[发明专利]基于碳氮化物的磷光体及使用该材料的发光器件

说明书

优先权要求

本申请要求2010年5月14日提交的美国临时申请61/334,967号和2010年6月15日提交的美国临时申请61/354,992号的优先权，所述专利申请通过引用全文纳入本文。

关于参考文献的声明

本文引用的所有专利、公开文本、和非专利参考文献均视为通过引用全文纳入本文。

技术背景

近年来，人们致力于研发光源和磷光体的组合，其将产生可实用的高性能发光器件，结果证明了高效的高功率光源和高效的磷光体。例如，证实了磷光体转换LED（“pcLED”）器件的发光二极管（“LED”）芯片和磷光体。一些磷光体/光源组合（例如pcLED）的独特方面是磷光体与光源（例如LED芯片）接触，且光源在高温下运行。例如，高功率LED的通常结温度为80-150℃。在这些温度下，磷光体的晶体处于高振动激发态，导致LED激发能被导向通过晶格驰豫以热辐射形式释放，而不是产生希望的光发射。另外，这些晶格驰豫还产生了加热，从而进一步降低了发光发射。这是一种恶性循环，阻碍了现有磷光体材料的成功应用。用于一般照明应用的pcLED灯需要高光能通量（例如，高于1Watt/mm²），其将导致在磷光体晶体内部由斯托克斯位移产生的额外加热。因此，结合了磷光体和光源的发光器件，例如用于一般照明的pcLED灯的成功发展需要开发能在80-150℃的温度下高效率运行的磷光体。风险在于，同时在室温下实现90％量子产率和在80-150℃下具有高的热稳定性是十分困难的。磷光体发光的热稳定性是磷光体的固有性质，其由晶体材料的组成和结构决定。

过去人们认为在磷光体制备中碳的使用是一种磷光体发光的猝灭源，而不是增强源。例如，在利用碳的磷光体制备方法后所残留的残余碳会妨害磷光体的发射强度。另外，碳化物材料的深色天然使其易于吸收光，而不是反射光。

碳氮化物磷光体由基质晶体中的碳、氮、硅、铝和/或其它金属，以及一种或更多中金属掺杂剂作为化学发光激活体组成。近来该类磷光体成为能够将近UV（nUV）或蓝光转换成绿光、橙光或红光的颜色转换器。碳氮化物磷光体的基质晶体由-N-Si-C-网络组成，其中Si-C和Si-N强共价键作为主要结构组分。通常，由Si-C键形成的网络结构在整个可见光光谱区具有强吸收，因此以前认为其不适合用作高效磷光体的基质材料。例如，在某些氮-硅-碳化物磷光体中，其中Ce³⁺是掺杂剂，Ce³⁺与（-N-Si-C-）网络之间的电子相互作用产生在400-500nm波长的强吸收，使得该磷光体在特定可见光的光谱区域的反射率较小。该作用对于实现具有高发射效率的磷光体是不利的。

目前我们发现，在某些碳氮化物磷光体制剂中，实际上碳化物可增强而非猝灭磷光体的化学发光，尤其是在相对高的温度下（例如200-400℃）。本发明证实了在某些碳氮化物磷光体制剂中，随着碳化物含量增加，在可见光谱区的吸收实际上减小。这些含碳化物的磷光体具有优异的发射热稳定性和高的发射效率。

发明内容

在某些实施方式中，本发明涉及一类新颖的基于碳氮化物的磷光体，其可表示为下式：

(1)Ca_1-xAl_x-xySi_1-x+xyN_2-x-xyC_xy:A

其中，0<x<1、0<y<1，优选0.3≤x≤0.8、0<y<0.5。A是掺杂在晶体结构中的发光激活体，其浓度水平相对于Ca为约0.001-10摩尔％。优选地，A可为至少一种选自下组的离子：Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Mn、Bi和Sb，更优选Ce³⁺、Eu²⁺、Eu³⁺、Tb³⁺、Yb²⁺和Mn²⁺。

在某些实施方式中，本发明涉及一类新颖的基于碳氮化物的磷光体，其可表示为下式：

(2)Ca_1-x-zNa_zM(III)_x-xy-zSi_1-x+xy+zN_2-x-xyC_xy:A