CN101353576B - 含氮荧光物质、其制造方法以及发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含氮荧光物质、其制造方法以及发光器件。该制造含氮荧光物质的方法包括：在含氮气的混合气体氛围中烧结由通式M2SiO4:Z表示的氧化物荧光物质，从而将所述氧化物荧光物质的至少一部分转化为由通式M2Si5N8:Z表示的含氮荧光物质，其中M是Sr、Ba和Ca中的至少一种，Z是选自Eu和Ce的至少一种活化剂。
Description
(本申请是申请号为200510081970.X、申请日为2005年7月14日、发明名称为“含氮荧光物质、其制造方法以及发光器件”的中国专利申请的分案申请。)
对相关申请的引用
本申请基于2004年7月14日递交的日本专利申请No.2004-207723并要求其优先权。该申请的全部内容通过引用全部结合到本申请中。
技术领域
本发明涉及制造含氮荧光物质的方法、含氮荧光物质以及使用含氮荧光物质的发光器件。
背景技术
如今，在各个领域都有越来越强的使用白色发光二极管(白光LED)的趋势。白光LED例如是这样发射白光的：从若干种荧光物质发射若干种光，每一种荧光物质用来偏移从LED芯片发射的部分光的波长，所述若干种光与从LED芯片发出的波长没有偏移的光混合，以获得白光。但是，在传统的白光LED中，由于在可见光区的长波长一侧难以获得光，从传统的白光LED发出的光变得有一点发黄。因为此，如果将这种白光用于显示应用或者医疗应用中的照射，则其在色调方面是不足的，因此有对能够发射有一点发红的白光的LED的强烈需求。
对于使用紫外或者蓝光发光二极管作为光源时能够发射发红的光的荧光物质，提出过氮化物荧光物质，其组成用下述通式表示：MXSiYNZ:Eu(其中M是Ca、Sr、Ba和Zn中的至少一种，Z＝(2/3)X+(4/3)Y，最好X＝2且Y＝5或者X＝1且Y＝7)。由于这种荧光物质能够吸收波长从300到550nm的短波长的光，并能够发射波长从550到750nm的长波长的光，通过应用这种荧光物质，就能够从紫外区的光发射从黄色到红色的光，同时吸收靛蓝、蓝和蓝绿可见光。
上述氮化物荧光物质可以这样制造：将荧光物质基础材料和用作活化剂的精炼金属或者其氮化物混合起来，然后在1200摄氏度到1600摄氏度的温度下使用氮化硼坩埚在氨气氛中烧结。在这种情况下，由于需要安装用于处理用作氛围气体的氨气的设备，并且由于过程复杂，需要使用大规模的制造设备，制造氮化物荧光物质的成本会很高。另外，如果要使用这种氮化物荧光物质制造能够发射白光的LED，则需要与该氮化物荧光物质结合使用另一种能够发射黄光或者蓝光的荧光物质。
如上所述，传统的氮化物荧光物质具有难以制造出表现出有用的发光特性、难以针对白色发射光的调节确定合适的混合比的问题。
发明内容
根据本发明的一个方面的制造含氮荧光物质的方法包括：将含两种或者多种金属元素的氧化物荧光物质装入由含碳材料制成的容器中；在含氮气的混合气体氛围中烧结所述氧化物荧光物质。
根据本发明另一方面的制造含氮荧光物质的方法包括：在含氮气的混合气体氛围中烧结由下述通式(1)表示的氧化物荧光物质，从而将所述氧化物荧光物质的至少一部分转化为由下述通式(2)表示的含氮荧光物质：
M2SiO4:Z (1)
M2Si5N8:Z (2)
其中M是Sr、Ba和Ca中的至少一种，Z是选自Eu和Ce的至少一种活化剂。
根据本发明的一个方面的含氮荧光物质包括由前述方法制造的含氮荧光物质。
根据本发明一个方面的发光器件包括：具有第一发射光谱的发光元件；以及包括用前述方法制造的含氮荧光物质的荧光层，该含氮荧光物质使第一发射光谱的至少一部分的波长偏移，从而表现出第二发射光谱，该第二发射光谱由至少一个发射光谱带构成，落在与所述第一发射光谱不同的波长区。
附图说明
图1的剖面图用于说明根据本发明一个实施例的发光器件的结构；
图2的曲线图图解了从用例3的荧光物质制造的近紫外LED的激发获得的发射光谱；
图3的曲线图图解了从用例3的荧光物质制造的蓝光LED的激发获得的发射光谱；
图4的曲线图图解了从用例7的荧光物质制造的近紫外LED的激发获得的发射光谱；
图5的曲线图图解了从用例7的荧光物质制造的蓝光LED的激发获得的发射光谱；
图6的曲线图图解了例7的荧光物质的激发光谱；
图7的曲线图图解了从用例8的荧光物质制造的近紫外LED的激发所获得的发射光谱。
具体实施方式
下面说明本发明的实施例。
在根据本发明的一个实施例的制造荧光物质的方法中，氧化物荧光物质被用作原料。最好，可用在这个例子中的氧化物荧光物质包括两种或者更多种金属元素，表现出的发射光谱落在从蓝色到橙色的区域内。这种氧化物荧光物质具有下述通式(1)表示的组成：
M2SiO4:Z (1)
其中M是Sr、Ba和Ca中的至少一种，Z是选自Eu和Ce的至少一种活化剂。
通过对上述氧化物荧光物质进行还原/氮化，可以获得氮化物荧光物质。这样制造的氮化物荧光物质能够从其整体发射光。通过控制用作原料的氧化物荧光物质的氮化，可以获得由氮化物荧光物质和原始的氧化物荧光物质组成的混合荧光物质，从而可以制造出一种混合荧光物质，其中包括可选比例的氮化物荧光物质和原始的氧化物荧光物质，其适合涂覆在近紫外或者蓝光发光二极管上。所述混合荧光物质中的组成比(氮化物荧光物质的重量/氧化物荧光物质的重量)可以通过例如改变烧结氛围(氢气的浓度等)和烧结条件(比如温度和时间)来改变。例如，当氛围中的氢气的浓度上升时，前述组成比会变高。另外，当使烧结温度更高或烧结时间更长时，前述组成比可以提高。
或者，可以通过烧结之后的处理来控制混和荧光物质中的前述组成比。更具体地，通过在前述烧结之后将荧光物质浸入强酸比如盐酸、硝酸和硫酸等的水溶液中，可以改变前述组成比。例如，当前述酸的浓度上升到pH＝1时，或者当浸入时间延长大约1小时时，氧化物荧光物质的重量可以降低，从而提高所述混合荧光物质中的前述组成比。
在本说明书中，术语“含氮荧光物质”不仅包括氮化物荧光物质，而且包括含有氮化物荧光物质和原始的氧化物荧光物质的混合荧光物质。
要用作原料的氧化物荧光物质最好是预先调整了、发光特性的高亮度氧化物荧光物质。因为，在通过对高亮度氧化物荧光物质的一部分进行还原/氮化来制造混合氧化物荧光物质的情况下，其高亮度会得到维持，从而使所得到的混合荧光物质也具有高亮度。
可以用任何传统方法合成所述氧化物荧光物质。例如，首先混合构成上述通式(1)中的M组分的原料粉末、SiO2粉末和Eu2O3粉末。对于构成M组分的原料粉末，可以使用SrCO3，BaCO3，CaCO3等。尽管对这些粉末的平均粒径没有任何特别的限制，但是最好将这些粉 末的平均粒径限制在0.1到10微米的范围内，以便这些粉末的固体反应能够均匀、充分地进行。这样获得的混合物然后在还原性的氮气/氢气氛围中在从1000到1400摄氏度的温度下进行烧结。在这个例子中，烧结的进行可以使用烧结辅助剂，比如氯化铵等。在完成烧结后，用球磨机将所述氧化物荧光物质研磨为粉末，然后用水清洗。之后，筛选所述粉末化微粒，以获得粒径从5到20微米的氧化物荧光物质，然后用干燥箱干燥。通过这些步骤，可以获得用作起始原料的氧化物荧光物质。但是，也可以使用可从市场上获得的氧化物荧光物质。
将所述氧化物荧光物质装入一个容器中以进行氧化物荧光物质的烧结。这里，对于容器的特征没有特别的限制，只要其能够将氧化物荧光物质装入即可，因此，除了所谓的坩埚之外，还可以使用各种结构的容器，比如盘状结构、杆状结构等。
由于用含碳材料制成的容器不会干扰反应系统，可以获得纯度高、发射特性优良的荧光物质。这样的容器的具体例子包括用碳或者碳化硅(SiC)制成的容器。容器也可以由碳和碳化硅的混合物制成。发明人进行的研究已经确认，氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)和石英都不适合用作要在这里使用的容器的材料(原因如下所述)。氧化铝(Al2O3)不适合是由于其干扰反应系统的氮化反应，氮化硼(BN)不适合用作要在这里使用的容器的材料是由于它在氮气/氢气氛围中会分解。石英不适合使用是由于用石英制成的容器在烧结温度下会熔化。这样，通过使用由碳或者碳化硅制成的容器，可以将氧化物荧光物质还原和氮化，从而获得所需的氮化物荧光物质。
在含氮气的还原性混合气体氛围中对其中装有氧化物荧光物质的容器进行烧结。所述含氮气的还原性混合气体氛围可以使用包含氢气和氮气的混合物来准备。氢气和氮气的混合比(H2∶N2)可以是约10∶90-70∶30(体积比)。如果氢气的含量低于这里的下限，则氧化物的还原会不充分。另一方面，如果氮气的含量低于这里的下限，则不可能获得所需量的含氮荧光物质。
氧化物荧光物质的还原/氮化可以这样实现：在例如1600摄氏度 或者更高的温度下烧结所述氧化物荧光物质。在烧结过程中，可以使用管式炉、小型炉(compact furnace)或者高频炉。烧结温度最好限制在1600到1700摄氏度的范围内。最好，应当在单个烧结步骤中进行烧结，在1600摄氏度或者更高温度下烧结2到10小时。但是，也可以分两步进行烧结，其中，首先在800到1400摄氏度的温度下进行1到3小时的第一烧结步骤，第二烧结步骤在1600摄氏度或者更高的温度下进行1到9小时。
通过上述工艺，可以获得含氮荧光物质。这种含氮荧光物质的组成，根据氧化物荧光物质原料的种类，可以表示为M2Si5N8:Z，其中M是Sr、Ba和Ca中的至少一种，Z是选自Eu和Ce的至少一种活化剂。由于这种荧光物质的结晶性优异并且由高度透明的微粒组成，这种荧光物质能够表现出优异的性能，比如高亮度、高能量效率和高量子效率。
除了包含在M2Si5N8:Z中的元素之外，这样获得的产品还可以包含一开始就包含在原料中的残余杂质。这些残余杂质的例子包括Co，Mo，Ni，Cu和Fe。由于这些杂质会成为发射亮度降低的原因或者妨碍活化剂的活性的原因，这些杂质应当尽可能地从系统中清除。可以使用任何合适的手段来消除这些杂质，比如使用高纯度的原料(氧化物荧光物质)或者使用清洁的试验设备。
如果用Eu作为组成为M2Si5N8:Z的荧光物质的活化剂，则该荧光物质能够吸收落在大约从370到410nm的近紫外(NUV)波长区范围内的，或者落在大约从420到470nm的蓝色波长区范围内的第一发射光谱。另一方面，如果用Ce作为荧光物质的活化剂，则该荧光物质能够吸收落在大约从370到430nm的近紫外(NUV)波长区范围内的第一发射光谱。无论使用的元素种类如何(Eu或者Ce)，Z的浓度最好限制在Z/(M+Z)＝0.03-0.13(摩尔比)的范围内。当组成中的Z的浓度在这个范围内时，可以获得能够显示从黄到红的发射光谱的高亮度的含氮荧光物质。这种含氮荧光物质在温度特性方面也很优异，从而能够在LED的很宽的工作温度范围(从-30到200摄氏度)上 表现出优异的发射特性。
这样，使用本发明的该实施例的方法，可以容易地、高产率地制造含氮荧光物质。尽管原始的氧化物荧光物质能够进行绿、黄和橙光发射，通过对氧化物荧光物质进行还原/氮化而获得的氮化物荧光物质都能够进行红、橙或者黄光发射。因此，这种含氮荧光物质在下述方面是有优势的：当制造发光器件时，能够在制造出这种含氮荧光物质之后立即将其涂覆到发光二极管上，而不需要将氮化物荧光物质与另一种能够表现出预定的发射颜色的荧光物质相混合。
为了增强这样获得的荧光物质的微粒的耐潮湿性，可以为所述微粒的表面提供特定种类的表面材料。例如，作为这样的表面材料，可以使用从下述材料中选择的至少一种：硅树脂、环氧树脂、氟树脂、四乙氧基硅烷(TEOS)、二氧化硅、硅酸锌(例如ZnO·cSiO2(1≤c≤4))、硅酸铝(例如Al2O3·dSiO2(1≤d≤10))、多磷酸钙、硅酮油以及硅脂。微粒的表面可以不被这样的表面材料完全覆盖，而是可以部分暴露。也就是，只要在荧光物质的微粒的表面存在包含前述材料中的任何材料的表面材料，就能获得耐潮湿的效果。
可以利用表面材料的分散系或者溶液来在荧光物质的微粒的表面上淀积表面材料。具体地，以这样的方式在荧光物质的微粒的表面上淀积表面材料：将荧光物质的微粒浸入表面材料的分散系或者溶液中预定时间，然后例如加热使之干燥，从而在荧光物质的微粒的表面上淀积表面材料。基于荧光物质的微粒的体积，表面材料最好应当按照0.1-5％淀积在荧光物质的微粒的表面上。
图1图示了根据本发明的一个实施例的发光器件的剖视图。
在图1所示发光器件中，其树脂管座10包括从引线框形成的引线11和12，以及与引线框形成为一体的树脂部分13。树脂部分13上有具有上部开口的第一凹陷15，该上部开口的面积比其底部面积大。在该凹陷15的侧壁上形成光反射表面14。
在第一凹陷15的圆形底部表面的中央部分形成第二凹陷17。使用Ag糊等将一个发光芯片16安装在第二凹陷17的底部的中央部分。 对于发光芯片16，可以使用能够发射紫外光的芯片，或者能够发射可见光区的光的芯片。发光芯片16的电极(未图示)通过Au等制成的焊线19和20分别连接到引线11和引线12。这些引线11和12的布置可以作各种变化。顺便说明，附图标记18标识光反射表面，附图标记和21标识含荧光物质的树脂，附图标记22标识密封体。
在形成在树脂部分13中的第二凹陷17内，设置一个荧光物质层(含荧光物质的树脂)21。该荧光物质层21可以通过将本发明的一个实施例的荧光物质分散到由硅酮树脂形成的树脂层中，比例例如为5-50wt％。
对于发光芯片16，还可以使用倒装式芯片，其中n型电极和p型电极都形成在同一表面上。在这种情况下，由于不再需要提供引线，可以消除诸如引线的切割和剥离等问题，或者由引线的提供而产生的问题，比如引线对光的吸收，从而可以获得可靠性和亮度高的半导体发光器件。另外，通过使用n型衬底制造发光芯片16，可以制造出下述结构。具体地说，在n型衬底的背面上形成n型电极，在衬底上的半导体层的顶面上形成p型电极。然后，安装引线以将它们与所述n型电极和p型电极分别相连。所述n型电极和p型电极使用线路分别与其它引线连接。
至于发光芯片16的尺寸和第一凹陷15与第二凹陷17的尺寸和结构，它们可以可选地加以修改，只要能够使荧光物质有效地发光即可。根据本发明的一个实施例的荧光物质能够通过使用波长从360nm到550纳米的光对其加以激发而发射蓝绿到发红的光。当将本发明的一个实施例的荧光物质与发蓝光的荧光物质和发红光的荧光物质结合使用时，可以获得白光。
用本发明的一个实施例的荧光物质制成的荧光物质层可以与具有第一发射光谱的半导体发光元件结合使用，用以制造发光器件。该荧光物质能够使第一发射光谱的至少一部分或者全部的波长偏移，产生由至少一个发射光谱带形成的、落在与第一发射光谱不同的波长区域内的第二发射光谱。因此，可以获得能够发射除了蓝、绿、黄和红 之外的各种颜色的光的发光器件。作为根据本发明的一个实施例的在含氮荧光物质的一个例子，可以使用碱土金属基的含氮硅化物荧光物质。这种荧光物质对应于可用前面的通式(1)表示的物质，其中M是Si、Ba或者Ca，Z是Eu或者Ce，能够吸收紫外到蓝光区内的短波长光，也就是波长从250到550nm的光，并能发射橙光到红光区内的长波长光，也就是波长从580到780nm的光。
如上所述，根据本发明的一个实施例，可以容易地合成发射特性优异的含氮荧光物质，并通过使用这种荧光物质制造出稳定性好、能够恒定地发射优异的白光的发光器件。
下面结合具体的例子详细说明本发明。
首先，使用作为M组分的原料的SrCO3粉末(平均粒径2.4微米)、作为M组分的另一种原料的BaCO3(平均粒径2.6微米)、SiO2粉末(平均粒径0.9微米)以及作为活化剂Z的原料的Eu2O3(平均粒径1.1微米)，合成一种氧化物荧光物质。附带说明，这些粉末SrO3、BaCO3、Eu2O3和SiO2混合时的摩尔比分别为1.84∶0.12∶0.04∶1.00。将这样获得的混合物置于氧化铝坩埚中，在从1000到1400摄氏度的温度下，在还原性氮气/氢气混合气体氛围中烧结3-7小时。用X射线粉末衍射设备检验该烧结步骤获得的产品，证实其组成为(Sr，Ba)2SiO4:Eu。
将这样获得的(Sr，Ba)2SiO4:Eu荧光物质粉末化、用水清洗、筛选并干燥，获得用于制造含氮荧光物质的原料(氧化物荧光物质)。
将这样粉末化了的氧化物荧光物质置于碳坩埚中，在还原性混合气体氛围中在1630摄氏度的温度下烧结。该混合气体氛围是通过以1∶1的体积比提供氢气和氮气而形成的。在持续进行8小时烧结后，用荧光显微镜检查产品，证实产品的组成为含(Sr，Ba)2Si5N8:Eu和(Sr，Ba)2SiO4:Eu的混合荧光物质，它们的体积比为90∶10。下面将这种荧光物质称为例1。
另外，除了上述SrCO3粉末之外，还准备BaCO3粉末和CaCO3粉末作为M组分的原料。除了上述Eu2O3粉末之外，还准备Ce2O3 粉末作为活化剂Z的粉末。通过对这些原料的组成和烧结条件进行如下表1所示的各种改变，根据作为本发明的一个实施例的方法合成例2到例10的荧光物质。
表1
＊(氮化物荧光物质的重量/氧化物荧光物质的重量)
图2图示了激发用例3的荧光物质制成的近紫外LED而获得的发射光谱。图3图示了激发用例3的荧光物质制成的蓝光LED 获得的发射光谱。在图2中，在380-430nm附近的区域对应于第一发射光谱。用波长大约为380-430nm的光激发例3的荧光物质，其能够发射大约550-780nm的光(第二发射光谱)。在图3中，在440-520 nm附近的区域对应于第一发射光谱。用波长大约为440-520 nm的光激发例3的荧光物质，其能够发射大约560-780nm的光(第二发射光谱)。
另外，图4图示了激发用例7的荧光物质制成的近紫外LED而获得的发射光谱。图5图示了激发用例7的荧光物质制成的蓝光LED而获得的发射光谱。在图4中，在380-430nm附近的区域对应于第一发射光谱。用波长大约为380-430nm的光激发例7的荧光物质，其能够发射大约570-780nm的光(第二发射光谱)。在图5中，在440-520nm附近的区域对应于第一发射光谱。用波长大约为440-520nm的光激发例7的荧光物质，其能够发射大约570-780nm的光(第二发射光谱)。图6图示了例7的荧光物质的激发光谱。从图6可以看到，例7的荧光物质能够被第一发射光谱激发，该第一发射光谱不仅包括近紫外LED的发射光谱(也就是在380-430nm附近)，而且包括蓝光LED的发射光谱(也就是在440-520nm附近)。
图7图示了激发用例8的荧光物质制成的近紫外LED而获得的发射光谱，表明例8的荧光物质被波长大约为380-430nm的光激发，能够发射大约470-700nm的光(第二发射光谱)。
一般来说，如果要用近紫外(NUV)LED制造白光LED，则按照预定比例将蓝光荧光物质、黄光(绿光)荧光物质和红光荧光物质混合起来，分散到树脂中形成分散系，然后将所述树脂淀积到NUV-LED芯片上作为荧光物质层，从而制造出白光LED。另一方面，如果要用蓝光LED制造白光LED，则按照预定比例将黄光(绿光)荧光物质和红光荧光物质混合起来，然后以类似的方式淀积到蓝光LED芯片上作为荧光物质层，从而制造出白光LED。
如上所述，当优化烧结条件时，通过使用本发明的一个实施例的方法，可以获得包括氧化物荧光物质和氮化物荧光物质的混合荧光物质。如果要使用蓝光LED，由于这些要使用的荧光物质包含黄光(绿光)荧光物质和红光荧光物质，将所述混合荧光物质与树脂相混合，并原样涂覆到蓝光LED芯片上，制造出白光LED。如果要使用 NUV-LED，则只需将蓝光荧光物质与所述混合荧光物质相混合。
当优化烧结条件时，通过使用本发明的一个实施例的荧光物质，可以使用只将所述荧光物质分散到树脂中而形成的分散系来形成荧光物质层，而不需要将其与能够发射不同颜色的光的其它荧光物质混合的工艺。因此，在简化制造白光LED的工艺方面，本发明具有优势。
根据本发明的实施例，可以提供一种高效地制造荧光物质的方法，所述荧光物质能够表现出有用的白光发射特性。另外，根据本发明的实施例，在制造白光发射器件时可以提供一种与发光二极管相结合的荧光物质，其色调能够容易地被调节。另外，根据本发明的实施例，可以提供一种发光器件，其能够发射非常适合用作显示应用或者医疗应用中的照射光的白光。
本领域普通技术人员能够容易地看出其它的优点和修改。因此，本发明的范围应较宽而不限于这里所图示和描述的具体细节和代表性实施例。因此，在所附权利要求及其等效方案所限定的本发明的总体发明构思的实质范围内，可以作出各种修改。
Claims (7)
1.一种制造含氮荧光物质的方法，包括：
在含氮气的混合气体氛围中烧结由下述通式(1)表示的氧化物荧光物质，从而将所述氧化物荧光物质的至少一部分转化为由下述通式(2)表示的含氮荧光物质：
M2SiO4:Z (1)
M2Si5N8:Z (2)
其中M是Sr、Ba和Ca中的至少一种，Z是选自Eu和Ce的至少一种活化剂。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：在烧结所述氧化物荧光物质之前，将所述氧化物荧光物质容纳在由含碳材料制成的容器中。
3.如权利要求2所述的方法，其中，用于制造所述容器的含碳材料包含碳化硅或者碳。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述混合气体氛围是还原性混合气体氛围。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述混合气体氛围是含氢气的氛围。
6.如权利要求5所述的方法，其中，氢气与氮气的混合体积比H2∶N2为10∶90到70∶30。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在1600摄氏度或者更高温度下执行2到10小时的所述烧结。
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