紫外光發光二極體用之螢光粉介紹

先前提及螢光粉轉換式之白光 LED (pc-LED)，分解其組成結構 大致可歸納為兩大部分，(1)發光元件與(2)封裝材料，前者又可細分 為提供光源之 LED 晶片，其中涵蓋現階段使用之 InGaN 藍光晶片 (420~470 nm)與正發展中之紫外光晶片(350 ~ 420 nm)；以及用於波長 轉換之發光材料，於本研究為純無機材料之螢光粉。於此節中探討發 光元件，並分兩小節分別討論晶片與螢光粉之選擇。並於1.5 節討論 封裝材料，將著重白光 LED 封裝技術之螢光粉塗布對發光效率之探 討。

1.2.1. 紫外光與藍光激發

藍光發光二極體最早是以氮化矽為材料，但因其並非直接能隙，

故發光效率低。現階段發光二極體最常使用之Ⅲ-Ⅴ族元素為氮化 物，不論藍光或是紫外光，如圖1.2 所示 Al-Ga-In-N 系統之氮化物能 完整覆蓋可見光部分且均為直接能隙，尤其 Ga_xIn_1-xN 三元合金能帶

從InN 之 1.9eV (red)至 GaN 之 3.4eV (ultraviolet)。⁶其歷史可回朔約 五十年前 Juza 等人 ⁷ 將氨注入受熱的鎵(In)金屬而形成，數年後 Grimmeiss 等人 ⁸量測其光激發光譜圖。至1972 年 Pankove 等人開發 藍色發光二極體，但因基板之晶格匹配問題與 p 型氮化鎵成長不易，

故其發展無法突破，至1986 年 Amano 等人⁹以化學氣相磊晶之方式 先長一層氮化鋁薄膜，而後於高溫中成長氮化鎵。1989 年 Akasaki 等人 ¹⁰ 利用，低能量電子束(low-energy electron-beam irradiation, LEEBI)照射以氮化鋁當緩衝層之摻 Mg 氮化鎵，乃得 p-型氮化鎵，摻 雜濃度達約10¹⁷ cm^-3和片電阻約12 Ω-cm。隨後日亞化學之 Nakamura 等人¹¹於高溫和氮氣之環境中，即可得低電阻之p-型氮化鎵，並以熱 處理方式成長氮化銦鎵(InGaN)與氮化鎵(AlGaN)之多重量子井結 構，成功成長藍光發光二極體 1, 6, 12‐14。近年來，國內外各研究單位相 繼投入，使得氮化物蓬勃發展，日本日亞化學更於2007 將發光效率 提升至150 lm/W。 

現行之紫外光 LED 亦以氮化物為主之氮化鎵，因目前白光 LED 所使用之晶片以藍光居多，故投入紫外光LED 之研究相對少很多¹⁵， 發展亦即不似藍光迅速。近年為克服 GaN 能帶，受限於 363 nm 放射 波長之問題⁵，Nishida 等人^{16, 17}成長(Al, In)GaN 而將放射波長增至近 紫外光(350-420 nm)。因 NUV-LED 可提供更有效率之固態照明光源

18，有愈來愈多NUV 激發之螢光粉研究正如火如荼展開，例如：Qiang

等人 ^19-22。有鑑於此，本研究亦將著重於發展 NUV 激發之新型螢光

粉。 

  圖1. 2 能階與化學鍵長圖。搭配可見光能階範疇可清楚得知不同

Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅶ族材料之相互形成合金之狀況⁶  

1.2.2. 紫外光激發之螢光粉

LED 過去一直被應用於低發熱之應用，例如：指示燈等。但過 去數年間隨著LED 於照明領域所扮演之角色日漸蓬勃，高功率 LED 亦日益受到重視。顧名思義，高功率意味著提供較高驅動瓦數(一般 而言 > 0.5W)，故熱問題對於整體發光效率便產生關鍵性之影響。且 螢光粉於發光效率扮演相當重要之角色，因此研究溫度對螢光粉之影 響亦相當重要，最早Poort 等人²³探討鹼土矽酸鹽螢光粉於不同溫度 時之光譜位移情形，接著 Kim 等人 ^24-26於摻銪鹼土矽酸鹽類之熱穩 定性作更深入探討；Xie 等人 ^{27, 28}研究 SiAlON:Eu 化合物之熱穩定 性；鋁酸鹽類 ^29-31，例如：BaMgAl10O17:Eu (BAM:Eu)亦有不同退火

(annealing)溫度對光譜強度等特性之研究；氮化物方面亦有相關探討

西元1802 年，英國心理學家楊格(Thomas Young, 1773~1829)提 出「色光三原色」學說，任何顏色均由紅、綠與藍三原色以適當比例 混合而成，一般選取700 nm(R)、546.1 nm(G)與 435.8 nm(B)為三原 色 。 三 原 色 之 光 亮 度(lm) 並 不 同 ， 其 比 例 為 1(R) ： 4.5907(G) ： International de I `Eclairage, CIE)，於 1931 年提出新之 XYZ 色度座 標，但此三原色(X)、(Y)、(Z)並非真實顏色，而為虛構。

Dartnall 等人³⁷以(Microspectrophotometry, MSP)對人類感光細胞