具有高發光效率的含磷光體的發光器件的制作方法

專利名稱：具有高發光效率的含磷光體的發光器件的制作方法
發明的背景發明的領域本發明一般來說涉及發光器件，本發明具體來說涉及可以從發光二極管和磷光體組合物產生白光的一種燈。
相關技術的描述近些年來，在制造能發出較短波長輻射的發光半導體器件方面已經有了重大的改進。例如，日本的Nichia Chemical Industries Ltd已經生產出能發出藍光和紫外(UV)光波長的發光二極管和激光二極管。Nichia還生產出包括藍光發光二極管(LED)和磷光體的光源。該磷光體，即摻有3價鈰的釔-鋁-柘榴石，轉換一部分藍光成寬頻的黃光發射。藍光和黃光加在一起產生白光，其色溫約為6000°K-8000°K，彩色再現指數(CRI)約為77。
然而，Nichia光源的器件發光效率每瓦特輸入電功率只有5流明。因此，Nichia燈輸出的光通量相當小，尤其是在輸入電功率受到例如電池功率的限制的條件下更是如此。因此期望，有一種具有較高的器件發光效率和光通量輸出的性能改善的光源。
發明的概述按照本發明的一個典型的實施方案，一種燈包括發光元件和磷光體組合物，發光元件例如是能發出藍光的發光二極管或激光二極管，磷光體組合物可以從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并能發出具有第二光譜的光。磷光體組合物包括至少一種下述的組合物Ba2MgSi2O7:Eu2+；Ba2SiO4:Eu2+；和(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+。
本發明還提供一種能發出藍光的發光元件，和一種從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并發出具有第二光譜的光的磷光體組合物，所說的燈發出的光的光譜發光效率為每瓦特輻射功率至少550流明。輸出光譜的高光譜發光效率把輸入到燈的功率有效地轉換成提供高亮度的光通量流明數。例如燈的器件發光效率可以是每瓦特輸入電功率為35-45流明以上。
這種燈具體來說可以用作閃光燈，這里亮度可能是燈的一個重要的特征，輸入功率可能受到了限制，并且彩色再現并不太重要。
附圖簡述從下面結合附圖的詳細描述中，本發明的其它特征和優點將是顯而易見的，其中

圖1是表示人眼靈敏度的光譜發光效率相對于光的不同波長的曲線圖；圖2是說明輸入功率、輻射功率、和光源的光通量之間的關系圖；圖3是典型的發光二極管的示意圖；圖4表示一種燈，這種燈包括磷光體組合物和光源如發光二極管；圖5是磷光體Ba2MgSi2O7:Eu2+的發射光譜的曲線；圖6是磷光體Ba2SiO4:Eu2+的發射光譜的曲線；圖5是磷光體(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+的發射光譜的曲線；優選實施方案的詳細描述如在本領域中公知的，人眼對于光的某些波長比對于光的其它波長更加靈敏些。CIE(Commission International dc l′Eclairage)對于這種現象進行了仔細研究，并且根據大量的人眼對光的響應的觀察在1931年制定了一個標準，稱之為“標準觀察員“。標準觀察員代表許多各人的眼睛靈敏度的平均值隨波長的變化，眼睛靈敏度在555nm(納米)有最大值，在約380nm(紫外)和780nm(紅外)降低到0。在圖1中繪出了用標準觀察員代表的人的眼睛的可變靈敏度，圖1表示光譜發光效率V(λ)隨波長λ的變化。
光譜發光效率V(λ)在許多發光應用場合都是很重要的，因為它對于光源輸出的用流明度量的光通量有很大的影響。光通量指的是按照它產生可視感覺的能力估算的輻射能量(即輻射功率)流的時間速率。輻射功率指的是光源輻射的單位時間的能量。光通量不同于輻射能量，因為眼睛靈敏度對于光的不同波長是變化的。例如，發出和紅光光源相同輻射功率的綠色光源將有較高的光通量，因為人的眼睛對于綠光比對于紅光更加靈敏些。在圖2中說明了這個原理，圖2表示的是光通量隨波長的變化，所說的光通量是由對于所有的可見波長全相等的輻射功率光譜產生的。
通過如以下所述積分輻射功率P(λ)和在期望波長范圍的發光效率V(λ)的乘積，可以計算光通量Lk∫P(λ)V(λ)d(λ) (1)其中系數k是最大發光效率因子，在555nm處系數k等于683流明/瓦特(1pw)。最大發光效率因子k將瓦特轉換成流明。
在表征輸出光譜中通常使用的另一個變量是光譜發光效率。光譜發光效率量化從輻射功率產生光通量流明的輸出光譜的效率。光譜發光效率習慣上定義為光通量除以光源輸出的輻射功率。只包含波長555nm的輸出光譜具有最大的發光效率，即683流明/瓦特。由白熾燈泡發出的可見光的光譜發光效率一般約為300流明/瓦特。
按照本發明的典型的實施方案，對于一個燈的輸出光譜進行設計，以便可以提供高的光譜發光效率，它是通過將輸出光譜集中在圖1的發光效率曲線的最靈敏區。以此方式，在不增加光源的輸入功率的情況下就可以增加方程(1)的積分值，方程(1)表示的是光源輸出的光通量。
按照本發明的典型的實施方案，該光源包括發光元件和磷光體，發光元件例如是能發出藍光的LED或激光二極管，磷光體可以吸收的藍光并能發出綠光。對于磷光體進行選擇，使其能發出綠光，而且綠光的輸出光譜集中在圖1的發光效率曲線的最靈敏區。
由LED發出的藍光的發射峰在大于400nm的波長處，一般在400nm和500nm之間，更加典型的在約450nm和470nm之間。由LED發出的藍光的最大值的1/2處的全寬度一般小于約70nm，更加典型的小于約50nm，優選的小于約20nm。
如在本領域中公知的，藍光LED可以通過在基片上淀積各種半導體材料層制成。在形成發光器件中有用的已知的半導體材料組是氮化鎵(GaN)系統。氮化鎵系統指的是包括一種或多種第Ⅲ族氮化物的半導體材料，即氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、和氮化銦(InN)。GaN系統可以根據組合物中GaN、AlN、InN的相對數量產生各種波長的光，特別是較短波長的光。和常規的發射綠光的LED相比，GaN系統一般還具有如下的優點相當高的輻射功率輸出、和較小的溫度靈敏度。
圖3表示LED10的實例。典型的LED包括基片20,n型GaN層30，可以形成一個或多個量子阱的銦鎵氮化物(InGaN)層40,p型的鋁鎵氮化物(AlGaN)層50,p型的GaN層60，正觸點70，和負觸點80。各種半導體層30、40、50、60一般通過化學汽相淀積(CVD)法淀積。在一般情況下，每層都可以包括InxGayAl(1-x-y)N，其中0≤x≤1,0≤y≤1。雖然在圖3中作為例子表示出LED，但本發明還包括其它的發光器件，如激光二極管。此外，除了GaN系統外，還可以使用其它半導體材料，例如，砷化鎵(GaAs)和它的合金、硅、和碳化硅(SiC)。
發射藍光波長的LED和激光二極管的其它例子在本領域中是公知的。例如參見下述美國專利5813753、5813752、5338944、5416342、5604763、5644584。在Shuji Nakamura和Gerhard Fassol的“藍光激光二極管“(1997)中也描述了發射藍光和紫外輻射的LED和激光二極管。
圖4表示按照本發明的典型的實施方案的發光設備。該發光設備200包括光源210，這個光源例如可以是通過引線212、214供電的LED或激光二極管。光源210和引線212、214的一部分封閉在透射體220中，透射體220例如可以包括硅、玻璃、或塑性材料。
磷光體組合物230可以在透射體230的外表面上形成，如圖4所示，或者在透射體230內部直接在光源210上形成。為了將磷光體組合物加到透射體230上或光源210上，可以將磷光體組合物加到液態懸浮體介質中，例如商業漆中使用的硝化纖維素/乙酸丁酯粘合劑和溶質溶液。可以使用許多其它帶有適當的分散劑和增稠劑或粘合劑(例如聚環氧乙烷)的液體，包括水。將含磷光體的懸浮液涂、刷、或按其它方式加在LED上并且干燥之。發光設備200還可以包括許多散射顆粒，例如二氧化鈦(TiO2)或氧化鋁(Al2O3)顆粒，如果使用激光二極管作為光源210，這些散射顆粒要嵌入透射體230中。
在向引線212、214施加電流時，LED產生藍光，這個藍光由磷光體組合物230轉換成綠光。由LED或激光二極管發出的藍光有效地激發了發射綠光的磷光體。按照本發明的典型實施方案，可以使用下述的磷光體中的一種或多種Ba2MgSi2O7:Eu2+；Ba2SiO4:Eu2+；(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+。
在上述磷光體中，冒號后邊的元素代表激活劑。記法(A,B,C)代表(Ax,Bx,Cx)，其中0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1，并且x+y+z=1。例如，(Sr,Ca,Ba)代表(Srx,Cay,Baz)，其中0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1，并且x+y+z=1。通常x、y、z均不為零。記法(A,B)代表(Ax,Bx)，其中0≤x≤1,0≤y≤1，并且x+y=1。一般來說，x和y都不是0。
發綠光的磷光體的峰值發射最好在約500nm和約555nm之間。圖5、6、和7表示這里公開的3種綠光磷光體的發射光譜。如圖所示，綠光磷光體的發射光譜在很大程度上與圖1的光譜發光效率曲線的最靈敏區重合。例如，Ba2MgSi2O7:Eu2+的峰值發射在約495nm-505nm，典型值約為500nm,Ba2SiO4:Eu2+的峰值發射在約500nm-510nm，典型值約為505nm,(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+的峰值發射在約535nm-545nm，典型值約為540nm。使用一種或多種這些磷光體的燈的最終的光譜發光效率在假定基本上所有藍光都被磷光體吸收的條件下一般都大于每瓦特輻射功率550流明。
通常用來描述燈的發光效率的另一個變量是器件發光效率，器件發光效率定義為燈輸出的光通量除以輸入到燈的電功率。燈的器件發光效率計及輸出光譜的光譜發光效率和3個附加的因素。第一，器件效率代表由LED輸出的輻射功率除以輸入到LED的電功率。對于一個典型的藍光LED，器件效率約為10％。第二，磷光體的量子效率代表一種損耗，這種損耗和從吸收的光子到發射的光子的能量傳輸有關。量子效率定義為磷光體發射的光子數除以磷光體吸收的光子數。對于這里描述的磷光體，量子效率一般約為80％。第三，存在一種能量損耗，它和由磷光體影響而使發射光的頻率下降有關，這個能量損耗等于hΔv，其中h是普朗克常數，Δv是光的頻率的變化。對于在450nm處吸收并在555nm發射的光，發射能量是450/555=81％吸收能量。
如果考慮到所有的這些因素，則對于一個典型的燈的器件發光效率(DLE)是DLE=(DE)*(QE)*(FL)*(SLE)這里，DE=器件效率，QE=磷光體量子效率，FL=頻率損耗效率，和SLE=光譜發光效率。對于按照本發明的典型實施方案的典型的燈，器件發光效率是(10％)*(80％)*(81％)*(550到683流明/每瓦特輻射功率)=大約35-45流明/每瓦特輸入電功率。器件發光效率的這個范圍就代表比現有的LED燈的明顯增加。例如，常規的發綠光的LED一般產生不大于30流明/每瓦特(1pw)輸入電功率。
按照本發明的另一實施方案，利用激光二極管還可以進一步增加器件發光效率，器件效率可達例如40％。假定其它的變量基本上保持相同，則器件發光效率可以提高到約143-177流明/每瓦特輸入電功率。
因為使用LED或激光二極管作為光源，所以輸出的光的光譜集中在圖1的光譜發光效率曲線的最靈敏區，從而產生高的光譜發光效率，例如至少為5501pw。因此，本發明的優點就是在不增加LED或激光二極管的輸入電功率的情況下顯著地增加了光通量輸出。
考慮到本說明書或實施了這里公開的本發明后，本發明的其它實施方案對于本領域的普通技術人員來說都是顯而易見的。我們的愿望是，本說明書和實例都只被認為是說明性的，本發明的真正的范圍和構思都由下面的權利要求書限定。
權利要求
1．一種燈，它包括發光元件，它能發出藍光；和磷光體組合物，磷光體組合物可以從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并能發出具有第二光譜的光，磷光體組合物包括至少一種下述的組合物Ba2MgSi2O7:Eu2+；Ba2SiO4:Eu2+；(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+。
2．權利要求1的燈，其特征在于發光元件包括發光二極管。
3．權利要求1的燈，其特征在于發光元件包括激光二極管。
4．權利要求1的燈，其特征在于第二光譜的光譜發光效率至少為550流明/每瓦特輻射功率。
5．權利要求1的燈，其特征在于燈的器件發光效率至少為35流明/每瓦特輻射功率。
6．權利要求1的燈，其特征在于藍光發射峰的波長大于400nm并小于520nm。
7．權利要求1的燈，其特征在于藍光發射峰的波長在450nm和470nm之間。
8．權利要求1的燈，其特征在于第二光譜的發射峰在500nm和570nm之間。
9．權利要求1的燈，其特征在于進一步包括包封發光元件的一個透射體，磷光體組合物淀積在該透射體的表面。
10．一種燈，它包括發光元件，它能發出藍光；和磷光體組合物，磷光體組合物可以從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并能發出具有第二光譜的光，其特征在于燈發出的光的光譜發光效率為每瓦特至少550流明。
11．權利要求10的燈，其特征在于發光元件包括LED。
12．權利要求10的燈，其特征在于燈的器件發光效率至少為35流明/每瓦特輻射功率。
13．權利要求10的燈，其特征在于發光元件包括激光二極管。
14．權利要求10的燈，其特征在于第二光譜的發射峰在約535nm和545nm之間。
15．權利要求10的燈，其特征在于第二光譜的發射峰在約495nm和505nm之間。
16．權利要求10的燈，其特征在于第二光譜的發射峰在約500nm和510nm之間。
17．權利要求10的燈，其特征在于磷光體組合物包括至少一種下述的組合物Ba2MgSi2O7:Eu2+；Ba2SiO4:Eu2+；(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+。
18．一種燈，它包括發光元件，它能發出藍光；和磷光體組合物，磷光體組合物可以從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并能發出具有第二光譜的光，其特征在于燈的器件發光效率為每瓦特功率至少35流明。
19．權利要求18的燈，其特征在于所說的燈發出的光的光譜發光效率為每瓦特功率至少550流明。
20．一種產生光的方法，它包括如下步驟用發光器件產生藍光；將藍光引向磷光體組合物，磷光體組合物包括至少一種下述的組合物Ba2MgSi2O7:Eu2+；Ba2SiO4:Eu2+；(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu2+；和利用磷光體將藍光轉換成具有不同光譜的光。
21．權利要求20的方法，其特征在于產生藍光的步驟包括用發光二極管產生藍光。
22．權利要求21的方法，其特征在于磷光體組合物將藍光轉換成的光的光譜發光效率至少為每瓦特輻射功率550流明。
23．一種產生光的方法，它包括如下步驟用發光器件產生藍光；用磷光體組合物吸收藍光，所說磷光體組合物發射具有不同光譜的光，從而使發光器件和磷光體組合物一起發出的光的光譜發光效率為每瓦特輻射功率至少550流明。
全文摘要
一種燈,它包括:發光元件,例如發光二極管或激光二極管,它能發出藍光;和磷光體組合物,磷光體組合物可以從發光元件那里吸收具有第一光譜的藍光并能發出具有第二光譜的光。磷光體組合物包括至少一種下述的組合物Ba
文檔編號H01S5/323GK1289455SQ9980250
公開日2001年3月28日 申請日期1999年11月30日 優先權日1998年11月30日
發明者L·M·萊溫森, A·M·斯里瓦斯塔瓦 申請人:通用電氣公司