CN110970541B - 一种半导体光源及其制备的光学装置 - Google Patents

一种半导体光源及其制备的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于红外光学技术领域，特别涉及一种以蓝光LED芯片复合发射红外光的发光材料的半导体光源，以及一种适合蓝光激发的黄色和/或绿色荧光粉的光学装置。本发明所述半导体光源利用蓝光LED芯片、发射红外光的发光材料(1400‑1600nm)、适合蓝光激发的黄色(540‑570nm)和/或绿色(510‑540nm)荧光粉同时实现高效红外光谱和白光发射，具有制备工艺简单、成本低、可靠性优异、抗干扰能力强、出光效率高等特点；并且由于本发明所提供的光学装置的发射主峰波长位于1400‑1600nm，在生物和食品检测、安防、红外加温等领域具有很好的应用前景。

Description

一种半导体光源及其制备的光学装置
技术领域
本发明属于红外光学技术领域，特别涉及一种以蓝光LED芯片复合发射红外光的发光材料的半导体光源，以及一种适合蓝光激发的黄色和/或绿色荧光粉的光学装置。
背景技术
近年来，近红外光技术在面部识别、虹膜识别、安防监控、激光雷达、健康检测、3D传感等领域的应用得到快速发展，尤其是近红外LED因其具有指向性好、功耗低以及体积小等一系列优点已然成为国际研究的焦点。目前，近红外LED的主要实现方式有两种，目前主流方案是基于近红外半导体芯片的实现方式，但该种实现方式主要存在三个方面的问题：一是整个产品的成本较高，同时也存在着＞1000nm的红外芯片技术成熟度不高等问题；二是在实际应用中如果仅通过红外芯片方式实现特定波长器件，整体难度系数较高；三是由于封装方式受限，使得LED的封装方式较为单一化。在此基础上，近年来问世的蓝光芯片复合近红外发光材料的第二组实现方式，具有制备工艺简单、成本低、发光效率高等优点，并且由于近红外发光材料的发射波长丰富，也有助于能够实现各种特定波长的近红外产品的应用。
目前，近红外光LED的应用产品大部分是基于近红外光的光补偿原理，而除了对近红外光补偿外，在上述领域中，通常也需要对白光进行补偿。目前的产品中主要是采用红外光源与白光光源相组合的方式予以实现，但该种实现方式却存在着工艺复杂，以及生产成本较高等问题，不适宜于大规模的工艺生产。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种半导体光源，以解决现有可见光芯片复合近红外发光材料技术中存在着工艺复杂以及生产成本较高的问题，进而提供一种以蓝光LED芯片复合发射红外光为发光材料的半导体光源，该半导体光源适合于蓝光激发的红色、绿色、黄色荧光粉。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种半导体光源，所述半导体光源包含蓝光LED芯片、能够发射红外光的发光材料、以及适合于进行蓝光激发的荧光粉。
具体的，所述蓝光LED芯片为发射峰值波长位于420-470nm的蓝光芯片。
优选的，所述发射红外光的发光材料为发射1400-1600nm红外光的发光材料。
作为优选，所述的半导体光源中的所述发射红外光的发光材料，包括分子式为MmAlxSiyN3:aEr,bEu的化合物；
其中，M元素选自Ca元素和/或Sr元素；
且各参数满足如下关系：0.8≤m≤1.0，0.9≤x≤1.1，0.9≤y≤1.1,0.001≤a≤0.20，0.001≤b≤0.20。
优选的，所述适合蓝光激发的荧光粉包括适合蓝光激发的黄色荧光粉(540-570nm)和/或绿色荧光粉(510-540nm)，并可选择性添加有适合蓝光激发的红色荧光粉。
具体的，所述适合蓝光激发的黄色荧光粉包括分子式为RwQxSiyNz的无机化合物；
其中，所述R元素包括Ce元素，并可选择性的添加Cr元素和/或Er元素；所述Q元素选自La、Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种；
且各参数满足如下关系：0.01≤w≤0.3，2.5≤x+w≤3.5，5.5≤y≤6.5，10≤z≤12；
或者，
所述适合蓝光激发的黄色荧光粉选自Y3Al5O12:Ce和/或Ca-α-Sialon:Eu化合物。
优选的，所述适合蓝光激发的绿色荧光粉选自(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Sr,Ca)2SiO4:Eu、β-Sialon:Eu中的一种或两种的混合物。
优选的，所述适合蓝光激发的红色荧光粉包括(Ca,Sr)AlSiN3:Eu、Sr2Si5N8:Eu、(Sr,Ca)S:Eu中的一种或两种。
上述半导体光源，使用单一蓝光芯片，同时实现近红外发光(1400-1600nm)和白光发光，不仅可以大幅度简化制备工艺、降低制造成本，而且通过调整所述黄色荧光粉中R元素的种类和相对比例，还可以实现所发射的白光和近红外光，发光强度、显色能力以及光谱范围的精准调控。
作为进一步的优选方案，所述半导体光源包括：
发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，以及适合蓝光激发的黄色荧光粉La3Si6N11:Ce,Er；或者，
发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，以及适合蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce；或者，
发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，适合蓝光激发的黄色荧光粉La3Si6N11:Ce,Er、适合蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、以及适合蓝光激发的红色荧光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu。
上述具体的半导体光源，通过在发光材料进一步增加适合蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce和适合蓝光激发的红色荧光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu，可以大幅度提高半导体光源的显色能力。
本发明还公开了一种发光装置，即所述发光装置包括所述的半导体光源。
本发明所述半导体光源包含蓝光LED芯片、能够发射红外光的发光材料、以及适合于进行蓝光激发的荧光粉，该半导体光源利用蓝光LED芯片、发射红外光的发光材料(1400-1600nm)、适合蓝光激发的黄色(540-570nm)和/或绿色(510-540nm)荧光粉同时实现高效红外光谱和白光发射，具有制备工艺简单、成本低、可靠性优异、抗干扰能力强、出光效率高等特点；并且由于本发明所提供的光学装置的发射主峰波长位于1400-1600nm，可用作现有技术中常规发光装置的光源之用，在生物和食品检测、安防、红外加温等领域具有很好的应用前景。
具体实施方式
本发明所述半导体光源，包含蓝光LED芯片、能够发射红外光(1400-1600nm)的发光材料、以及适合于进行蓝光激发的荧光粉。所述适合于进行蓝光激发的荧光粉包括适合蓝光激发的黄色荧光粉(540-570nm)和/或绿色荧光粉(510-540nm)，并可选择性添加有适合蓝光激发的红色荧光粉，而下述涉及各发光材料级各荧光粉的方案并不局限于该实施例和实施方式。
实施例1
本实施例所述半导体光源，其组成部件包含峰值波长为460nm的蓝光LED芯片，分子式为Ca0.96AlSiN3:0.02Er,0.02Eu发射1400-1600nm红外光的发光材料，以及化学组成为La2.95Si6N11:0.01Ce,Cr0.01,0.03Er的黄色荧光粉，所述发光材料与所述黄色荧光粉的质量比为1：1；上述发光材料和荧光粉粉体充分与硅胶混合后(上述发光粉体总量与硅胶比例1：5)置于在LED芯片上，即得。
经测试，所得半导体光源的白光相关色温在6500K，显示指数Ra为81，发光角度为60°，驱动电流为1000mA，白光辐射强度为250 lm/sr，红外辐射强度为130 lm/sr。
实施例2
本实施例所述半导体光源，其组成部件包含峰值波长为460nm的蓝光LED芯片，分子式为Ca0.96AlSiN3:0.03Er,0.04Eu发射1400-1600nm红外光的发光材料，以及化学组成为La2.95Si6N11:0.01Ce,Cr0.01,0.03Er的黄色荧光粉和化学组成为Lu2.94(Al0.5,Ga0.5)5O12:0.06Ce的绿色荧光粉。
将上述选定的红外发光材料、黄色荧光粉、绿色荧光粉(按质量比2：2：1)，上述发光材料与荧光粉粉体充分混合后再与硅胶混合后(上述发光粉体总量与硅胶比例1：5)置于在LED芯片上，即得。
经测试，所述半导体光源的白光相关色温在6500K，显示指数Ra为82，发光角度为60°，驱动电流为1000mA，白光辐射强度为230 lm/sr，红外辐射强度为150 lm/sr。
实施例3
本实施例所述半导体光源，其组成部件包含峰值波长为450nm的蓝光LED芯片，包含分子式为Ca0.96AlSiN3:0.03Er,0.04Eu发射1400-1600nm红外光的发光材料，以及化学组成为La2.95Si6N11:0.01Ce,Cr0.01,0.03Er的黄色荧光粉、化学组成式为Lu2.94Al5O12:0.06Ce的绿色荧光粉、化学组成为Ca0.98AlSiN3:0.02Eu的红色荧光粉。
将红外发光材料、黄色荧光粉、绿色荧光粉、红色荧光粉(按质量比4：4：1.5：0.5)，上述粉体充分混合后，再与硅胶混合后(所述发光粉体总量与硅胶比例1：5)置于在LED芯片上，即得。
经测试，所述半导体光源的白光相关色温在6500K，显示指数Ra为93，发光角度为60°，驱动电流为1000mA，白光辐射强度为330 lm/sr，红外辐射强度为180 lm/sr。
实施例4-20所述的半导体光源，其组成结构同实施例1相同，只需根据各实施例中不同的芯片，选择不同的分子式的发光材料，根据适当计量混合比例制备得到。
对各实施例中制得发光材料的性能进行检测，实施例测试结果的发光性能见下表1所示。
表1各实施例中制得发光材料的性能
Figure BDA0002136858900000061
Figure BDA0002136858900000071
由表1各实施例中制得发光材料的性能可知，通过本发明可以在单一蓝光芯片激发下同时实现白光和近红外光的发射。其封装工艺相对简单，成熟蓝光芯片价格是近红外芯片的十分之一，因此大幅降低了成本。而且通过调整所述黄色荧光粉中R元素的种类和相对比例，还可以实现所发射的白光和近红外光，发光强度、显色能力以及光谱范围的精准调控。通过进一步增加适合蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce和适合蓝光激发的红色荧光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu，可以大幅度提高半导体光源的显色能力。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种半导体光源，其特征在于，所述半导体光源包含蓝光LED芯片、能够发射红外光的发光材料、以及蓝光激发的黄色、绿色和/或红色荧光粉；
所述发射红外光的发光材料包括分子式为MmAlxSiyN3:aEr,bEu的化合物；
其中，M元素选自Ca元素和/或Sr元素；
且各参数满足如下关系：0.8≤m≤1.0，0.9≤x≤1.1，0.9≤y≤1.1，0.001≤a≤0.20，0.001≤b≤0.20。
2.根据权利要求1所述的半导体光源，其特征在于，所述蓝光LED芯片为发射峰值波长位于420-470nm的蓝光芯片。
3.根据权利要求1所述的半导体光源，其特征在于，所述发射红外光的发光材料为发射1400-1600nm红外光的发光材料。
4.根据权利要求1所述的半导体光源，其特征在于，所述蓝光激发的黄色荧光粉包括分子式为RwQxSiyNz的无机化合物；
其中，所述R元素包括Ce元素、Cr元素和/或Er元素；所述Q元素选自La、Gd、Lu、Y和Sc中的至少一种；
且各参数满足如下关系：0.01≤w≤0.3，2.5≤x+w≤3.5，
5.5≤y≤6.5，10≤z≤12；
或者，
所述蓝光激发的黄色荧光粉选自Y3Al5O12:Ce和/或Ca-α-Sialon:Eu。
5.根据权利要求1所述的半导体光源，其特征在于，所述蓝光激发的绿色荧光粉选自(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、(Sr,Ca)2SiO4:Eu、β-Sialon:Eu中的一种或两种的混合物。
6.根据权利要求1所述的半导体光源，其特征在于，所述蓝光激发的红色荧光粉包括(Ca,Sr)AlSiN3:Eu、Sr2Si5N8:Eu、(Sr,Ca)S:Eu中的一种或两种。
7.根据权利要求1-6任一项所述的半导体光源，其特征在于，所述半导体光源包括：发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，以及蓝光激发的黄色荧光粉La3Si6N11:Ce,Er；或者，
发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，以及蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce；或者，发射峰值波长位于440-460nm的蓝光芯片，蓝光激发的黄色荧光粉La3Si6N11:Ce,Er、蓝光激发的绿色荧光粉(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12:Ce、以及蓝光激发的红色荧光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu。
8.一种发光装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的半导体光源。
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