可见光或次(less)蓝光。发蓝光、绿光和红光的荧光体可用来将紫外光调节为白光。发绿光和红光的荧光体可用来将蓝光输出调节为白光。发黄光的荧光体可与来自蓝色发光二极管或发蓝光荧光体的光混合产生白色度的光。当与合适的光源相配时，本文中所描述的荧光体可用于这些应用。

包含半导体光源(例如LED)的发射近紫外光的固态发光装置有希望以足够的效率产生光，有了使用合适的荧光体调节为可见范围的光发射，可成本有效地使用它们来提供用于电子器件以及一般照明(general illumination)的宽范围的发光装置。这些半导体发光二极管的晶格通常是InGaN基的且被小部分镁掺杂以产生对于电子和空穴的辐射复合足够的缺陷。例如，Nichia公司(Anan-shi，Japan)已经制成名为NCCU033E的100mW InGaN基半导体光源，和名为NCCU001E的85mW GaN基半导体光源。为了在发光产品中利用这些近紫外光源，需要具有合适的激发和发射特性的荧光体。

对于近紫外LED装置，使用荧光体将360至420nm的主要发射波长转换为可见光，尤其是产生白光。这些荧光体可分类成发红光、发绿光和发蓝光的元件。存在为其它应用开发的一些现有荧光体，其具有允许可见光发射的激发曲线。发绿光的例子包括(Ba_1-x-y，Ca_xSr_y)₂(Mg_1-zZn_z)Si₂O₇:Eu、Ca₈Mg(SiO₄)₄C₁₂:Eu，Mn、Ba₂SiO₄:Eu、Ba₂MgSi₂O₇:Eu、Ba₂ZnSi₂O₇:Eu、BaAl₂O₄:Eu、SrAl₂O₄:Eu、BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu、和Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu，Mn。发蓝光的例子包括BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu、(Sr，Ba，Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu和Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu。在360至420nm波长范围内的近紫外光可相当有效地激发这些荧光体。发红光的例子包括Y₂O₂S:Eu，Bi、Y₂O₃:Eu，Bi和3.5MgO·0.5MgF₂·GeO₂:Mn。

然而，这些荧光体中的一些并不理想地适合于波长转换，并且在许多情况下，当被400nm的典型紫外LED波长激发时，具有低的效率。仍然需要设计成具有所需的发射特性并且具有理想地适合于紫外LED的激发曲线的荧光体。

已描述了某些异质二价铕和锰活化的、金属卤化物-氧化硅荧光体(Lehmann，J.Elect.Soc.22：748-52，1975)，但是没有描述应用。用铕或铕加锰掺杂的该荧光体被表述为“分散在较大和不发光的SiO₂颗粒内部的小偏析物中的发光卤化物”(加以强调)。根据该作者的观点，X射线衍射数据“通常仅显示对应于SiO₂的α-方石英变体的谱线。存在的任何其它成分一定是非晶态的或者其量太少以致于不能由常规X射线分析检测出(可检测极限：百分之几)”。这些荧光体被描述为通过在过量卤化铵存在下于略微还原性的气氛中焙烧制得。尝试再现这种制备方法时产生了爆炸。通过下述方法处理的材料产生由XRD分析重复显示具有金属链硅酸盐和晶态氧化硅组成的产品。

金属硅酸盐-氧化硅基的多形态荧光体可有效地与发近紫外或蓝光的半导体或LED光源一起用作波长转换器。它们能够提供可用近紫外光有效激发的稳定荧光体，包括发红光荧光体、发粉红光荧光体、发蓝光荧光体等等。可将本发明的不同荧光体，或这样的(一种或多种)荧光体与其它荧光体混合来获得包括白光的不同色度。

发明内容

示例性实施方案

一系列活化的金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体被认为可用于这些应用。在一个实施方案中，本发明的荧光体依照于下式：

[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X    (I)其中Bv是一种或多种二价金属离子；Mv是一种或多种一价离子；Tv是一种或多种三价金属离子；x、y和z为使得x+y+z＝1的任何值；Rε是一种或多种选自Eu²⁺和Mn²⁺的激活剂；X是选自F^-、Cl^-、Br^-或I^-的一种或多种一价卤离子。Rε以例如对提供发光发射有效的量存在。m值为1或0。如果m＝1，则n值＞3，从而提供对支持(host)有用发光有效的氧化硅量。如果m＝0，则n值为1。Bv、Mv和Tv是维持金属硅酸盐形成的金属离子。如本文中所使用的，术语“卤化物”是指包含离子键合的金属阳离子和VII族元素的阴离子的晶态材料。

认为当存在Mv与Bv，或Mv与Tv，或Bv与Tv，或Mv、Bv与Tv的混合时，Mv的硅酸盐、Bv的硅酸盐和Tv的硅酸盐处于不同的晶相中。认为金属硅酸盐处在来自氧化硅(SiO₂)_n的不同相中。这些相不同的原因在于它们可在XRD数据中被检测。

金属硅酸盐以维持主体材料内其它晶体形成的量存在。认为有效的量包括例如荧光体组合物1-10％的量。n描述了基质氧化硅的量，其可为100％非晶态、100％方石英，包含石英，或二者之间的任意混合物。可由组成分析和MSiO₃量的XRD评估来确定n的值。

在一个实施方案中，Bv为碱土金属离子，例如Be、Mg、Ca、Sr或Ba中的一种或多种离子。在一个实施方案中，Bv为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg中的一种或多种离子。在一个实施方案中，Bv为Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd或Hg中的一种或多种离子。在一个实施方案中，Tv为Al、Ga、In、Sc、Y或La中的一种或多种离子。在一个实施方案中，Mv为一种或多种碱金属离子，例如Li、Na或K。

该组合物可以非常稳定，因为其在85％相对湿度下于85℃下400小时之后保持85％或更多、86％或更多、87％或更多、88％或更多、89％或更多、90％或更多、91％或更多、或者92％或更多的其相对发射强度。

在某些实施方案中，组合物中Rε的摩尔百分比为氧化硅(SiO₂)(或者，在一些实施方案中，为配方成分)的0.001％-10％。在某些实施方案中，Rε的摩尔百分比范围始于(from)下面的下端点之一(包括端值)，或始于下面的上端点之一(包括端值)。下端点为0.001％、0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％、4％和5％。上端点为0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％和10％。例如，该范围可为0.01％-5％。

在某些实施方案中，组合物中X的摩尔百分比为氧化硅(SiO₂)(或者，在一些实施方案中，为配方成分)的0.002％-5％。在某些实施方案中，Rε的摩尔百分比范围始于下面的下端点之一(包括端值)，或始于下面的上端点之一(包括端值)。下端点为0.002％、0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％和4％。上端点为0.01％、0.02％、0.05％、0.1％、0.2％、0.5％、1％、2％、3％、4％和5％。例如，该范围可为0.01％-5％。

在某些实施方案中，BvSiO₃和/或Mv₂SiO₃和/或Tv₂(SiO₃)₃的摩尔百分比为氧化硅(SiO₂)(或者，在一些实施方案中，为配方成分)的0.1％-40％。在某些实施方案中，BvSiO₃和/或MvSiO₃和/或Tv₂(SiO₃)₃的摩尔百分比始于下面的下端点之一(包括端值)，或始于下面的上端点之一(包括端值)。下端点为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.7％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、30％和40％。上端点为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.7％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、30％、40％和50％。例如，该范围可为5％-10％。

在某些实施方案中，x＝1。在某些实施方案中，y＝1。在某些实施方案中，z＝1。在某些实施方案中，x、y和z中的一个或两个为零。

在某些实施方案，X为卤化物且为≥99.9％(摩尔)的指定金属卤化物，例如≥99.9％(摩尔)的含氯金属化物，或≥99.9％(摩尔)的含碘金属卤化物，或≥99.9％(摩尔)的含溴金属卤化物。X通常以使Rε电荷中和的量存在。

附图说明

图1(实施例1)、4(实施例2)、5(实施例3)、7(实施例4)、8(实施例5)、10(实施例6)、11(实施例7)和12(实施例8)显示了本发明荧光体的激发和发射光谱。

图2(实施例1)和6(实施例3)显示了本发明荧光体的稳定性数据。

图3(实施例1)和9(实施例5)显示了本发明荧光体的X射线衍射数据。

图13和14显示了发光装置。

图15说明了发射近紫外光的半导体光源的示例性分层结构。

具体实施方式

发明详述

认为荧光体的主体材料为多形态的金属硅酸盐和氧化硅。氧化硅即SiO₂构成主体材料的较大部分。氧化硅能够以方石英形式结晶，其是由通过共用氧原子而结合在一起的SiO₄四面体单元所形成。该晶体可具有四方晶系的P4₃2₁2空间群。氧化硅还可以石英或非晶态形式存在。认为金属硅酸盐BvSiO₃和Mv₂SiO₃是以链硅酸盐的形式存在，在该链硅酸盐中，四面体聚合是基于(SiO₃)，如同在辉石硬玉(pyroxenejadeite)，NaAl[Si₂O₆]，和具有四面体聚合的双链硅酸盐中那样，如在角闪石蓝闪石(amphilbole glaucophane)中发现的。通常，(SiO₃)单元通过共用SiO₄四面体的氧原子形成单链，并且该单链以三的倍数重复它们的四面体生长或平移模式，形成硅灰石、方解石或顽辉石(enstalite)。

在本发明的许多实施方案中，于高温下形成荧光体的反应被认为是氧化硅结晶成方石英，同时在该晶体中引入激活剂Eu²⁺和/或Mn²⁺。通过在焙烧温度下是液态的介质维持该反应。换言之，通过“助熔剂(flux)”。存在可在结晶温度范围内熔融的其它类型的金属硅酸盐。这些硅酸盐可用作助熔剂，在例如约900℃至约1300℃的温度下提供流体介质。

例如合成可包括：(1)提供合适的前体混合物(例如，金属碳酸盐，和/或金属硝酸盐，和/或金属氧化物，和/或金属卤化物一例如含氟、碘、溴和/或氯的金属卤化物，例如CaCl₂，和/或任选地，卤化物X的源)，其中在混合的某时刻，可使用浆料来确保反应物成分的紧密接触以备固态化学反应；(2)任选研磨该混合物，以获得无机固体在细颗粒水平上的进一步接触；(3)任选干燥该混合材料；(4)任选在还原气体例如氢气下于指定的第一温度下加热；(5)任选混入另外的X前体；(6)在高于指定的第一温度的温度下在还原气体下焙烧；(7)任选用对洗去未反应成分有效的溶剂洗涤荧光体；和(8)任选应用后形成处理例如筛分或粒度分级(size separation)。

可以清楚的是，在形成反应中提供的材料可以不完全转变成式I的形式，并且并非所有的未反应材料都可被洗去(如果使用洗涤步骤的话)。然而，认为式I描述了提供荧光体的相的有效主体(hosting)和助熔剂。

第一温度可以是例如700至1100℃。例如，其可以是由700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃或1000℃向上的范围。或者由1100℃、1090℃、1080℃、1070℃、1060℃、1050℃、1040℃、1030℃、1020℃、1010℃、1000℃、990℃、980℃、970℃、960℃、950℃、940℃、930℃、920℃、910℃、900℃、890℃、880℃、870℃、860℃、850℃、840℃、830℃、820℃、810℃、800℃向下的范围。

焙烧可在例如900至1300℃下。例如，其可以是由900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃、1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1180℃、1190℃或1200℃向上的范围。或者由1300℃、1290℃、1280℃、1270℃、1260℃、1250℃、1240℃、1230℃、1220℃，1210℃、1200℃、1190℃、1180℃、1170℃、1160℃、1150℃、1140℃、1130℃、1120℃、1110℃、1100℃、1090℃、1080℃、1070℃、1060℃、1050℃、1040℃、1030℃、1020℃、1010℃或1000℃向下的范围。焙烧可在例如高于熔化温度40℃或更多、50℃或更多、60℃或更多、70℃或更多、48℃或更多、90℃或更多、或者100℃或更多的温度下。

在某些实施方案中，SiO₂成分为基本上0％的方石英、且其余为非晶形或石英，或者为指定摩尔百分比或更多的方石英、且其余为非晶形或石英。指定的摩尔百分比可为例如1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100％。或者，SiO₂成分可为指定摩尔百分比或更少的方石英。第二指定百分比可为例如1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90或95％。

在某些实施方案中，x基本为1。在其它实施方案中，x基本为0。在某些实施方案中，z基本为0。在某些实施方案中，z＝0，并且x或v为0.5或更小、0.49或更小、0.48或更小、0.47或更小、0.46或更小等等以0.01的增量直到0.01或更小。在某些实施方案中x或y或z为0.50或更小、0.49或更小、0.48或更小、0.47或更小、0.46或更小等等以0.01的增量直到0.01或更小。

在某些实施方案中，本发明荧光体的量子效率为40％或更大。

使用在300-500nm±10nm发光的激发源测量本发明的金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体的发射峰。在某些实施方案中，发射峰范围是从下面的下端点之一(包括端值)到下面的上端点之一(包括端值)。下端点为360、361、362、363，并且每一纳米地增至799nm。上端点为800、799、798、797，并且每一纳米地降至361。

在一些实施方案中，下端点为430、431、432，并且每一纳米地增至489nm。在某些实施方案中，上端点为490、489、488，并且每一纳米地降至431nm。

在一些实施方案中，下端点为500、501、502，并且每一纳米地增至559nm。在某些实施方案中，上端点是560、559、558，并且每一纳米地降至501nm。

在一些实施方案中，下端点为590、591、592，并且每一纳米地增至659nm。在某些实施方案中，上端点是660、659、658，并且每一纳米地降至591nm。

在某些实施方案中，用波长为400-420nm的光有效地激发(足以与相应的半导体发光装置一起使用)荧光体。

Rε基本上完全由Eu或Mn或其二者组成，而仅仅包含少量例如4％或更少、2％或更少、1％或更少、0.5％或更少、0.4％或更少、0.3％或更少、0.2％或更少、或者0.1％或更少的激活剂，可以是其它(一种或多种)激活剂。

在备选的金属离子M中，Mg离子和Ba离子是较不优选的。在某些实施方案中，M为99％(摩尔)或更多、99.1％或更多、99.5％或更多、99.7％或更多、99.8％或更多、99.8％或更多、或者99.9％或更多的一种金属(例如，Ca)。

在某些实施方案中，荧光体是依据[(CaSiO₃)]_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-，对Eu²⁺和Mn²⁺的浓度和比例进行选择以提供介于600nm与640nm或620nm与660nm(或前述范围之一的包含范围)之间的峰发射，和x＝0.62±0.06、y＝0.30±0.06的色度。

在某些实施方案中，荧光体是依据[(CaSiO₃)]_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-，对Eu²⁺的浓度进行选择以提供介于445nm与480nm、或455nm与475nm、或445nm与475nm(或前述范围之一的包含范围)之间的峰发射，和x＝0.20±0.06、y＝0.10±0.06的色度。

在某些实施方案中，荧光体是依据[(CaSiO₃)]_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl^-，对Eu²⁺和Mn²⁺的浓度和比例进行选择，以提供x＝0.40±0.06、y＝0.20±0.06的色度。

当用于发光装置时，认为荧光体可被来自一次光源例如在300-420nm的波长内发射的半导体光源的光所激发，或者被二次光例如由在同样波长范围内发射的其它(一种或多种)荧光体发射的光所激发。在激发光是二次光时，对于本发明的荧光体，激发诱导光是相关的光。使用本发明荧光体的装置可包括镜子，例如介质镜，用以将荧光体产生的光导向光输出而不是装置内部(例如一次光源)。

在某些实施方案中，半导体光源可发射300nm或更大、或者305nm或更大、或者310nm或更大、以及那些其它以5nm的增量至400nm或更大的光。在某些实施方案中，半导体光源可发射420nm或更小、或者415nm或更小、或者410nm或更小、如此以5nm的增量至350nm或更小的光。

可用粘合剂或固化剂、分散剂(即，光散射材料)、填料等使荧光体颗粒分散在发光装置内。粘合剂可以是，例如可光固化的聚合物，诸如丙烯酸树脂、环氧树脂、聚碳酸酯树脂、硅酮树脂、玻璃、石英等。可通过本领域公知的方法将荧光体分散在粘合剂中。例如，在一些情形中，可将荧光体悬浮在溶剂中，并且将聚合物悬浮、溶解或部分溶解在溶剂中，将该浆料分散在发光装置上，并将溶剂蒸发。在一些情形中，可将荧光体悬浮在树脂的液态预固化前体中，分散浆料，并且固化聚合物。可例如通过加热、紫外光或在前体中混入固化剂(例如自由基引发剂)来固化。或者，在另一实例中，可加热使粘合剂液化，形成浆料，以及分散该浆料且使其原位凝固。分散剂包括例如氧化钛、氧化铝、钛酸钡、二氧化硅等。

可以预料的是，本发明的发光装置将使用半导体光源例如LED来或者产生激发能量，或者激发另一系统以提供用于荧光体的激发能量。利用本发明的装置可包括，例如，产生白光的发光装置，产生靛蓝光的发光装置、产生蓝光的发光装置，产生绿光的发光装置，产生黄光的发光装置，产生橙色光的发光装置，产生粉红光的发光装置，产生红光的发光装置，或具有由本发明荧光体的色度与一种或多种第二光源的色度之间的连线所限定的输出色度的发光装置。交通工具的前灯或其它导航灯可用本发明的装置制成。这些装置可以是用于小型电子装置例如蜂窝电话和PDA的输出指示器。这些发光装置还可以是用于蜂窝电话、PDA和膝上型计算机的液晶显示器的背灯。在给以合适的电力供应下，室内照明可基于本发明的装置。通过选择来自本发明荧光体的光与来自第二光源的光的比例可调节发光装置的暖度(即，黄/红色度的量)。

合适的半导体光源是产生的光可激发荧光体、或者可激发一种荧光体进而该荧光体激发本发明的荧光体的任何半导体光源。这样的半导体光源可以是例如Ga-N型半导体光源、In-Al-Ga-N型半导体光源等。在一些实施方案中，使用发蓝光或近紫外光的半导体光源。

对于使用至少两种不同荧光体的半导体光源，可能有用的是将这些荧光体分别分散，并且叠置荧光体层而不是将这些荧光体一同分散在一种基质中。这种分层方法可用来通过多种颜色转换过程而获得最终的光发射颜色。例如，光发射过程是：第一荧光体吸收半导体光源的光发射，第一荧光体发射光，第二荧光体吸收第一荧光体的光发射，和第二荧光体发射光。

图15显示了半导体光源的示例性分层结构。该蓝光半导体光源包含衬底Sb，如蓝宝石衬底。例如，可以如同氮化物半导体层的顺序形成缓冲层B、n-型接触层NCt、n-型包覆层NCd、多量子阱活性层MQW、p-型包覆层PCd和p-型接触层PCt。例如，可通过有机金属化学气相沉积(MOCVD)在衬底Sb上形成这些层。然后，在p-型接触层PCt的整个表面上形成透光电极LtE，在一部分透光电极LtE上形成p电极PEl，并且在一部分n-型接触层NCt上形成n电极NEl。可通过例如溅射或真空沉积来形成这些层。

多量子阱结构是具有竖向结合的多于一个量子阱结构的多层结构，并且包括例如具有夹在p-型包覆层和n-型包覆层之间的光发射层的双异质结构。单量子阱结构是一种三层结构，其由两个阻挡层和被包覆在其间的量子阱层组成。量子阱结构中的各层由半导体材料形成，并且量子阱层的带隙大于两个阻挡层的带隙。

缓冲层B可由例如AlN形成，而n-型接触层NCt可由例如GaN形成。

n-型包覆层NCd可由例如Al_rGa_1-rN形成，其中0≤r＜1，p-型包覆层PCd可由例如Al_qGa_1-qN形成，其中0＜q＜1，而p-型接触层PCt可由例如Al_sGa_1-sN形成，其中0≤s＜1且s＜q。使p-型包覆层PCd的带隙大于n-型包覆层NCd的带隙。n-型包覆层NCd和p-型包覆层PCd各自可具有单一组成结构，或者具有的结构使得上述厚度不大于100埃且在组成上彼此不同的氮化物半导体层叠置在彼此之上以便提供超晶格结构。当层厚度不大于100埃时，可防止层内出现裂纹或晶体缺陷。

多量子阱活性层MQW可由多个InGaN阱层和多个GaN阻挡层组成。阱层和阻挡层可具有不大于100埃、优选60至70埃的厚度，以便构成超晶格结构。由于InGaN晶体比其它含铝氮化物半导体例如AlCaN软，因此在构成活性层MQW的层内使用InGaN可提供这样的优点，即所有的叠置氮化物半导体层不大可能开裂(crack)。多量子阱活性层MQW还可由多个InGaN阱层和多个AlGaN阻挡层组成。或者，多量子阱活性层MQW可由多个AlInGaN阱层和多个AlInGaN阻挡层组成。在这种情形中，可使阻挡层的带隙能量大于阱层的带隙能量。

可在离开多量子阱活性层MQW的衬底Sb侧面上提供反射层，例如，在n-型接触层NCt的缓冲层B侧面上。也可在远离叠置于衬底Sb上的多量子阱活性层MQW的衬底Sb的表面上提供反射层。该反射层可具有关于从活性层MQW发射出的光的最大反射率(reflectance)，并且可由例如铝形成，或者可具有薄GaN层的多层结构。反射层的提供使得从活性层MQW发射出的光被反射层反射，这可降低从活性层MQW发射出的光的内吸收，可增加向上输出的光的量，并且可减少光源底座上的光线入射以防止劣化。

图13-14显示了一些示例性半导体光源-荧光体结构。图13显示了具有由导线2供电的半导体光源芯片1的发光装置10，并且具有安置在半导体光源芯片和光输出6之间的含荧光体的材料4。反射器3可用来集中光输出。透明封罩5可将半导体光源和荧光体与环境隔开并且/或者提供透镜。图14的发光装置20是具有多个半导体光源芯片11、导线12、含荧光体材料14和透明封罩15的板式装置。

本领域普通技术人员清楚，存在许多方式使荧光体与半导体光源相联系使得来自半导体光源的光可通过其与荧光体的相互作用而被控制。美国公开专利申请No.2004/0145289和2004/0145288说明了其中远离半导体光源光输出放置荧光体的发光装置。美国公开专利申请No.2004/01450307和2004/0159846另外说明了(但不限制)可用在本发明中的发光装置。

半导体光源基白光装置可用在例如自发射型显示器中，该自发射型显示器用于在音频系统、家用电器、测量仪器、医疗器械等的显示部分上显示预定图案或图形图样。这种半导体光源基发光装置也可用作例如LCD显示器、打印机头、传真机、复印设备等的背灯。

在可与本发明荧光体混合的其它荧光体中，认为有用的一些包括在本说明书初始段落中所指出的那些荧光体。

在其它可与本发明荧光体混合的其它荧光体中，认为有用的一些荧光体包括：Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG)、Lu₃Ga₂(AlO₄)₃:Ce³⁺、La₃In₂(AlO₄)₃:Ce³⁺；Ca₃Ga₅O₁₂:Ce³⁺、Sr₃Al₅O₁₂:Tb³⁺、BaYSiA1O₁₂:Ce³⁺、CaGa₂S₄:Eu²⁺、SrCaSiO₄:Eu²⁺、ZnS:Cu、CaSi₂O₂N:Eu²⁺、SrSi₂O₂N:Eu²⁺、SrSiAl₂O₃N₂:Eu²⁺、Ba₂MgSi₂O₇:Eu²⁺、Ba₂SiO₄:Eu²⁺、La₂O₃.11Al₂O₃:Mn²⁺、Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₄:Eu²⁺，Mn²⁺、(CaM)(Si，Al)₁₂(O，N)₁₆:Eu²⁺，Tb³⁺，Yb³⁺、YBO₃:Ce³⁺，Tb³⁺、BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺，Mn²⁺、(Sr，Ca，Ba)(Al，Ga)₂S₄:Eu²⁺、BaCaSi₇N₁₀:Eu²⁺、(SrBa)₃MgSi₂O₈:Eu²⁺、(SrBa)₂P₂O₇:Eu²⁺、(SrBa)₂Al₁₄O₂₅:Eu²⁺、LaSi₃N₅:Ce³⁺、(BaSr)MgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺、和CaMgSi₂O₇:Eu²⁺。

对于涉及基本为气相的合成过程，本文中所描述的温度是所讨论的炉或其它反应容器的温度，而不是反应物自身的温度。

“白光”是某些色度值的光，其在本领域中是公知且完全公开的。

以下实施例进一步说明了本发明，但是当然，不应将其理解为以任何方式对本发明的范围进行限制。

实施例1a：(CaSiO₃)·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I的制备

将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g CaO(7摩尔％)、0.78g CaF₂(1摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和21g NH₄I(14.4摩尔％)以干粉形式混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于氮氢混合气体(forming gas)(N₂中含5％v/v的H₂)中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄I并再次混合该粉末。在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧该混合粉末1小时。得到的荧光体为(CaSiO₃)·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-。图3中所示的X射线衍射图案(相对于硅石灰链硅酸盐、石英和方石英氧化硅所示)证明，氧化硅是方石英形式，而链硅酸钙是硅石灰形式。如图1中所示，在410nm光激发下荧光体发射出峰值在635nm的明亮红光。在图2中显示了当经受85℃和85％相对湿度时该荧光体的长期稳定性(寿命)。

实施例1b-f：CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I的制备

使用实施例1a的方法，不同之处在于改变Eu²⁺与Mn²⁺的比例以便获得下列荧光体。

实施例2：CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl的制备

通过干研磨，将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g CaO(7摩尔％)、0.78g CaF₂(1摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和14g NH₄Cl(26摩尔％)混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于干燥氮气中焙烧1小时。在材料冷却至室温后，添加14g的NH₄Cl并再次混合该材料。然后将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl^-。如图4中所示，在410nm的光激发下该荧光体发射出峰值在422nm和585nm的明亮橙-红光。

实施例3a：CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I的制备

将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g CaO(7摩尔％)、0.78g的CaF₂(1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和14g NH₄I(9.6摩尔％)以干粉形式混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于干燥氮气中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄I并再次混合。将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-，并且如图5中所示，其在410nm的光激发下发射出峰值在465nm的明亮蓝光。该荧光体显示出具有硅石灰CaSiO₃和方石英SiO₂的多形态晶体组成。寿命在图6中示出。

实施例3b-i：CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I的制备

使用实施例3a的方法，不同之处在于改变Eu²⁺与Mn²⁺的比例以获得下列荧光体。

实施例4：CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Br的制备

通过干研磨将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g CaO(9.7摩尔％)、0.78g CaF₂(1摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和16g NH₄Br(16摩尔％)混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄Br并再次混合。将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Br^-，并且如图7中所示，在400nm的光激发下该荧光体发射出明亮的蓝光(430nm)和橙光(584nm)。

实施例5：MgSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-的制备

将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g的MgO(7摩尔％)、0.115g的MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和14g NH₄I(15mole％)以干粉形式混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g NH₄I并再次混合。将该混合物粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为([Mg]SiO₃)·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-。如图9中显示的X射线衍射图案(相对于顽辉石Mg以及相对于石英示出)所证明，氧化硅SiO₂是以方石英形式结晶，并且链硅酸镁是顽辉石形式。该衍射图案显示氧化硅主要是非晶态的。如图8中所示，这种荧光体在410nm的光激发下发射(430nm的蓝光和644nm的红光)。

实施例6：MgSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Br^-的制备

通过干研磨将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g MgO(7摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和16gNH₄Br(16.3摩尔％)混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后在900℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄Br并再次混合。将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为MgSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Br^-，如图10中所示，该荧光体在400nm的光激发下发射(410nm的蓝光、475nm的蓝光和620nm的红光)。

实施例7：CaSiO₃:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-的制备

通过于研磨将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、3.9g CaO(7摩尔％)、0.78g CaF₂(1摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和16g NH₄I(11摩尔％)混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后将该粉末在900℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄I并再次混合。将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为CaSiO₃:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-。如图11中所示，该荧光体在400nm的光激发下发射(460nm的蓝光和610nm的红光)。

实施例8：(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-的制备

通过干研磨将氧化铕Eu₂O₃(1.14g，0.65摩尔％)、0.78g CaF₂(1摩尔％)、0.115g MnCO₃(0.1摩尔％)、60.08g硅酸(100摩尔％)和16g NH₄I(11摩尔％)混合。将该混合粉末在140℃下于干燥氮气中进一步干燥4小时。然后将该粉末在900℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。在材料冷却后，添加14g的NH₄Br并再次混合。将该混合粉末在1000℃下于氮氢混合气体中焙烧1小时。得到的荧光体为(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-，如图12中所示，该荧光体在400nm的光激发下发射(430nm的蓝光和640nm的红光)。

实施例9：用410nm发射的LED芯片和第一荧光体掺合物制备白光装置

荧光体掺合物由实施例1中制得的发红光金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-、发绿光荧光体BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺，Mn²⁺(BAM:Eu，Mn)(G)和实施例3中制得的发蓝光荧光体CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-(B)制成。以合适的重量比例混合这三种荧光体并且用环氧树脂进一步混合该荧光体掺合物以形成浆料。将该浆料施用到在410nm下发射的InGaN基LED芯片上。该装置产生具有白颜色的光，可通过改变这三种荧光体的比例来变化其颜色坐标。

实施例10：用410nm发射的LED芯片和第二荧光体掺合物制备白光装置

荧光体掺合物由实施例1中制得的发红光金属硅酸盐-氧化硅基多形态荧光体CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-、发绿光荧光体SrGa₂S₄:Eu²⁺(STG:Eu)(G)和实施例3中制得的发蓝光荧光体CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-(B)制成。以合适的重量比例混合这三种荧光体并且用环氧树脂进一步混合该荧光体掺合物以形成浆料。将该浆料施用到在410nm下发射的InGaN基LED芯片上。该装置产生具有白颜色的光，可通过改变这三种荧光体的比例来变化其颜色坐标。该装置结构可如图13中所示。

实施例11：用410nm发射的LED芯片和发紫光荧光体制备紫光装置

将单一荧光体即实施例2中制得的发紫光CaSiO₃·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl^-与环氧树脂混合以形成浆料。将该浆料施用到在410nm下发射的InGaN基LED芯片上。该装置产生具有紫颜色的光。这种光颜色适合于娱乐环境中的某些照明。

通过引用将本说明书中引用的出版物和参考文献(包括但不限于专利和专利申请)整体并入本文中，在整个引用部分中如同具体且分别表示各个单独出版物和参考文献是通过引用以完全记载的方式并入本文中，本申请所要求优先权的任何专利申请也以前述关于出版物和参考文献的方式通过引用并入本文中。

尽管着重于优选实施方案对本发明进行了描述，然而本领域的技术人员清楚，可使用优选装置和方法的变体，并且意图是可以以不同于本文所具体描述的方式来实施本发明。因此，本发明包括所附权利要求书限定的本发明精神及范围包含的所有改进。

本申请要求以下案件的优先权权益：2005年3月25日提交的美国专利申请序列号60/665,458；60/665,636；60/665,456；和60/665,457；2005年5月24日提交的美国专利申请序列号60/684,373和2005年6月10号提交的美国专利申请序列号11/149,648。

Claims (44)

1.一种发光装置，其包含：

产生波长至少为300nm的光输出的半导体光源；和

位于半导体光源和由该发光装置产生的光输出之间的波长管理器，其包含依据式(I)的荧光体：

[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X    (I)

其中：

x、y和z各为使得x+y+z＝1的任何值；

Bv为至少一种二价碱土金属离子；

Mv为至少一种一价碱金属离子；

Tv为至少一种三价金属离子；

Rε为至少一种选自Eu²⁺和Mn²⁺离子的激活剂；

X为至少一种卤化物离子；和

m为1或0，条件是：

如果m为1并且提供对支持有用发光有效的氧化硅量，则n大于3；或

如果m＝0，则n为1。

2.权利要求1的发光装置，其中Mv的至少一种一价碱金属离子选自Li、Na和K构成的组中。

3.权利要求1的发光装置，其中Bv的至少一种二价碱土金属离子选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Hg离子构成的组中。

4.权利要求3的发光装置，其中Bv的至少一种二价碱土金属离子选自Ca和Sr离子构成的组中。

5.权利要求1的发光装置，其中Tv的至少一种三价金属离子选自Al、Ga、In、Sc、Y和La离子构成的组中。

6.权利要求1的发光装置，其中Rε包含Eu²⁺离子。

7.权利要求1的发光装置，其中Rε包含Mn²⁺离子。

8.权利要求1的发光装置，其中Rε包含Eu²⁺和Mn²⁺离子。

9.权利要求1的发光装置，其中波长管理器包含至少一种另外的荧光体，其中该另外的荧光体调节由该发光装置产生的光输出。

10.权利要求9的发光装置，其中波长管理器改变半导体光源的光输出使得该发光装置的光输出为白光。

11.根据权利要求1的发光装置，其中半导体光源包含具有夹在p-型包覆层和n-型包覆层之间的发光层的量子阱结构。

12.根据权利要求11的发光装置，其中：

p-型包覆层由Al_qGa_1-qN形成，其中0＜q＜1；

n-型包覆层由Al_rGa_1-rN形成，其中0≤r＜1；且

任选地，p-型包覆层具有大于n-型包覆层带隙的带隙。

13.根据权利要求1的发光装置，其中半导体光源还包括含有铟和至少一个量子阱结构的发光层。

14.根据权利要求13的发光装置，其中：

任选地，至少一个量子阱结构包含至少一个InGaN阱层和至少一个GaN阻挡层；

任选地，至少一个量子阱结构包含至少一个InGaN阱层和至少一个AlGaN阻挡层；且

任选地，至少一个量子阱结构包含至少一个AlInGaN阱层和至少一个AlInGaN阻挡层；

其中：

至少一个阻挡层具有大于至少一个阱层带隙的带隙；和

任选地，至少一个阱层具有最多100埃的厚度。

15.根据权利要求1的发光装置，其中半导体光源包含至少一个量子阱结构。

16.根据权利要求15的发光装置，其中至少一个量子阱结构为单量子阱结构。

17.根据权利要求15的发光装置，其中至少一个量子阱结构为多量子阱结构。

18.根据权利要求1的发光装置，其中半导体光源在衬底上包含至少一个发光二极管(LED)。

19.根据权利要求1的发光装置，其中所述荧光体具有式：

(CaSiO₃)_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-

其中Eu²⁺和Mn²⁺离子的浓度与比例提供介于620nm和660nm之间的峰值发射以及x＝0.62±0.06、y＝0.30±0.06的色度。

20.根据权利要求1的发光装置，其中所述荧光体具有式：

(CaSiO₃)_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-

其中Eu²⁺和Mn²⁺离子的浓度与比例提供介于445nm和480nm之间的峰值发射以及x＝0.20±0.06、y＝0.10±0.06的色度。

21.根据权利要求1的发光装置，其中该荧光体具有式：

(CaSiO₃)_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl^-

其中Eu²⁺和Mn²⁺离子的浓度与比例提供x＝0.40±0.06、y＝0.20±0.06的色度。

22.根据权利要求1的发光装置，其中氧化硅包含方石英形式。

23.根据权利要求22的发光装置，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含方解石形式的金属硅酸盐。

24.根据权利要求22的发光装置，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含硅石灰形式的金属硅酸盐。

25.根据权利要求22的发光装置，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含顽辉石形式的金属硅酸盐。

26.根据式(I)的荧光体：

[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X    (I)

其中：

x、y和z各为使得x+y+z＝1的任何值；

Bv为至少一种二价碱土金属离子；

Mv为至少一种一价碱金属离子；

Tv为至少一种三价金属离子；

Rε为至少一种选自Eu²⁺或Mn²⁺离子的激活剂；

X为至少一种卤化物离子；且

m为1或0，条件是：

如果m为1并且提供对支持有用发光有效的氧化硅量，则n大于3；或

如果m为0，则n为1。

27.权利要求26的荧光体，其中Mv的至少一种一价碱金属离子选自Li、Na和K构成的组中。

28.权利要求26的荧光体，其中Bv的至少一种二价碱土金属离子选自Ca和Sr离子构成的组中。

29.权利要求26的荧光体，其中Bv的至少一种二价碱土金属离子选自Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd和Hg离子构成的组中。

30.权利要求26的荧光体，其中Tv的至少一种三价金属离子选自Al、Ga、In、Sc、Y和La离子构成的组中。

31.权利要求26的荧光体，其中Rε包含Eu²⁺离子。

32.权利要求26的荧光体，其中Rε包含Mn²⁺离子。

33.权利要求26的荧光体，其中Rε包含Eu²⁺和Mn²⁺离子。

34.权利要求26的荧光体，其中该荧光体具有式：

[(CaSiO₃)]_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，I^-，

其中Eu²⁺和Mn²⁺离子的浓度与比例提供介于620nm和660nm之间的峰值发射以及x＝0.62±0.06、y＝0.30±0.06的色度。

35.权利要求26的荧光体，其中该荧光体具有式：

[(CaSiO₃)]_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，I^-，

其中Eu²⁺离子的浓度提供介于445nm和480nm之间的峰值发射以及x＝0.20±0.06、y＝0.10±0.06的色度。

36.权利要求26的荧光体，其中该荧光体具有式：

(CaSiO₃)_m·(SiO₂)_n:Eu²⁺，Mn²⁺，Cl^-，

其中Eu²⁺和Mn²⁺离子的浓度与比例提供x＝0.40±0.06、y＝0.20±0.06的色度。

37.权利要求26的荧光体，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含硅石灰形式的金属硅酸盐并且氧化硅包含方石英形式。

38.权利要求26的荧光体，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含方解石形式的金属硅酸盐并且氧化硅包含方石英形式。

39.权利要求26的荧光体，其中Bv、Mv、Tv或其组合包含顽辉石形式的金属硅酸盐并且氧化硅包含方石英形式。

40.权利要求26的荧光体，其中X具有最多5％SiO₂的摩尔百分比。

41.制备依据式(I)的荧光体的方法：

[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X    (I)

其中：

x、y和z各为使得x+y+z＝1的任何值；

Bv为至少一种二价碱土金属离子；

Mv为至少一种一价碱金属离子；

Tv为至少一种三价金属离子；

Rε为至少一种选自Eu²⁺或Mn²⁺离子的激活剂；

X为至少一种卤化物离子；且

m为1或0，条件是：

如果m为1并且提供对支持有用发光有效的氧化硅量，则n大于3；或

如果m为0，则n为1；

该方法包括步骤：

a)提供合适的前体混合物，其任选地包括卤化物源；和

b)在900℃-1300℃的温度下、在还原气氛中和在卤化物源的存在下焙烧该合适的混合物，以产生荧光体，

其中荧光体的X具有最多5％SiO₂的摩尔百分比。

42.制备依据式(I)的荧光体的方法：

[(BvSiO₃)_x(Mv₂SiO₃)_y(Tv₂(SiO₃)₃)_z]_m·(SiO₂)_n:Rε，X    (I)

其中：

x、y和z各为使得x+y+z＝1的任何值；

Bv为至少一种二价碱土金属离子；

Mv为至少一种一价碱金属离子；

Tv为至少一种三价金属离子；

Rε为至少一种选自Eu²⁺或Mn²⁺离子的激活剂；

X为至少一种卤化物离子；且

m为1或0，条件是：

如果m为1并且提供对支持有用发光有效的氧化硅量，则n大于3；或

如果m为0，则n为1；

该方法包括步骤：

a)混合合适的前体；

b)形成浆料；

c)任选地，碾磨该浆料；

d)任选地，干燥该浆料；

e)任选地，在第一温度下于还原气体中加热该浆料；

f)任选地，另外混入X的前体；

g)在第二温度下于还原气体中焙烧任何的步骤b)到f)以产生产物，其中如果进行了e)，则第二温度高于第一温度；

h)任选地，用对除去未反应成分有效的溶剂洗涤步骤g)的产物，从而提供更纯产物；和

i)任选地，对步骤h)的更纯产物应用后形成处理。

43.权利要求42的方法，其还包含这样的步骤：在焙烧步骤之前，在还原气氛下将该合适的混合物在700℃至1100℃的温度加热，其中该加热是在低于焙烧步骤温度的温度下进行的。

44.权利要求43的方法，其中在加热步骤期间存在卤化物源。

Images