CN101331618A - 产生期望色点的光的半导体光源和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固态光源，包括发射激发光(102)的第一有源区(110)、发射初级光(104)的第二有源区(120)以及将激发光(102)基本转换成次级光(106)的转换元件(130)。初级光(104)和次级光(106)被混合起来产生具有预定色温的期望色点的光，尤其是白光。

Description

产生期望色点的光的半导体光源和方法
本发明涉及一种固态光源。
本发明还涉及包括这种固态光源的背光单元。
本发明还涉及包括这种背光单元的显示模块。
本发明还涉及包括这种显示模块的便携式电子设备，如移动电话、PDA、袖珍个人电脑等。
本发明还涉及包括这种固态光源的灯。
本发明还涉及一种从这种固态光源产生期望色点的光的方法。
在EP1160883-A2中公开了一种光源的实施例，例如LED灯。LED灯包括蓝色和红色LED。蓝色LED发出波长在蓝色波长范围的辐射，红色LED发出波长在红色波长范围的辐射。磷光体至少覆盖蓝色LED。磷光体被蓝色LED的辐射光激发，将蓝色LED的一部分辐射转换成中间波长，比如黄色或者绿色。蓝色波长范围的一部分辐射穿过磷光体，没有被转换。白光是通过组合蓝色LED、红色LED产生的辐射，以及由被蓝色LED的辐射光激发的磷光体所产生的黄光而产生的。
典型地，在单个LED产生的光是不够的应用中，需要将多个LED组合起来发光。拿背光单元来说，一部移动电话的显示器需要几个白色的LED来提供照明。而且，优选这些设备，比如显示器，具有相同的色温。但是一些类型的LED，尤其是覆盖着磷光体的白色LED，由于原材料来源，原材料的晶体成长、加工、存放条件的不同，以及生产工艺上的其他变化，使得其在色温上出现变化。因此，生产工艺要求LED在组装到比如背光单元之前被组合。例如，这些组合的方法利用颜色坐标或相关色温(CCT)来分类LED。但是具有相同CCT的LED仍能够具有不同的色调。生产者采用了新的组合方法，意在减少同一组中LED的差别。这些组合工艺大大提高了生产LED的成本。
因此本发明的目的在于提供一种固态光源，通过减少了对上述组合方法的需要从而能以较低成本进行制造。
本发明的目的还在于提供一种通过固态光源产生期望色点的光的方法。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种包括发射激发光的第一有源区，发射初级光的第二有源区，以及将激发光基本转换成次级光的转换元件的固态光源。这种光源还被设置来混合初级光和次级光。
第一有源区发射激发光，如蓝色，红色，绿色，紫色，紫外光等当中的任何一种。转换元件基本上将任何激发光转换成次级光，如黄色，绿色，蓝绿色，绛红色等当中的任何一种。优选地，第一有源区发射的激发光被磷光体完全转换成次级光。转换元件优选是磷光体，比如YAG或UV有效的硅酸盐磷光体，且转换元件能够吸收一个光谱频率范围内的光并发射出不同光谱频率范围的光。可替换地，可以使用荧光染料，特别是合成的无机或有机系统。下文所提到的“磷光体”并不排除使用这些替代物的可能性。混合初级光和次级光产生了均匀色温的混合光，优选为白光。
本发明的目的通过将激发光基本转换成次级光，而不是现有技术的部分转换，从而能够控制固态光源的白色点并避免了对固态光源进行分组的需要来得以实现。
与现有技术相关联的磷光体在生产过程中不能被精确地控制，导致了被转换的光量是变化的，因为LED具有不同的相关色温并因此需要被组合。比如，如果磷光体是与第一有源区相关联的层，由此磷光体层的厚度将会影响激发光转换成次级光的转换率或转换效果。而且，磷光体材料的成分也可能会影响转换率。转换率的变化也会导致色温的变化。
这种部分转换具有的各种变化的问题，在本发明中通过将任何激发光基本转换成次级光而被解决。由于任何激发光都能被基本转换成次级光，消除了对组合的需求，因此放宽了制程范围，从而降低了生产固态光源的成本。
优选地，激发光和初级光在蓝色波长范围内。磷光体被设置来吸收第一有源区发出的激发光(蓝光)，并将激发光转换成另一波长的光，优选是在黄色周围并包含黄色的宽光谱内。蓝色的初级光，和现在是黄色的次级光，混合起来产生白光。因此产生的白光具有高色温，适用于便携式电子设备，比如移动电话，PDA，袖珍PC等。
将激发光完全转换成次级光的另一个好处是由于操作条件与分组条件的差异所造成的发射光谱转换率的变化可以被忽略。比如，固态光源通常是在10mA或20mA的恒定电流下被分组，这样它们可以有相同的CCT。但是当它们中的一些在比如背光单元里被串联时，该串联中的每个固态光源都可能有不同的正向电压降。因此，一个或几个固态光源将会在不同于分组时采用的电流下工作，并由此具有不同的强度，从而导致发射光谱中的偏移。这样，固态光源在不同的CCT下工作。通过基本上转换所述激发光，对发射光谱的影响可以忽略。激发光基本转换成次级光导致固态光源的可忽略的强度变化，再也不会干扰均匀的照明。
所述基本转换的另一好处是由于固态光源的老化造成的发射光谱的任何偏移可以被忽略。
所述基本转换的另一好处是由于固体光源的环境温度的变化造成的发射光谱的任何偏移可以被忽略。
所述基本转换的另一好处是由于固态光源在生产过程中采用的材料的不同造成的发射光谱的任何偏移可以被忽略。
另一好处是例如由于磷光体的老化或化学成分造成的磷光体吸收光谱的偏移(另外还会影响上述转换，典型地导致磷光体发光的降低)可以被忽略。
比如，对于固态光源，诸如老化、环境温度的变化、或者所用材料的不同的这些影响造成了发射光谱的偏移，从而导致转换率的变化，使固态光源在不同的CCT下工作。因此，例如设置在背光单元里的固态光源在显示器上表现出失真，因为被转换的光具有不同的色调。通过转换激发光，所述对转换率的影响，进而强度的变化都可以被忽略，导致更均匀的照明。
如前面讨论的，转换中的变化影响了色温，这可以通过根据本发明的将激发光基本转换成次级光而被避免。上面对于色温的考虑也可以应用到获得任何期望色点的更普通的任务。
在优选实施例中，激发光和初级光在相同的波长范围内。
优选地，激发光和初级光在可见光谱的相同部分，比如蓝色波长范围，因为蓝光相比于其他光如红光而言，被吸收得相对少。在大多数背光单元里，使用吸收光的聚合物光导。使用蓝光通过混合来产生白光的一个好处是由于蓝光被吸收得少，因此相比于其他波长的光，提高了系统的效率。另外，因为蓝光的存在，通过混合蓝光和黄光而形成的白光也具有高色温，使得它适合应用于诸如移动电话的设备。
在另一实施例中，第一有源区和第二有源区形成在单个衬底上。这样做的一个好处是，固态光源可以被集成到单个芯片中从而降低生产成本。另一个好处是，由于公共电极被附着到所述单个衬底上，电子连接的数量减少了，从而进一步降低了生产成本。
在另一个实施例中，第一有源区和第二有源区可以被设置在形成于单个衬底之上的单个公共有源区内。这个单个公共源区的第一部分起到第一有源区的作用。比如，磷光体只与第一部分关联，这样第一部分发射的激发光被完全转换成次级光。单个公共有源区的第二部分不与磷光体关联，起到第二有源区的作用，用来发射初级光。激发光和初级光具有相同的波长。这样做的一个好处是，由于使用单个材料来形成有源区，其生产成本能够被大幅降低，由此降低了制造成本。另外，由于是单个衬底，单个公共电极可以被附着到衬底上形成阴极，从而降低制造成本。
在另一个实施例中，第一有源区形成在第一衬底之上，第二有源区形成在第二衬底之上。这种构造的好处是，在设计固态光源时第一和第二有源区具有灵活性。
在另一个实施例中，转换元件包括仅仅基本覆盖第一有源区的层。比如，磷光体能够被形成为仅仅覆盖第一有源区并将任何激发光基本转换成次级光的层。这样做的好处是，固态光源可以被形成为紧凑的装置。比如，具有足够厚度的磷光体层能获得完全的转换。
在另一个实施例中，固态光源还包含控制单元，用来独立地控制激发光和初级光中至少之一的强度。
在另一个实施例中，控制单元包含可变电阻。
可以通过单独调节施加于第一有源区和第二有源区的电压中的之一或二者来改变第一有源区和第二有源区发射的光强度。通过独立控制有源区，光谱的各个强度都可被调节，从而比如调节混合光的色温。具有可变电阻的电流控制装置(如电阻)被用在控制单元中。通过独立地控制到第一和第二有源区的电流，固态光源的白色点能够被很好得调节。
根据本发明的另一方面，背光单元包含这样的固态光源。
根据本发明的另一方面，显示模块包含这样的背光单元。
根据本发明的另一方面，便携式电子装置包含这样的显示模块。
根据本发明的另一方面，灯包含一个或多个这样的固态光源。这样的灯有利地用于机动车照明。
根据本发明的几个这样的固态光源可以被包括在照明灯内，或是包括在背光单元内，从而为诸如移动电话，PDA等的便携式设备的显示器提供照明。
根据本发明的另一方面，本发明还提供了利用固态光源产生期望色点的光的方法。此方法包含步骤：从第一有源区产生激发光，从第二有源区产生初级光；接着，通过使用转换元件将激发光基本转换成次级光；接着，混合初级光和次级光从而产生期望色点的光。这种方法的好处已经在前面介绍过了。
本发明的这些及其它方面，接下来将通过结合附图对实施例的说明而变得更加清楚。这些图说明了本发明的实施例，它和说明书一起，进一步解释了本发明的原理。在图中：
图1是本发明的第一实施例的示意性说明，示出了形成在单个衬底上的第一和第二有源区。
图2是本发明的第二实施例的示意性说明，示出了形成在不同衬底上的第一和第二有源区。
图3是本发明的第三实施例的示意性说明，示出了作为单个公共有源区的一部分的第一和第二有源区。
图4是本发明的第四实施例的示意性说明，示出了被集成在单个封装中的固态光源。
图5示出了本发明的灯的示意性说明，其包括几个固态光源。
图6示出了典型的白色LED光谱的示意性说明。
图7示出了两个有源区的混合光谱的示意性说明。
在这些图中，具有相同功能的部件用相同的参考标记表示。
一般来说，在诸如移动电话、PDA等的便携式电子装置中，集成在背光单元中的固态光源(如LED)产生的光为液晶显示屏(LCD)提供照明。优点在于：这些便携式电子装置具有可调节的色温和高的对比度，从而根据应用来提高LCD的可读性或可视性。
图1.是本发明的第一实施例的示意性说明，示出了形成在单个衬底116上的第一有源区110和第二有源区120。有源区110，120相邻但彼此分开地形成。例如，诸如GaN(氮化镓)，ZnSe，AlGaInN，InGaN等的半导体材料能够用来形成有源区110，120。衬底116(例如作为公共电极的透明蓝宝石)被安装在第一连接器150(例如形成阴极连接的引线框架)上。这个引线框架被电连接到控制单元，为驱动固态光源100提供所需的功率。有源区110，120可以通过在单个衬底116上或各个独立衬底上的外延生长来形成。当被施加正向偏压时，第一有源区110和第二有源区120优选发射出可见光谱的蓝色波长范围内的激发光和初级光。
第一有源区110与磷光体130(例如常用的磷光体)相关联。在图中，为了简单起见，在优选实施例中磷光体130总是被描绘成覆盖第一有源区110的层，但是其它的设置也是可以预见的。优选地，磷光体130在第一有源区110沉积为较厚的层，从而为全饱和。磷光体130也可以和第一有源区110分开，这种情况下，光学原件被用来将激发光102从第一有源区110定向到磷光体130。
磷光体130能够将激发光102基本上转换成次级光106。在优选实施例中，磷光体130能够将激发光102完全转换成次级光106。激发光102和初级光104例如在属于蓝色或红色或绿色或紫色或紫外线频率范围的颜色范围内。次级光106优选在与初级光104的颜色互补的颜色范围内，并优选在黄色周围并包含黄色的宽光谱范围内。互补色是相互对比的，并包含两种色差相差大约180度(这表示彼此相对)的颜色。互补色可以混合产成白色光。
在优选实施例中，磷光体130将蓝色激发光102，优选在450-495nm的波长范围内的蓝光，完全转换成次级光106，该次级光106优选为波长在500-622nm范围内在黄光周围并包含黄光的宽光谱的光，更特别地在570-600nm范围内。然后混合初级光104和次级光106来产生具有理想的并可再现的色温的混合白光。激发光102和初级光104的强度能够被控制来调节固态光源100所发射的混合光的白色点。
图2是本发明的第二实施例的示意性说明，示出了形成在第一衬底215之上的第一有源区210和形成在第二衬底225之上的第二有源区220。第一有源区210与磷光体230相关联，其中磷光体将第一有源区210发射的激发光202完全转换成次级光206。连接器250电连接到衬底215，225，并且也连接到为驱动固态光源提供所需电压的控制单元。其它的操作细节与前面图1的描述类似。
图3是本发明的第三实施例的示意性说明，示出了形成为单个衬底316之上的单个公共有源区305的一部分的第一有源区310和第二有源区320。单个公共有源区305形成在单个衬底316之上，例如形成阴极连接，该单个衬底316附着到第一连接装置350。单个公共有源区305的第一部分覆盖着超量的磷光体330。在优选实施例中，所述第一部分形成了第一有源区310，并且第一有源区310发射的所有激发光302被磷光体330完全转换成次级光306。单个公共有源区305的第二部分没有覆盖磷光体330，形成了第二有源区320，并发射初级光304。由于第一有源区310发射的所有激发光302被完全转换成了次级光306，次级光306和初级光304混合产生具有理想的并可再现的色温的白光。其它的操作细节与前面图1的描述类似。
图4示出了封装LED400的示意性说明，该LED400包括具有第一有源区410和第二有源区420的根据本发明的固态光源的第一实施例。该封装包括反射外壳460，用于通过防止由于吸收造成的光损耗来增强反射率。第一有源区410通过键合线440电连接到第二连接器452，优选为引线框架，第二有源区420通过键合线441电连接到第三连接器453，也优选为引线框架。第一有源区410和第二有源区420形成了阳极连接。阳极和阴极连接到功率控制单元，比如图中没有示出的外部驱动电路。当固态光源工作在正向偏压模式，有源区410、42被提供所需的电压，从而发射光。优选地，提供给第一有源区410和第二有源区420的电压可以独立控制，从而获得理想色温的混合白色光。通过调节提供给第一有源区410和第二有源区420的电流，发射光谱的功率和强度能够容易地调节，白色点色温就能够被适当地调节。因此，具有可变化色温的光源能够通过这一简单结构来实现。这是因为黄光发射磷光体430的发光强度与作为它的光激发源的第二有源区420的发光强度基本相关。因此，通过适当地控制第一有源区410和第二有源区420的发光强度，固态光源能够用来产生任意颜色的光。优选地，连接器450、452、453与键合线440、441包括相同的金属，这样他们具有相同的电属性和热属性，相比于采用不同材料的情况获得了增强的导电率。其它的操作细节与前面图1的描述类似。
图5从EP-1160883-A1的图21复制过来，它示出了根据本发明的灯500，其包括多个LED100。该灯包括反射器565、给LED100供电的电源单元585和基板590。另外，灯500还有颜色控制表盘586和亮度控制表盘584，用来控制灯500的颜色和亮度。这一点在EP-1160883-A2已经描述过了。
图6示出了典型白色LED的光谱691的示意性说明。比如，光谱691是组合有磷光体的LED的典型光谱。X轴表示的是以纳米(nm)为单位的波长，y轴表示强度。白色LED在大约450nm波长处出现第一个强峰，其为蓝光，第二个较平坦的峰中心位于570-580nm周围，其为黄光。将蓝光与黄光混合产生白光。很明显，蓝光的峰值强度要高于任何其他光的峰值强度。蓝光的强度越高，固态光源的相关色温就越高。
图7示出了根据本发明优选实施的白色LED的光谱的示意性说明。X轴表示的是以纳米(nm)为单位的波长，y轴表示强度。第一有源区110发射出450-490nm内的蓝色波长范围内的光谱791。光谱791被磷光体130完全转换成另一更宽的光谱792，该光谱具有中心位于500-580nm的黄色波长范围的周围并包括该黄色波长的较平坦的峰。优选地，由于第一有源区110发射的蓝光被完全转换成了黄光，第二有源区120被设置来发射光谱792，其被添加到蓝色光谱。
如前所述，流到第一有源区110和第二有源区120的电流能够被独立地控制，从而独立地调节这些有源区的发光强度。蓝光光谱792的波峰上和黄光光谱793的波峰上的双向箭头表示控制提供给第一有源区110和第二有源区120的电流能够调节蓝光和黄光的强度。由于通过控制单元调节了提供给第一有源区110和第二有源区120中的每一个的电流，可以恰当地调节所述强度，从而调整所产生白光的相关色温，例如得到炙热的日光，中性的白光，温暖的白光，或任何白炽灯的光。
需要注意的是，上面提到的实施例用于说明而不是限制本发明。本领域技术人员能够设计出其他替代的实施例而不偏离所附权利要求的范围。在权利要求中，任何参照标记都不应该限制权利要求的范围。本发明可以通过组合上述不同的实施例来实现。本发明可以通过包括多个不同元件的硬件以及通过集成方案来实施。
另外，还需要注意的是在说明书中(包括权利要求中)所用的动词“包括”，应被理解成用来列出所述的特征、整数、步骤、部件或它们的组，但并不排除其它的特征。另外还需要注意的是，在权利要求中元件前的不定冠词“一”并不排除存在多个所述元件。另外，本发明存在于每个新颖特征或特征组合中。
本发明可以被总结如下：固态光源包括发射激发光的第一有源区和发射初级光的第二有源区，以及将激发光基本转换成次级光的转换元件。初级光和次级光被混合产生期望色点的光，尤其是具有预定色温的白光。

Claims (13)

1.一种固态光源(100)，包括：发射激发光(102)的第一有源区(110)，发射初级光(104)的第二有源区(120)，和将激发光(102)基本转换为次级光(106)的转换元件(130)；固态光源(100)还进一步被设置来提供初级光(104)和次级光(106)的混合光。
2.权利要求1所要求的固态光源(100)，其中激发光(102)和初级光(104)在相同的波长范围内。
3.权利要求1所要求的固态光源(100)，其中第一有源区(110)和第二有源区(120)形成在单个衬底(116)上。
4.权利要求3所要求的固态光源(100)，其中第一有源区(110)和第二有源区(120)被设置在单个公共有源区(305)内。
5.权利要求1所要求的固态光源(100)，其中第一有源区(110)形成在第一衬底(115)上，第二有源区(120)形成在第二衬底(125)上。
6.前述任一项权利要求所要求的固态光源(100)，其中转换元件(130)包括仅仅基本覆盖第一有源区(110)的层。
7.前述任一项权利要求所要求的固态光源(100)，其中还包括用于独立控制激发光(102)和初级光(104)中至少之一的强度的控制单元。
8.权利要求7所要求的固态光源(100)，其中控制单元包括可变电阻。
9.一种背光单元，包括前述任一项权利要求所要求的固态光源(100)。
10.一种显示模块，包括权利要求9所述的背光单元。
11.一种便携式电子设备，包括权利要求10所述的显示模块。
12.一种灯(400)，包括一个或多个如前述权利要求1-8的任一项所述的固态光源(100)。
13.一种通过固态光源(110)产生期望色点的光的方法，该方法包括步骤：
-从第一有源区(110)产生激发光(102)；
-从第二有源区(120)产生初级光(104)；
-通过转换元件(130)将激发光(102)基本转换为次级光(106)；
-将初级光(104)和次级光(106)混合从而产生期望色点的光。
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