CN101471533A - 一种半导体固态白光光源的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种制造半导体固态白光光源的方法，包含一个发光波长位于近紫外的半导体激光器芯片，将其出射的激光用来做激发光源，激发由红色、绿色、蓝色三基色按照一定比例混合后的荧光粉，由此制备固态白光光源。由于半导体激光器的光斑易整形为均匀的发散光或是会聚一点的高亮度光源，并且还可与光纤进行耦合输出，可用与某些具有特殊要求的应用领域。该固态白光光源可广泛应用于投影、电视等彩色显示装置的背光源、普通白光照明以及具有特殊要求的白光照明领域。

Description

一种半导体固态白光光源的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料与器件，特别是一种半导体固态白光光源的制备方法。

背景技术

人类的电光源照明起始于爱迪生发明的白炽灯，后来又陆续发明了低压钠灯、荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯、三基色荧光灯、紧凑型荧光灯和高频无极灯等电光源。通常光源的评价标准有能效、光通量、显色指数、色温等参数，其中光源能效的高低反应了其节电能力，半导体固态白光光源具有高能效、长寿命等特点，被公认为是继白炽灯、日光灯之后的第三代照明光源。目前在半导体照明领域，多采用发光二极管做激发光源，激发相应的荧光粉获得固态白光光源。以发光二极管为基础的白光光源有三个主要方案：第一种是用蓝光发光二极管激发黄色荧光粉，荧光粉在蓝光的激发下发射黄光，再与透出的部分蓝光混合，由补色原理而呈现白光，该方案制备的白光显色指数比较低且白光参数随温度和工作电流变化比较大；第二种是由红绿蓝三基色发光二极管直接混合成白光，由于三个发光二极管的效率、光功率随注入电流、温度、时间等参数不同步变化，因此要求比较高的控制电路；第三种是由紫外或近紫外发光二极管激发红绿蓝三基色荧光粉，由于人视觉对紫外或近紫外光不敏感，这种白光的颜色只由荧光粉决定，因此该方案显色指数高且白光参数比较稳定。在以上这三种方案中，核心器件与荧光粉的发展水平都具有举足轻重的作用，与白光光源能效和光通量直接相关的是核心器件的电光转换效率和光输出功率，紫外或近紫外发光二极管的光功率在高电流注入的情况下趋于饱和，因此高功率高效率的发光二极管是目前最大的技术难点之一。而本发明是采用半导体激光器代替发光二极管来激发荧光粉，获得白光光源。

半导体激光器与发光二极管都属于固态半导体光源。但本质上的区别在于：发光二极管是一种自发辐射光源，而半导体激光器是由注入有源区的过剩载流子的受激辐射形成的激光光源。与发光二极管相比，半导体激光器更容易做到高效率高光功率输出，核心器件电光转换效率和光输出功率的提高会直接带来白光光源能效和光通量的提高；且半导体激光器的输出光斑易于整形甚至耦合进入光纤输出，既可以使核心器件单独制冷，避免高温带来核心器件和荧光粉效率的下降，也可以制备具有特殊用途的白光光源。因此本发明采用近紫外光半导体激光器激发红绿蓝三基色荧光粉来制备固态白光光源。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备半导体固态白光光源的方法，具有以下优点：所制备的白光光源具有较高能效和较高光通量；可单独对核心器件进行温控制冷，避免高温时器件和荧光粉发生退化；可制备出很小尺寸、具有特殊用途的白光光源。具体制备工艺包含以下步骤：

1)将半导体激光器芯片用焊料烧结在热沉上，将热沉烧结到基板上，再将散热基板，并固定在激光器管壳上；

2)把红色、绿色、蓝色三基色荧光粉均匀混合，通过透明硅胶或环氧树脂将带有荧光粉的胶体固化在透明薄片上；

3)将荧光粉的胶体直接与半导体激光器固定，完成半导体固态白光光源的制作。

进一步，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，将激光器的光斑会聚一点后再激发荧光粉，用以制备高亮度的点光源器件。

进一步，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，将激光器的光斑发散后再激发荧光粉，用以制备亮度均匀的面光源。

进一步，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，可通过非球面透镜或透镜组将激光器的光斑会聚到光纤的一个端面后，再激发荧光粉，用以制备高亮度高方向性的光源。

进一步，所述半导体激光器芯片为激射波长位于近紫外的半导体激光器。

进一步，所述荧光粉为在半导体激光器的激发下能发出白光的荧光粉，

进一步，所述荧光粉为红色、绿色、蓝色三基色按1～20：1～20：1～20比例混合的荧光粉。

进一步，所述透镜双面蒸镀增透膜。

本发明是一种制备半导体固态白光光源的方法，其特征在于，用激射波长位于近紫外光的半导体激光器代替常规的发光二极管做激发光源，来激发红色、绿色和蓝色三基色混合后的荧光粉，使其发白光。其优点在于以下三点，首先半导体激光器更容易做到高功率和高电光转换效率输出，而核心器件性能的提高将直接导致所制备的白光光源性能的提高；第二，这个设计方案是将荧光粉与激发光源的芯片隔离，避免了荧光粉因器件发热而导致发光效率的下降；若根据应用需要，当器件工作在高电流高温度环境时，由于固定荧光粉的金属套筒和半导体激光器紧密相连，使激光器芯片和荧光粉同时进行温控制冷，避免了在高温或高注入电流工作时器件输出功率和电光转换效率的下降，同时也能避免高温时荧光粉发光效率的下降；第三，半导体激光器的光斑很容易整形，甚至可耦合进入光纤输出，可以用这个方法可制备具有特殊用途的固态白光光源。

附图说明

图1为半导体激光器芯片的烧结方式；

图2为半导体激光器直接激发荧光粉片的白光示意图；

图3为半导体激光器的出射光经会聚后激发荧光粉片的白光示意图；

图4为半导体激光器的出射光经发散后激发荧光粉片的白光示意图；

图5为半导体激光器的出射光经光纤耦合后激发荧光粉片的白光示意图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述。

请参阅图1～图5，本发明是一种用半导体激光器为核心器件，来激发红色、绿色、蓝色三基色荧光粉来制备各种形式固态白光光源的方法，其具体的制备工艺包括以下步骤：

(1)将制备好的近紫外半导体激光器芯片1用具有高导热能力的焊料烧结在具有高散热能力的热沉2上，热沉材料可包括硅热沉、碳化硅热沉、金刚石热沉等，再将热沉烧结到具有高散热能力的基板3上，基板可由铝、铜、硅等材料制成，如图1所示。再将散热基板固定在激光器管壳上，这里的激光器管壳可以是标准TO管壳4，也可以是其他设计形式的管壳。

(2)把红色、绿色、蓝色三基色荧光粉依一定比例(1-20：1-20：1-20)混合均匀，通过透明硅胶或环氧树脂将带有荧光粉的胶体固化在透明薄片上或某一特殊形状的容器中。

(3)如图2，若制备无特殊要求的固态白光光源，可将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里。

(4)如图3，若需要制备高亮度的点光源器件，可将具有会聚作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，再将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里，并将位置调整到焦点上。

(5)如图4，若需要制备亮度均匀的面光源，可将具有发散作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，再将荧光粉的胶体7装入外边缘带螺纹的金属小套筒6上，将带有荧光粉的金属小套筒旋入金属大套筒8里，并将位置调整好。

(6)如图5，若需要制备高亮度高方向性的光源，可将具有会聚作用的非球面透镜或透镜组装入外边缘带螺纹的金属小套筒5里，再把带有透镜的金属小套筒5旋入里边缘带螺纹的金属大套筒8，给激光器加电，根据要求的光斑调整好金属小套筒5的位置，并将光纤的一端通过金属套筒6固定在光源的焦点上，另一端可直接把荧光粉7固化在光纤端面上。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种半导体固态白光光源的制备方法，其特征在于，该方法包括：

1)将半导体激光器芯片用焊料烧结在热沉上，将热沉烧结到基板上，再将散热基板，并固定在激光器管壳上；

2)把红色、绿色、蓝色三基色荧光粉均匀混合，通过透明硅胶或环氧树脂将带有荧光粉的胶体固化在透明薄片上；

3)将荧光粉的胶体直接与半导体激光器固定，完成半导体固态白光光源的制作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，将激光器的光斑会聚一点后再激发荧光粉，用以制备高亮度的点光源器件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，将激光器的光斑发散后再激发荧光粉，用以制备亮度均匀的面光源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在激光器和荧光粉的胶体之间放入非球面透镜或透镜组，可通过非球面透镜或透镜组将激光器的光斑会聚到光纤的一个端面后，再激发荧光粉，用以制备高亮度高方向性的光源。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体激光器芯片为激射波长位于近紫外的半导体激光器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述荧光粉为在半导体激光器的激发下能发出白光的荧光粉，

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述荧光粉为红色、绿色、蓝色三基色按1～20：1～20：1～20比例混合的荧光粉。

8.根据权利要求2或3或4所述的方法，其特征在于，所述透镜双面蒸镀增透膜。

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