CN1807548B - 多棱面大粒度分散萤光粉及使用它的白光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体和照明科技，具体来说属于半导体白光发光二极管，可以用来构造照明系统，用于生产，生活和装饰。推荐的发光二极管主要由氮化镓氮化铟为基础的异质结，装备由钆-钇-镥基，铈催化的多棱面大粒度分散萤光粉的光谱转换器通用方程式为：Gd 3-x-y-zY xLu yCe zAl pO q，这里的化学指数变动如下：1.0<x<2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤z≤5.3，q＝4.5+1.5*p，涂在异质结辐射表面和端面的多棱面大颗粒萤光粉再次辐射异质结激发的短波蓝光，发出宽频黄-橙黄光，并与蓝光合成，形成均匀合成白光。由于大颗粒萤光粉完全没有光散射，量子输出值非常高，这样保证了非常高的光强，超过100烛光，小角度辐射(2θ＝6°)。
Description
技术领域
本发明属于半导体和照明技术，具体来说属于半导体发光二极管技术，具体地说，基于氮化镓氮化铟半导体异质结白光二极管，辐射波长小于470nm，装备由钆-钇-镥基，铈催化的多棱面大粒度分散萤光粉的光谱转换器。
背景技术
现今由于半导体技术的进步，半导体照明技术得到了快速的发展。主要表现在发明了各种仪器和设备来代替所有的电真空灯泡。现在用于照明目的主要是生产白光二极管。在这些发光二极管中异质结主要是氮化铟、氮化镓，其波长小于λ＝475nm。蓝色或其它短波与萤光粉无机的颗粒相互作用，萤光粉细小的颗粒被均匀分布到聚合薄膜上，聚合薄膜从异质结各个发光面将其围绕。短波光线穿透透明聚合物涂层达到涂于聚合物表面的萤光粉颗粒层。这样，就发生以下的物理现象：
-萤光粉颗粒使短波散射；
-萤光粉颗粒吸收光线；
-以萤光形式再次放射。
再次发射的波长更长萤光粉辐射与最初的短波光线混合，形成完整统一的光线，其颜色和色调近于标准白光，色温在T＝2800-10000°K之间。以上三种主要现象的规律现在已经广为认知了。这样最初的光线散射与萤光粉的分布面积成正比，即，跟他们的大小成正比。同时，光散射与发射到萤光粉颗粒光上的波长成反比，这就造成了，由半导体异质结发射的短波会比他们发射的长波散射强度更强。
第二个光学现象-萤光粉对光的吸收取决于物质能量区的能量构造，能量区强烈的吸收初次发射的能量，这是由吸收系数值k决定的。吸收系数是根据穿透特定厚度材料后残余辐射几两测定的。这种关系式为J＝J0e-kd，其中J和J0分别是光通过厚度为d镀层的最后和初始强度。固体物质的强烈吸收与萤光粉物质能量区的构造相关。如果该物质拥有禁区Eg的宽度超过2电子伏特，那么类似的物质对可见光的辐射吸收不是很强烈。在萤光粉材料吸收系数相同的情况下，k＝5000c M-1萤光粉粒度直径为d＝10微米＝1·10-3厘米吸收超过50％的发射到萤光粉颗粒上的第一次辐射光。
在初次短波辐射与萤光粉发生的相互作用过程中产生的第三个光学现象是发萤光现象。被吸收的初次辐射能量激发位于萤光粉颗粒中心的催化剂的内部能量水准。在激发内部水准之后，处于轨函数3d和4f的初始状态的电子转移到更为高能状态的位置，此时催化剂原子没有离子化。这种状态的被激发电子的生命周期不长，一般为1·10-3-1·10-6秒，此后被激发电子与处于催化剂下层的小孔进行发射性再组合过程。此时催化剂中心萤光化现象的特点是激发萤光粉主光线和他发射光线之间的《池位移》，还有量子输出。如果初始值即《池位移》，一般等于△＝120-150nm，那么量子输出一般很少超过γ≤0，8。发射光和激发光的能量之间的数量关系可以表示为W流明＝W激发·λ激发λ发光·γ。在W激发＝110mW c mm2情况下，为了标准配置蓝光二极管和长波黄光萤光粉，等式W流明＝10x470/580x0.8＝6.4mW/mm2，这个等式表示萤光功率密度～6.4mW/mm2，这保证了发光二极管发光亮度超过10000烛光/mm2.类似的白光发光二极管用于作为发明[1]类似用处的在专利文献中有描述。与该发明相符合，在白光二极管的二进制放射中使用铝钇铈萤光粉，组分为Y3Al5O12·Ce，以细粉末的形式涂在由氮化镓氮化铟异质结表面。根据专利资料萤光粉末的颗粒粒度在0.1-10微米，比如，以悬浮物的形式存在于二氧化硅气溶胶或者环氧树脂中在异质结辐射表面形成很厚涂层。在直流电下发光二极管发射白光，色温T＝2800-10000°K.光强10-15烛光，发光角度2θ＝6°。尽管合成白光的光强值相当高，但是这个技术方案众所周知的缺陷，即合成白光的不均匀性。这种现象反应在通过光学棱镜将发光二极管发光投射到光散射屏上时，会形成蓝、蓝-绿色和黄-绿色同心圆。最大可能是，这种合成白光的散射成几种组成色彩的现象是因为异质结的初始蓝光辐射实际上很少被萤光粉散射，正因如此通过焦点平面而不偏离中心轴心。同时，萤光辐射以自发光线的形式从每个萤光粉颗粒发射出来，这些光线在各个角度都有。这些角度不同的光线在发光二极管输出棱镜上聚焦很微弱。所以在中心聚焦点白光的几个组成颜色和初始的蓝、黄萤光辐射之间的比例关系即刻失衡。这样在投射到白色屏幕上时就产生色谱分散彩色图像。类似图像称为效果《虹》现象。
这就是美国类似专利的最大不足US No.5998925专利力图修正各个发明层次上技术方案的问题，其中一个专利为美国No.6351069B1,2/2002取得(作者为-Lowery和其它人.)[2]，这是我们作为原型专利。根据这个发明，为了排除不同光线的分散现象，在发光二极管萤光粉转换辐射器的成分中增加了这些分散性物质，如高分散的SiO2或TiO2.由于在萤光粉颗粒中存在大量上述物质颗粒初始的短波蓝光辐射发生多次散射。辐射的部分激发萤光粉颗粒长波光激发光，当辐射其它在空间中有不同方向的部分，穿过光学棱镜组成合成白光，并在这种情况下没有形成<热点>(即，更亮)蓝色亮点。发光二极管合成白光的类似的各种色调更为广泛，这些可以由众多的美国专利来证明，比如US 6340824B1,US6361192B1,US6501100B1，以及已经提交的申请2002/0084745A1[3]。与所有这些发明相一致，都采用非常细小分散萤光粉颗粒与光学分散剂颗粒相结合，比如SiO2或TiO2或A1N，这样可以使白光无色调截面达到非常稳定，色温T＝2800-6000°K。类似结构发光的光强可以达到J≤15-16烛光。尽管类似的仪器被大量运用，但是他们有着严重的缺陷：这些结构的小角度光强非常低。这样即使通过使用特殊棱镜可以从异质结表面产生光强J≤20烛光的白光，这对于在特殊信号设备，比如铁路信号灯上使用结构器也是不够的。这种发光二极管与大角度光学结构结合的设计不能使光流值达到Φ≤2-4流明，这样当然是不足以用来作为经济照明的。
发明内容
本发明之目的在于在GaN-InN异质结的基础上设计白光二极管，该设计会有很高的甚至非常高的白光小角度光强数值，具体会是J≥40烛光。同时，发明之目的在于创建发光结构，该结构可以保障复制白光和先前给定的光色调。白光的这些色调可能属于暖白光，冷白光，月光白。还有一个同样重要的目的在于是基于GaN-InN异质结创建全白光流量的发光结构，比如Φ≥4流明。类似的发光组件可以用于生产特种发光源。
本发明的目的通过下列技术方案来获得。
1、基于氮化镓氮化铟半导体异质结白光二极管，辐射波长小于470nm，装备由钆-钇-镥基，铈催化的多棱面大粒度分散萤光粉的光谱转换器，该荧光粉的通用方程式为：Gd3-x-y-zYx LuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p≤5.3，q＝4.5+1.5*p。
2、项1的白光二极管，特征在于上述萤光粉为大颗粒分散的单晶，多棱主要是六面体形，六面体有两个相互平行的基面，由12条梯形边构成，这些边相互成90-150°角，萤光粉颗粒内切圆的半径在6-12微米之间，两个基面的高度距离在4-10微米之间，同时这种多棱颗粒直接与异质结辐射正面和四个端面进行光学接触，并覆盖异质结发光表面20-85％面积，发光表面与萤光粉颗粒转换发出的波长λ超过560nm的长波光一起构成合成白光，色温在T＝12000-2500°K之间，在小角度为发散度6-12度角上，光强很高，此时异质结的导电触点处于异质结背面。
3、项2的白光发光二极管，特征在于，异质结是直角平行六面体各个边的比例是1∶1∶0.1-1∶2∶0.12此时，以基面和异质结发光面相交的多棱萤光粉颗粒的高度和颗粒内切圆半径比例为1∶3-1∶1，此时高度最佳值为6-8微米，这保证了在合成光中有初次放射蓝光和再次放射的黄、橙黄光的存在，当它们与色坐标(在x＝0，28y＝0，30x＝0，42y＝0，44之间)进行大容量的均匀混合时，避免了由于散射光过多形成光混合不均匀的现象。
4、项3的白光二极管，特征在于，单晶萤光粉微粒具有立体晶体结构，当主要异质结折射系数和萤光粉颗粒物质折射系数比例在2.8∶1.8-3.2∶2.0之间时，晶体栅格参数在a＝12，1A至a＝12，2°A之间，主要都是沿着平面方向(111)，这保证了发光输出角度在8-16度之间，并可能使用Frenel棱镜对总光辐射进行补充对焦。棱镜的第一个平面距离萤光粉微粒发光基面100-200微米，中间填充透明聚合物填充物，折射系数在n＝1，42-n＝1，55之间。
5、项4的白光二极管，特征在于，萤光粉的大颗粒多棱面颗粒从所有14个相互连接平面发光，量子输出为60-95％，当萤光粉的化学方程式为Gd3-x-y-zYx LuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p≤5.3，q＝4.5+1.5*p之间变动以保证萤光粉的强烈的黄-橙黄色长波光，波长在λmax＝530-595nm之间，最大光谱半宽度为λ0，5＝110-130nm之间，随着萤光粉化学组分中Gd离子剂量的增长而增大。
6、用于白光二极管的萤光粉，该荧光粉的通用方程式为：Gd3-x-y-zYxLuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p≤5.3，q＝4.5+1.5*p。
7、项6的荧光粉，特征在于萤光粉为大颗粒分散的单晶，多棱主要是六面体形，六面体有两个相互平行的基面，由12条梯形边构成，这些边相互成90-150°角，萤光粉颗粒内切圆的半径在6-12微米之间，两个基面的高度距离在4-10微米之间，同时这种多棱颗粒直接与异质结辐射正面和四个端面进行光学接触，并覆盖异质结发光表面20-85％面积，发光表面与萤光粉颗粒转换发出的波长λ超过560nm的长波光一起构成合成白光，色温在T＝12000-2500°K之间，在小角度为发散度6-12度角上，光强很高，此时异质结的导电触点处于异质结背面。
8、项7的荧光粉，特征在于，异质结是直角平行六面体各个边的比例是1∶1∶0.1-1∶2∶0.12此时，以基面和异质结发光面相交的多棱萤光粉颗粒的高度和颗粒内切圆半径比例为1∶3-1∶1，此时高度最佳值为6-8微米，这保证了在合成光中有初次放射蓝光和再次放射的黄、橙黄光的存在，当它们与色坐标(在x＝0，28y＝0，30x＝0，42y＝0，44之间)进行大容量的均匀混合时，避免了由于散射光过多形成光混合不均匀的现象。
9、项8的荧光粉，特征在于，单晶萤光粉微粒具有立体晶体结构，当主要异质结折射系数和萤光粉颗粒物质折射系数比例在2.8∶1.8-3.2∶2.0之间时，晶体栅格参数在a＝12，1A至a＝12，2°A之间，主要都是沿着平面方向(111)，这保证了发光输出角度在8-16度之间，并可能使用Frenel棱镜对总光辐射进行补充对焦；棱镜的第一个平面距离萤光粉微粒发光基面100-200微米，中间填充透明聚合物填充物，折射系数在n＝1，42-n＝1，55之间。
10、项9的荧光粉，特征在于，萤光粉的大颗粒多棱面颗粒从所有14个相互连接平面发光，量子输出为60-95％，当萤光粉的化学方程式为Gd3-x-y-zYxLuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p ≤5.3，q＝4.5+1.5*p之间变动以保证萤光粉的强烈的黄-橙黄色长波光，波长在λmax＝530-595nm之间，最大光谱半宽度为λ0，5＝110-130nm之间，随着萤光粉化学组分中Gd离子剂量的增长而增大。
具体实施方式
鉴于设定之目的推荐采用基于氮化铟、氮化镓构成的半导体异质结的波长小于470nm白光发光二极管，和铝钇钆铈化合物萤光粉粉末颗粒的长波转换器，区别在于，上述萤光粉是大量六面体单晶体，相互平行的平面，成双的12梯形棱面分别以90-150°角交错，所形成圆的半径6-12微米不等，每两个基础平面之间的高度距离在4-10微米，在这种情况下，上述的棱形颗粒直接通过光学接触与异质结的正面辐射平面和四个端面平面接触，重叠覆盖其20--85％辐射表面，与辐射转换萤光粉颗粒形成所形成的长波光λ大于560nm的合成白光辐射，色温T＝12000-2500°K，并在发散度为6-12度的小角度有很高的光强，当异质结的导电触点处于异质结果的后端。
简单阐述我们发明物理学实质。首先提出两个图表(表1)和(表2)，表中展示了光通过萤光粉涂层到异质结表面的图片。这种情况下，表-1，给出了由标准分散分布和大小的萤光粉颗粒制成的涂层。从表-1得出结论，涂层是由单个大粒径的萤光粉及其烧结物构成并且在填充厚度上是不均匀的。颗粒之间的空间由非常细小的萤光粉颗粒覆盖，这种情况下，由于萤光粉小颗粒可以在高度上形成叠加，这样就构成了标准涂层高度h≤10微米。由细小萤光粉末构成的类似厚度的涂层位于没有规则形状的大颗粒萤光粉颗粒或颗粒烧结物表。由于在原型中使用的萤光粉颗粒的高度分散性，所以不能在摄影或光学转换时对其进行精确聚焦。显然，类似的散射的扩散性是细小颗粒发射的萤光的特性。被标准萤光粉覆盖的异质结的自由表面部分不会超过5或10％，这严重限制了异质结初始短波辐射输出。给定的初始蓝光和萤光粉长波光的相互关系平均0.05∶0.95-0.1∶0.9决定了合成白光的颜色，合成白光在标准原型设计中处于暖白光区域，颜色坐标在x≥0.35y≥0.37至x≤0.42y≤0.43之间。在这种情况下，即可以实现主要是白光带有暖色，但已知的由高分散萤光粉小颗粒涂层制成的发光二极管设计还有重要的缺陷。
由萤光粉颗粒和以铟和镓的异质结为基础，使用建议发明中的高分散萤光粉的大容量棱形颗粒的萤光粉涂层看上去是完全不一样的(图—2)，在涂层上可以看到大粒的、板状一塔形颗粒，覆盖在异质结的辐射面。萤光粉颗粒的外切直径平均在6-12微米或更大。发明中使用大颗粒分散萤光粉的绝大多数颗粒拥有是棱形，多数六面体形状。棱面光环，没有明显的粗糙不平，所以来自晶体的辐射主要是小角度一般不超过
根据方程式
得出，这里n1是空气折射系数，n2是萤光粉材料折射系数n2≈1，92。大颗粒萤光粉萤光辐射由平滑的棱面和颗粒正面表面形成，以非常明亮、没有散射的光学光泽和反射形式。因为如此，大颗粒萤光粉发射的萤光光线在方向上非常接近输出棱镜的光学轴心，该轴心将来自萤光粉层的辐射引出，在这种情况下，长波光线很好的脱离二极管表面，在很小的发散度上形成蓝光(短波)和黄光(长波)光线的均色光束。这样在该二极管中就没有大量以分散剂TiO2颗粒或者无规则粉状萤光粉颗粒形式存在散射光中心，这样就消除了二极管机构中的多次扩散性散射现象。
在多倍电子显微镜下，我们得到放大500倍铈催化的铝-钇-钆基的单个大颗粒萤光粉颗粒图像。图像显示，颗粒为六面体棱柱，棱面两边都为梯形棱面，梯形棱面相互之间以90-150°角度相交。相互平行的两个棱面分别与梯形棱面相交，分别组成每个颗粒的正背表面。主要萤光光流正是通过这些表面，被激发的氮化In-Ga异质结的短波光线也是通过这些表面发射出来。再次指出，这也可以从表-2直观的看出，每个规则单晶颗粒的背面由于自身的光滑度与异质结发射面直接光学接触。在形成大颗粒规则萤光粉层时，这些表面之间可能会有部分很稀薄透明聚合物层，单这种情况下的光学接触不受影响，激发辐射和萤光辐射也不会消失。
有规则萤光粉覆盖异质表面的部分，可以从表-2得出，可能是不一样的，比如，20-85％的异质结辐射表面被萤光粉颗粒覆盖。相应地20-85％的短波蓝光仅仅穿透规则晶体的松疏层形成合成光。这种短波光功率可以用两个等式来表示：WB＝(Uγ)γB(1-Sy)+(Uγ)γB(1-Sy)RB，这里第一个被加部分是通过松疏孔的初始蓝光，第二个被加数表示了没有被规则萤光粉吸收的蓝光部分。这种情况下乘积(Uγ)-电压x异质结电流＝异质所需功率，γB-异质结外部量子辐射输出，Sy-异质被规则萤光粉覆盖的部分，萤光粉对初始蓝光辐射吸收系数为RB。每个萤光粉颗粒将初始激发蓝光转换成黄色萤光，成功获得蓝光相当的大的部分，等于WPL＝(Uγ)γB(1-Sy)·λB/λY·QLY，当QLY符号符合萤光粉光辐射等量流明数值的时候，这里补充指数λB和λY表示半导体异质结和萤光粉最大光谱波长。
被集中到棱镜外部，二极管的合成白光的强度非常大。这个数值在光学上被称为光强，一般用J＝dΦ/dω表示并按凯德拉测量(烛光)，到达被精确测量的光发散角(根据光强在特定辐射角度的一半衰弱值)。
工作过程中我们得知，所使用的二极管辐射光强非常高。在表-1中列出了与相应颜色坐标对应的光强数值。应该指出我们使用的二极管光强超过商业标准光强4-5倍。如果对标准的二极管和试验二极管进行辐射输出角度数字对比，那么在光强上的区别是：J/JэT＝109.25/12.0x 62/102＝109.25/12x 36/100＝3.6。
表-1
采用大颗粒萤光粉后，二极管在光强上的大幅度提高可能是因为采用新的发光二极管设计结构。
所采用发光二极管光强上的巨大优势在于是异质结是直角平行六面体各个面的比例是1∶1∶0，1到1∶2∶0，12，而以基础面与异质结辐射面接触的大颗粒萤光粉的高与颗粒投射内切半径的比例是1∶3-1∶1，在高度为最佳的6-8微米的情况下，这就保证了在初始蓝光和第二次发射的黄-橙黄合成光中由于和色坐标x＝0，2548y＝0，2169至x＝0，363y＝0，351大量匀质混合，所以没有发生空间上的光分离(选择)并形成光的短波中心区。
结构上发光二极管的主要是氮化铟，氮化镓基与单晶SiC或蓝宝石底板上构成的异质结。在平面图上异质结是长方形边的比例为1∶2到1∶1.5并在异质结长方形最小一面的外延薄膜厚度是0.1-0.12几何尺寸。异质结导电引线可以有几种设计方案，我们的发明中采用分级接触设计，正负极处于外延薄板一面。在这种情况下，对于InN层和p-触点之间有一个特殊面，从n-层GaN外延20-40微米。上电极直接和氮化镓层接触。此刻，萤光粉颗粒覆盖GaN异质结外部表面，并位于环绕异质结端平面的接触级上。
在工作过程中我们了解到，在异质结辐射表面面积为200x300微米可能覆盖有300-750单个大颗粒萤光粉，其截面(或颗粒内切圆)直径在6-24微米之间，这时每个规则颗粒的高度不超过6-8微米。
必须指出，直接与异质结辐射表面接触的萤光粉颗粒，在萤光粉层相对于异质结辐射平面的各个方向上没有形成多层覆盖，这肯定会反应在光结构输出强度上。
合成白光光谱由两个主要波段构成，两者强度关系取决于异质结辐射表面和萤光粉光学接触面覆盖的程度。根据合成光计算出的颜色坐标值在x在0，28-0，42之间变动，随着y在0，30-0，44之间变动。必须指出，在已知变动范围内有已知的合成白光方案，比如冷白光、暖白光，能量同样的白色。
萤光粉是立体晶体结构。与已知的化合物表中资料通用分子式A3B5O12相符合。工作过程中，我们了解，所有萤光粉颗粒拥有Pnm空间群的立体晶体结构，这与已知化合物表资料通用公式A3B5O12相符合：Ce，属于矿物型化合物。根据我们的资料，萤光粉物质的晶体格栅参数在a＝12，1A-12，21A之间变动。这种变动取决于萤光粉组份中的并部分替换萤光基本的钇离子的Gd离子数量。这种阳离子节点中的Y+3离子被稀土Gd+3替换是同价替换，不需要通过往物质晶体格栅中导入补偿物质进行其它补偿变化。往萤光粉物质晶体栅格中加入Gd离子可以提高萤光粉晶体的折射系数，从原来的初始成分为Y3Al5O12:Ce的初始值n＝1，92，提高到新的成分Gd3Al5O12:Ce的n＝1，99-2，00。在萤光粉组分中一定量的钇离子被镥离子无变化替换之后萤光粉物质的折射系数也会达到很高的值。通过向萤光粉组份中加入镥离子可以增强其黄绿色彩，这同时还加强了萤光粉对氮化镓氮化铟异质结的初次辐射的大量吸收。如萤光粉颗粒与充满氮化Ga-In-N的异质接平面之间有光学接触那么辐射输出角度φ＝arctg(1.9)，即接近10°。萤光粉物质折射增长指数从n＝1.92到n＝2.0，使异质结外表面直接输出角度降低，但同时异质结与萤光粉颗粒之间的光学接触区的辐射输出增大。萤光粉辐射穿过异质结，提高了发光二极管总的光输出。这种补充辐射由于通过使用Frenel棱镜而消除，这使得萤光可以聚焦。为了将来自萤光粉颗粒的光线成形，最后加入有机聚合物特殊分散介质，折射系数为nopr＝1，45-1，55。这种有机聚合物涂层起着光收集器作用，这样萤光粉颗粒表面光输出角度可以增大到
这可以提高萤光粉辐射收集到达80-90°并在实际上没有光学损失。
我们工作过程中同时还显示，通过所有萤光粉颗粒平面的萤光总数在14-18，此时所有的平面和棱面发射均匀萤光。激发萤光粉颗粒的萤光量子输出很好的被蓝光吸收。根据我们的测量大概在60％-90％(甚至更高)。显然，更高的量子输出与萤光粉的化学成分相符，萤光粉中有相当部分的钇被钆和镥替换。对于这些发光材料颗粒特点是激发光学波长反射系数关系曲线有更小值。晶体形式的光学材料在光学上是透明的，而他的黄绿色正如我们展示的一样，是由萤光粉组份中吸收波段的催化剂离子决定的。在加入钆离子和镥离子过程中发生的萤光粉矩阵内部晶体场的变化不仅仅提高了萤光粉物质的折射系数，同时也增强了其吸收波谱。此时，在萤光粉材料吸收波谱和异质结辐射发生最佳的光学匹配，以异质结辐射的半宽度为λ0，5＝35-45nm。萤光粉中加入的镥离子使其吸收波谱扩展到短波区域，因此为了激发萤光粉采用更为合适的短波发光二极管，与波长为λ＝450nm相比。这样，在我们的工作过程中我们使用了短波Ga-InN发光二极管，波长λ＝445nm或更短，这些二极管与我们的萤光粉的结合保证了很高的光流值和光输出。如上所述，已知的工业用的萤光粉，比如日本和美国公司生产的系列萤光粉不能满足本发明的需要，这样萤光粉颗粒是破碎的，不具备自然的晶体多棱，其中包括大量平行平面，异质结短波辐射从一面应通过这些平面被吸收，长波萤光从另一面穿过。此外，对工业级的萤光粉进行的电子显微镜研究表明，它们表面覆盖大量弧坑，弯曲，痕迹，这时萤光粉特有的，工业生产的最后工序是球磨机械粉碎滚压。工业萤光粉表面品质我们是根据反射系数值R来检测的。萤光粉称量(～100毫克)将其在光源A下曝光直到将80％投射到其表面的光线反射出去。如果对我们的萤光粉进行类似测试，那么其反射系数下降至55％。在少量萤光粉称量光线反应系数区别会更明显。
重要的是由于消除表面光散射现象颗粒萤光粉量子输出是不一样的。这样，对于标准工业产品来说萤光量子输出不会超过η≥50％，我们的有规则晶体多棱面的萤光粉的量子输出值η≥85％。类似的区别的一个可能的原因就是，我们采用的发光二极管含有带棱角萤光粉，从自己12-16(一般14)表面的量子输出超过85％，萤光粉化学组份的化学方程式：Gd3-x-y-zYx LuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p≤5.3，q＝4.5+1.5*p，保证了萤光粉强烈的长波黄-橙黄发光，波长在平均λmax＝530--595nm，最大半宽度λ0，5＝110--130nm，并随着萤光粉中Gd离子含量的增加而提高。
我们同时还注意到上述阳离子对萤光粉性能的影响。首先。钇离子保证对萤光粉晶体格栅主要催化离子Ce+3八面体形式包围。钇和铈阳离子在几何形状上的区别不是很大(τY＝0，97AτCe＝1，04A)，正因如此遵循了形成固态溶液主要结晶学原理。钆离子τGd＝0，95A的引入提高了晶体内电场梯度，这应该可以大幅度提高Ce+3离子内光照发光。镥离子是非常小的(τLu＝0，85A)半径，可以稳定萤光粉晶体格栅并可能降低其在向铝-钇-钆中引入催化大颗粒离子铈Ce+3的过程中产生的机械强度。萤光粉颗粒缺乏机械强度同时伴随得到它们自然的多棱面，因为众所周知，组成复杂化合物的成分的几何尺寸的非补偿性同时一定伴随其晶体或者微晶体表面深断口、断层突起、凹口。复杂化合物晶体形状必定伴随脆性、降低的显微硬度、酸洗剂中的快速溶解等等。
我们在工作过程中了解，催化离子Ce+3的能量配置有两个主要标准2F1/2和2F5/2，都是Ce+3离子主要电场分解状态4f＇(5s25p6)。被激发的离子状态项5d＇(5s25p6)产生蜕化的项2D5，位于萤光粉电介质Gd3-x-y-zYxLuy CezAlpOq禁区导电区底部～0，9电子伏处。5D1可能分解滞留在离能量水准最低的位置超过2，6电子伏，并在传导区钝化，因此实际上并没有发生Ce+3状态的下层4f＇电子位移，因而，并没有产生用于激发的补充能量消耗。
Ce+3离子状态2F5/2和2D之间的主要能量转换需要激发量子hv＝2，7电子伏的能量消耗，这符合被吸收光的波长λ＝457nm。此时电子池位移实际上是可能性最小地，因为发射光波长在2D-2F5/2位移等于λ＝525nm。类似由于发散光波长引起的12％的低值电子池位移是萤光发光中的独特现象。我们在发明工作过程中已知，主要波长为λ＝457nm的被吸收的光可能会因为向萤光粉成分中加入Lu+3离子发生短波位移，当萤光粉中Lu+3离子含量达到最佳值的时候波长为λ＝445nm。在萤光粉基质中加入Gd+3离子可以将吸收波长提高λ＝477nm。该水准～0，4电子伏的宽度对2D主要激发状态发生的发光过程有影响。这个水准的宽度位于距离物质传导区0，9电子伏的位置，造成辐射量子波长上的极大差异。在这种情况下短波波长在λ＝510-565nm之间，而长波最高可以达到λ＝680-700nm，发光最大波长可以达到λ＝590nm。正如上面显示的Ce+3离子发光状态上的能量多样性使得它实际上是再现可见光谱中黄、橙黄、红、甚至深红区域唯一必需的。这是使用半导体异质结和萤光粉来制造最佳白光组合光学结构所需要的。的确，如果异质结短波光谱最大值在λ＝445nm--475nm之间，即，Δ＝30nm，那萤光粉再次辐射发光光谱最大值可达到Δ≥65nm，这满足了为了获得平衡白光的对黄、橙黄和红光辐射的必需条件。
我们注意到主要催化剂Ce+3离子的浓度对萤光粉发光光谱性能有影响。如果引入Ce+3离子浓度最低并处于0.01≤z≤0.02之间，那么类似萤光粉发光光谱半宽度为Δ＝110nm。随着萤光粉成分中的Ce+3离子剂量增大，当含量z＝0，05，辐射光谱半宽度增加到Δ＝120nm，如z＝0，1，那么Δ＝130nm。
我们还注意到引入的钆、镥离子对萤光粉发射光谱半宽度增加的影响，辐射半宽度Δλ0，5＝135-141nm，在萤光粉格栅中的小颗粒阳离子Gd+3和Y+3浓度最高的情况下。
我们还注意到萤光粉发射光谱中的变化。在往Y离子中加入1.5原子量的肉色萤光粉颗粒就具备了黄-橙黄色。如果将Y+3浓度提高到x＝2.0，那么萤光粉颗粒将拥有稳定的黄光。萤光粉中Y+3离子含量的持续增加到x＝2.4伴随着在反射光谱出现绿色。从所有资料可以得出，萤光粉成分中氧化稀土元素与氧化铝的比例与化学方程式成分比例区别在等于3-5。类似的提高氧化铝的含量可以得到更为完善的大颗粒多棱萤光粉颗粒。
我们从上可以得出，该萤光粉拥有对于类似晶体萤光粉完全不一样的颗粒成分。表-2中为用于推荐仪器的该萤光粉颗粒大小规格与市场上标准萤光粉规格对比。
用于发光二极管.萤光粉分散指针
表-2
应当指出，用于发明的萤光粉颗粒的表面比率比日本和美国标准萤光粉小。较小的表面积无疑可以极大的降低来自异质结的初始光的散射。同时指出萤光粉颗粒的尺寸分布级差曲线差别很大。我们用于发明的萤光粉的分散数值与日本公司的萤光粉相同但比美国Am.Tech同类产品小很多。
萤光粉的化学制取是通过所谓的陶制流程图进行的，以下是九种萤光粉的备制方法实施例。
实施例1
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-17.2g，Y2O3-271g，Lu2O3-59.7g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含32.6g(0.1M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至400℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例2
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-34.4g，Y2O3-249g，Lu2O3-59.7g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含32.6g(0.1M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例3
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-51.6g，Y2O3-226g，Lu2O3-59.7g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含32.6g(0.1M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1250℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例4
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-86g，Y2O3-203g，Lu2O3-19.9g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含32.6g(0.1M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1550℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例5
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-112g，Y2O3-181g，Lu2O3-9.95g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含16.3g(0.05M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持二小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例6
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-120g，Y2O3-170g，Lu2O3-9.95g，Al2O3-260g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含16.3g(0.05M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例7
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-120g，Y2O3-170g，Lu2O3-15.9g，Al2O3-265g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含6.52g(0.02M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1200℃，以此温度保持二小时后再以5℃/分钟速度升温至1500℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例8
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-120g，Y2O3-147g，Lu2O3-39.8g，Al2O3-265g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含32.6g(0.1M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1250℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度升温至1550℃，以此温度保持四小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
实施例9
1.先秤取氧化物如下
Gd2O3-96.4g，Y2O3-170g，Lu2O3-69.7g，Al2O3-265g
2.取用Ce(NO3)3水溶液，水溶液中含有含16.3g(0.05M)之Ce(NO3)3。
3.将秤取之氧化物全数加入Ce(NO3)3水溶液中，并使之充分混合。
4.将充分混合之水溶液置入T＝120℃的烘箱中干燥，得混合粉末。
5.在混合粉末内添加24克Na2SO4、12克K2SO4和4克Li2SO4.粉末后充分混合，再将混合粉末放入500毫升的石英坩锅中。
6.将500毫升的石英坩锅放置于游离NH3(N2:H2＝3∶1)之气氛保护炉中，以5℃/分钟速度升温至450℃，以此温度保持一小时后再以5℃/分钟速度升温至1250℃，以此温度保持二小时后再以5℃/分钟速度升温至1550℃，以此温度保持三小时后再以5℃/分钟速度降温至室温取出。
7.将取出之粉末用硝酸(比例1∶1)和磷酸(1∶1)清洗未反应之物质，然后用大量清水重复清洗至中性为止。
8.将清洗后之粉末置入T＝120℃的烘箱中干燥，干燥后得最中之萤光粉产品。
以上九种萤光粉之化学式如表-3三所示。
表-3中列出萤光粉的主要光谱和发光指针
表-3
| № | 推荐萤光粉的组份 | 晶体的主要大小(微米)，hxlxk | λ<sub>max</sub>，纳米 | 量子输出η％ | 相对亮度，％ |
| 1 | Gd<sub>0，2</sub>Y<sub>2，4</sub>Lu<sub>0，3</sub>Ce<sub>0，1</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 10x12x12 | 545 | 85 | 80 |
| 2 | Gd<sub>0，4</sub>Y<sub>2，2</sub>Lu<sub>0，3</sub>Ce<sub>0，1</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 12x12x12 | 550 | 95 | 95 |
| 3 | Gd<sub>0，6</sub>Y<sub>2，2</sub>Lu<sub>0，3</sub>Ce<sub>0，1</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 10x10x10 | 555 | 100 | 100 |
| 4 | Gd<sub>1，0</sub>Y<sub>1，8</sub>Lu<sub>0，1</sub>Ce<sub>0，1</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 8x10x12 | 565 | 100 | 92 |
| 5 | Gd<sub>1，3</sub>Y<sub>1，6</sub>Lu<sub>0，05</sub>Ce<sub>0，05</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 10x8x12 | 575 | 94 | 90 |
| 6 | Gd<sub>1，4</sub>Y<sub>1，5</sub>Lu<sub>0，05</sub>Ce<sub>0，05</sub>Al<sub>5，1</sub>O<sub>12，15</sub> | 10x8x12 | 595 | 90 | 86 |
| 7 | Gd<sub>1，4</sub>Y<sub>1，5</sub>Lu<sub>0，08</sub>Ce<sub>0，02</sub>Al<sub>5，2</sub>O<sub>12，3</sub> | 10x10x14 | 592 | 88 | 84 |
| 8 | Gd<sub>1，4</sub>Y<sub>1，3</sub>Lu<sub>0，2</sub>Ce<sub>0，1</sub>Al<sub>5，2</sub>O<sub>12，3</sub> | 10x10x14 | 590 | 86 | 87 |
| 9 | Gd<sub>1，1</sub>Y<sub>1，5</sub>Lu<sub>0，35</sub>Ce<sub>0，05</sub>Al<sub>5.2</sub>O<sub>12.3</sub> | 10x10x12 | 570 | 94 | 91 |
| 10 | Y<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>Ce(标准) | 1x6x3 | 550 | 80 | 75 |
本发明中使用的萤光粉为铝-钆-钇-镥榴，萤光粉颗粒具有大颗粒多棱面形态，为了自身使用需要采用萤光粉聚合物层的改型工艺。首先，必须使用精细的机械搅拌来配置萤光粉悬浮物；最佳方式是使用超声波槽来进行搅拌操作。第二，合理地提高悬浮物中萤光粉颗粒浓度。据我们资料，萤光粉颗粒最佳含量在总量的50％-75％。使用特殊注射分散器生成涂层，每滴容量为0,001-0,002毫升。
发明工作过程中我们对制作的白光二极管的工作寿命进行了系列测试。测试包括连续工作1000小时的发光二极管光强I(mCd)测量。发光二极管直流电稳定在20毫安，供电电压为U＝3，20-3，28V。制作了25个采用大颗粒萤光粉的发光二极管，作为对比标准是采用日本公司N萤光粉25个发光二极管。测试结果见表-4。
表-4
| 蓝光发光二极管样品 | I<sub>0</sub>，mCd平均值 | I<sub>500</sub>，mCd平均值 | I<sub>1000</sub>，mCd平均值 | I<sub>1000</sub>/I<sub>0</sub>，％ |
| 大颗粒萤光粉 | 320 | 324，1 | 332，2 | 103，76 |
| 日亚标准萤光粉 | 320 | 291，2 | 259，2 | 81，0 |
因为U工作可以连续工作1000小时，所以认为仪器的光强可能会因为发光二极管工作电压降低而改变的假设是不存在的。
这种用大颗粒多棱萤光粉制成的白光发光二极管的亮度增长的物理事实是先前没有注意到的，需要深入细致的研究。勿庸置疑的是该萤光粉颗粒具有与众不同的不寻常的特性。
总结指出，每颗规格为0，2x0，3微米的GaN-InN晶体异质结表面都从各个辐射面覆盖大颗粒多棱微晶为主的悬浮物发出的光流为4-6流明，异质结的工作电流为J＝20mA。16个串连在发射矩阵上的发光二极管，所需电流J＝800mA，光流为F＝98-120流明，这保证光输出达到η＝22-28流明/伏。
拟定大量工业生产标准色值的发光二极管。
参考文献
[1]Shimizu et and.US pat.№5,998,925发表于1999年.
[2]Lowery et and.US pat.№6351069B1发表于02.2002年.
[3]US pat.№6,340,824B1，US pat.6,361,192B1，US pat 6,501,100B1，US patapplication 2002/0084745Al
Claims (1)
1.基于氮化镓氮化铟半导体异质结白光二极管，辐射波长小于470nm，装备由钆-钇-镥基，铈催化的多棱面大粒度分散荧光粉的光谱转换器，该荧光粉的通用方程式为：Gd3-x-y-zYxLuyCezAlpOq，这里的化学指数变动如下：1.0＜x＜2.6，0.0001≤y≤0.5，0.0001≤z≤0.5，4.7≤p≤5.3，q＝4.5+1.5*p，其中所述荧光粉的外切直径平均在6-12微米。
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| CN2006100023494A CN1807548B (zh) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 多棱面大粒度分散萤光粉及使用它的白光二极管 |
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| CN2006100023494A CN1807548B (zh) | 2006-01-27 | 2006-01-27 | 多棱面大粒度分散萤光粉及使用它的白光二极管 |
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Patent Citations (3)
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