[发明专利]氧碳氮化物磷光体和使用该磷光体的装置

说明书

本发明在能源部许可号DE-EE0003245的美国政府支持下做出。美国政府享有本发明的一定权利。

发明领域

本发明涉及红色磷光体及其在照明应用的用途，尤其是在发光二极管照明装置中。

技术背景

磷光体转化LED（pcLED）利用作为光源的蓝光LED芯片以及一种或多种磷光体来产生白光。基于pcLED技术的装置成为一般用于固态照明应用中的基础装置。尽管如此，但仍然需要明显的进步来实现固态照明市场提出的性能规格。

pcLED装置通过利用蓝光LED芯片产生的发射光谱来激发包含的磷光体，从而从单独的LED产生白光发射。蓝光LED芯片产生的发射光谱激发包含的磷光体，然后所述磷光体产生发射光谱，该发射光谱与蓝光LED芯片的发射光谱组合，得到白光。重要的是确定蓝光LED芯片的颜色调节（color tuning），包含的磷光体对于pcLED装置的效率和优化很关键。因此，仍然需要开发磷光体，使得pcLED装置的制造商能加强颜色调节。

而且，用于常规pcLED装置设计中的磷光体位于蓝光LED光源附近。所以，在光产生过程中，这些磷光体受到升高的温度。高能LED芯片表现出的结温通常在100-150℃范围内。在如此的升高温度下，磷光体晶体处于高度振动的激发态中。在置于这样高的振动激发态中的时候，激发能会导致通过非发光弛豫产生额外热量，而不是导致从磷光体产生所需的光发射。这种产生热量的现象加剧了恶性循环，导致目前的pcLED装置无法实现固态照明市场的工业规模的性能规格。因此，用于一般照明的pcLED装置的成功开发要求确定能在100-150℃温度高度有效工作的磷光体。

基于氮化物的磷光体在pcLED装置产生的高温下具有极佳的照明性能，因此已经提出将其用于pcLED装置中。这些基于氮化物的磷光体的例子包括基于金属硅氮化物的磷光体。这些磷光体材料的基质晶体主要包括Si-N、Al-N化学键及其杂化键作为结构的主链。虽然这些键是稳定的，但是硅和碳之间的化学键（Si-C）具有较高的键能，因此具有较高的热稳定性和化学稳定性。此外，碳与许多金属原子能形成非常稳定的化学键。

但是，之前认为向磷光体晶体材料中引入碳或碳化物会有害于发光性能。各种金属碳化物的经常是深色的主体颜色会成为发射光被吸收或猝灭的来源。而且，在利用碳或碳化物作为前体的具体磷光体制备中，残余的未反应碳或碳化物会使得磷光体的发射强度降低。

碳氮化物磷光体在基质晶体中可包含碳、硅、锗、氮、铝、硼和其他元素，还包含一种或多种掺杂剂作为发光活化剂。最近出现的这种磷光体可作为颜色转化剂，能将近紫外（nUV）光或蓝光转化成可见光谱范围内的其他光，例如蓝光、绿光、黄光、桔光和红光。碳氮化物磷光体的基质晶体可包含-N-Si-C-、-N-Si-N-、和/或-C-Si-C-网络，其中Si-C和Si-N的强共价键作为该结构的主要构件块。一般来说，由Si-C键形成的网络结构在整个可见光光谱区域中具有强吸收，从而之前已经被认为不适合用于高效磷光体的基质材料中。

在某些碳氮化物磷光体中，碳能加强而非猝灭磷光体的发光，尤其是当磷光体受到较高的温度（例如200-400℃）时。某些碳氮化硅磷光体在所需发射光谱的波长范围中的反射系数随着碳量增大而增大。已经有报告指出这些碳氮化物磷光体表现出极佳的发射热稳定性和高的发射效率。

在Li等的美国专利申请公开第2011/0279016号中揭示了一类设计用于pcLED装置中的基于碳氮化物的磷光体。Li等描述了符合化学计量的碳氮化物磷光体，以及使用该磷光体的发光装置，其中将该类基于碳氮化物的磷光体表示如下：

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

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

M(II)_1-x-zM(I)_zM(III)_x-xy-zSi_1-x+xy+zN_2-x-xyC_xy:A                (3);