CN101675536B - 具有针对均匀的颜色分布而设计的颜色转换层的led模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种LED模块，该LED模块包括：LED芯片，其具有有源发光区；以及颜色转换层，其用于将从所述LED芯片发出的第一波长的光转换成第二波长的光，其中，所述颜色转换层具有基本均匀的厚度h并且在发光层的各个边上都横向地延伸出该发光层之外一个非零的长度x，其中，x小于h。
Description
技术领域
本发明涉及使用以下将称为LED的半导体器件来产生光的领域。本发明对于通过使LED发射具有第一光谱的光并将该光与通过部分地转换具有第一光谱的光而产生的第二光谱相混合特别有用。以下将这种转换称为颜色转换。
背景技术
发出的(混合的)光的颜色显然取决于转换后的光与具有原始第一光谱的光的比率。该比率进而取决于当具有第一光谱的光传播通过颜色转换层时的有效路径长度。对于不同的发射角而言，有效路径长度可能不同，这导致了当查看由LED模块照亮的远场模式的角分布(angulardistribution)时的不均匀的色温。有效路径长度还取决于各辐射模式的叠加，对于源自半导体发射器的光(接近朗博形状(lambertian shape))和转换后的光(各向同性发光，isotropic luminescence)而言，辐射模式是不同的。最常规类型的LED的颜色变化其自身通常表现为，在光束中，中间是较冷色的白色，而离轴处是较暖色的白色或淡黄色的环。这暗示了颜色转换层的几何形状是LED模块的色温的均匀性的因素。
已知一种在LED芯片上的颜色转换层的在几何形状上明确限定的(所谓“保形(conformal)”)涂层改善了色温的角均匀性。
US 6,650,044致力于一种在倒装式几何形状上形成大致保形的涂层的荧光粉层的结构的器件和制造方法(刻版印花法(stenciling))，该结构具有大致均匀的厚度，其表面基本上与倒装式LED的侧平面平行。
US 6,642,652提出了一种LED器件，该LED器件由在顶面上具有大致恒定的厚度(厚度最多偏差平均值10％)并与半导体叠层的边相邻的荧光粉转换层(单层或多层)均匀地覆盖。与裸LED相比，转换层未显著地增加源的尺寸。该器件限于LED并且对基台(submount)或反射器或PCB覆盖不超过100μm。
US 7,078,732提出了一种直接地设置在半导体主体上的颜色转换层，并且示出了整体上大体恒定的层厚度。在该现有技术文献的图3中，颜色转换层被示出为设置在壳体的顶部，在该壳体中的凹部中设置有LED芯片。以透明材料填充未用的空间。转换层具有大致恒定的厚度并且超过了LED芯片的有源区(active region)。然而，在该示例中，该层没有直接地设置在半导体上。
US申请2006/0071223教导了一种颜色转换层，该颜色转换层被特意构造成在所有的视角实现均匀的颜色空间。该结构被描述成具有周期性变化的厚度或凹进区(在芯片的边缘处)。
US 6,963,166示出了一种LED灯，该LED灯具有覆盖了倒装式LED的至少一个侧表面的树脂部(转换层)，并具有与用于获得期望的角均匀性所需侧表面分开的弯曲反射器。
US 6,635,363示出了一种具有荧光粉层的LED，该荧光粉层的厚度与其下面的LED所发出的辐射的强度成比例，从而改善发出的辐射的均匀性。
发明内容
本发明的目的是提出一种明确地定义的最优颜色转换层，该颜色转换层促进了LED模块的均匀颜色分布。
该目的是借助于独立权利要求的特征来实现。从属权利要求进一步发展了本发明的中心思想。
本发明已经发现，为了实现均匀的颜色分布，颜色转换层的某些尺寸是有利的，而且通过根据颜色转换物质的浓度和/或颜色转换颗粒的平均尺寸来调整颜色转换层的尺寸，可以进一步改善该效果。
本发明提出了一种LED模块，该LED模块包括：LED芯片，其包括位于基板上的半导体层结构，所述的层结构具有有源发光区；以及颜色转换层，其用于把从LED芯片发出的光的波长转换成第二波长，其中，颜色转换层具有基本均匀的厚度h并且在发光层的各个边上都横向地延伸出所述有源发光区之外一个非零的长度x，其中，x小于h。
所述LED芯片的指向所述颜色转换层的表面可设置有通常呈微米级垂直尺寸的周期性或非周期性微型结构。
所述颜色转换层的指向远离所述LED芯片的表面可在所述颜色转换层的超出所述LED芯片的发光层的部分中和/或在所述颜色转换层与所述LED芯片的发光层相交迭的部分中设置有周期性或非周期性微型结构。同样地，这些微型结构可具有一般是微米级的垂直尺寸。
所述颜色转换层还可以至少部分地覆盖所述LED芯片的侧面，其中，在所述LED芯片的所述侧面处的所述颜色转换层厚度d小于所述颜色转换层的高度h。
本发明还适用于被构造为在所述LED半导体芯片的表面与所述颜色转换层之间具有薄且大致透明的中间层(例如，胶层)的LED器件。本发明还适用于其中该中间层充当散射层的LED器件。
比率d/h可以在0.001和0.99之间进行选择，优选地在0.007和0.67之间选择。
所述高度h可以在50μm和1000μm之间，优选的在100μm和800μm之间。
所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度可以在2vol％和50vol％之间进行选择，优选地在4vol％到40vol％之间选择。
参数x可以在1μm和300μm之间进行选择，优选地在5μm和150μm进行选择。
所述颜色转换颗粒的粒径的d50(平均直径)值可以是在1μm和50μm之间，优选地在2μm和25μm之间。
本发明还发现，所述比率h/x对所述LED模块的均匀颜色分布起到一定作用：所述比率x可以是在1.01和1000之间，优选地不大于160。
对于全部颜色转换层材料的颜色转换物质的浓度介于5vol％和20vol％之间的情况而言，所述比率h/x可以在1.5和140之间。
本发明还发现，h与所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度c的比率对均匀的颜色分布起一定作用，并且所述比率可以在1和500之间进行选择，优选地在2.5和200μm/vol％之间选择。
本发明还发现，x与所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度c的比率对均匀的颜色分布起一定作用，并且该比率可以在0.02与150之间进行选择，优选地在0.125μm/vol％与37.5μm/vol％之间选择。
可以将颜色转换层设置成预制的箔片部件。
可以将所述颜色转换层直接地或间接地(即，利用其它元件(粘合层等))设置在所述LED芯片的顶面上。
所述颜色转换层可以是粘接或固定到所述LED芯片的所述顶面上的预制部件。
所述颜色转换层可以直接地设置在所述LED芯片的所述顶面上。
本发明的另一个方面涉及一种改善白光LED模块的颜色分布的均匀性的方法，该LED模块包括位于LED半导体芯片顶部的颜色转换层，该方法包括以下步骤：设置颜色转换层；设定所述颜色转换层的高度h；以及根据所述颜色转换层的高度来调整该层的宽度x和颜色转换物质的浓度c。
该方法可包括以下步骤：将h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成1和500之间的值，优选地在2.5μm/vol％和200μm/vol％之间；以及将h与该层的延伸部的宽度x的比率设定成1.01和1000之间的值，优选地不大于160。
本发明的另一个方面涉及一种制造大致发出白光的LED器件，所述白光具有期望的相关色温以及得到改善的颜色分布均匀性，该LED器件包括位于LED半导体芯片顶部的颜色转换层，所述颜色转换层在各边处都横向地延伸出所述LED芯片的有源发光表面一个距离x，该方法包括以下步骤：设置颜色转换层；设定所述颜色转换层的所述横向延伸x；以及根据该层的值x来调整该层的高度h和颜色转换物质的浓度c。
该方法可包括以下步骤：将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成0.02和150之间的值，优选地在0.125μm/vol％和37.5μm/vol％之间；以及将h与所述层的所述延伸部的宽度x的比率设定成成1.01和1000之间的值，优选地不大于160。
本发明的另一个方面涉及一种制造大致发出白光的LED器件，所述白光具有期望的相关色温以及得到改善的颜色分布均匀性，该LED器件包括位于LED半导体芯片顶部的颜色转换层，该方法包括以下步骤：设置包括浓度为c的颜色转换物质的颜色转换层；以及根据该浓度c的值来调整该层的高度h和所述颜色转换层的延伸部的宽度x。
该方法可包括以下步骤：将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成0.02和150之间的值，优选地在0.125μm/vol％和37.5μm/vol％之间；并且将h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成1和500之间的值，优选地在2.5μm/vol％和200μm/vol％之间。
附图说明
将结合附图通过以下本发明的优选实施方式的详细描述来说明本发明的其它目的、方面和优点。
图1示出了根据本发明的LED模块，其中，LED芯片面朝上安装，
图2示出了根据本发明的LED模块，其中，LED芯片面朝下安装(倒装式)，
图3示出了针对恒定总层宽b为1040μm(对于有源层宽度为940μm的芯片而言，x＝50μm)和荧光粉浓度为10％vol.、以及不同的层厚度(a)100μm、(b)200μm、(c)400μm(最优)、(d)600μm、以及(e)700μm的情况下的平均色度坐标x’。此处：x＝0.5*(b-940μm)，
图4示出了在上部具有半球形检测器的仿真模型中使用的远场的概略图，
图5示出了针对根据图3(c)中最优的三个参数(层厚度h＝400μm、总的层宽度1040μm(x＝50μm)以及荧光粉浓度10％vol.；x＝0.5*(b-940μm))的色度坐标x’的轮廓曲线图。
具体实施方式
本发明可应用于例如a)切割好的薄GaN表面发射LED芯片，以及b)使用蓝宝石基板(或具有大致相同的反射率的类似透明材料)并在LED的底部具有发射(GaN等)层的切割好的倒装式LED。
切割好的LED芯片的形状可以呈正方形或矩形。
根据本发明的颜色转换层包括位于对可见辐射透明的支撑基体(supportive matrix)(例如聚合物基体)中的发光颗粒(粉末或小的晶体)、荧光粉或“颜色转换物质”。
本发明也可应用于包含有均匀地分散(即，在支撑基体中形成发光体分子的“固溶体”)的分子发光体的颜色转换层。
本发明提出了具有超出了“中心层”之外的横向“延伸部”的颜色转换层，其中，中心层覆盖了半导体结构的有源发光层，该有源发光层是提供了光的外部耦合(outcoupling)并在LED芯片的顶面上限定的区域(在倒装式几何形状的情况下，光主要耦合到透明基板)。
根据本发明，荧光粉转换层(phosphor conversion layer)设置在发光半导体结构与外部环境或次级光学元件之间，该荧光粉转换层超出半导体管芯(semiconductor die)的有源区域的几何形状之外的延伸部在正方形或矩形LED芯片的所有的4个边中都具有长度为x和高度为h的大致矩形的剖面。
转换层的覆盖了芯片的有源区域的中心部分优选地具有在整个有源发光区上大致不变的平均厚度，而且该平均厚度与延伸部的高度h类似。优选地，该平均厚度等于h。
然而，由于(i)LED芯片的表面可能含有微型结构(例如，棱锥(pyramid))以更好地从半导体层提取光，并且(ii)中心层的表面可能含有微型结构(与芯片表面的微型结构不同)，因此中心部分的底面和顶面不一定是平行的。在肉眼可见的水平(macroscopic level)上，中心部分的底面和顶面优选地平行。
将整个荧光粉转换层(即，中心层和延伸部)的形式选择成使得远场中的所有发射角上的颜色变化最小化。
在一个实施方式中，不管中心层的形状如何，延伸部的表面可大致是平面。具体地说，延伸部的表面可以是具有大致平行的平面的层。
在另一个实施方式中，延伸部表面和/或中心层是例如按照矩形凹槽或按照正弦波形式周期性地构造的。在这种情况下，将高度h理解为平均参数。
在另一个实施方式中，延伸部表面和/或中心层是非周期性地构造的。
层的有效广度是b＝bactive+2*x，而且在任何情况下x＞0。参数x(相应的b)、h、和悬浮在支撑基体(例如，如硅那样的聚合物，具有折射率n)中的某种颜色转换物质(具有一定的发射光谱和激励光谱、以及一定的吸收系数K和量子效率)的浓度c相互依赖以在LED的远场中所有发射角度上产生均匀的光分布(产生白光，这是因为激励蓝光波长范围的很大比例仍会通过并与荧光粉层的黄光、绿光、或红光混合)。这些优选的参数组的偏差导致了发出的颜色的均匀性的实质性偏差。
本发明并不限于仅仅使用一种类型的颜色转换物质，而是本发明的思想也可以应用于不同颜色转换物质的组合。在这种情况下，在给定的范围内并且对于含有多种颜色转换物质的多个层，可以应用累积浓度及平均粒径(grain size)d50，avg。
如果是倒装式几何形状(图2)，则将蓝宝石或其它透明材料设置在发射GaN层(充当基板)之上，而将荧光粉转换层设置在蓝宝石或其它透明材料之上。大致按照90°角度来切割蓝宝石，这就提供了对LED管芯的辐射透明的矩形晶体。蓝宝石提供了用于光提取的1个顶面及4个侧面。由颜色转换层(同样为分散在支撑基体中的荧光粉)直接地覆盖(即，没有在LED芯片与颜色转换层之间的整个界面上延伸的气隙)顶面和侧面。
调整顶层(覆盖了蓝宝石顶面的颜色转换层)的厚度以符合均匀白光发射的要求。参数h、x和c按照类似的方式相互依赖以产生均匀的光分布。除了蓝宝石“占据”了颜色转换层的块内的一些空间以外，这种情形等价于薄GaN形式。这意味着，x＝d，而h＝dtop+dsap(其中，dsap是蓝宝石的厚度)。
对三个参数x(相应的b)、h、和c的调整决定了在远场中颜色的良好均匀性的实现。为了使具有期望色温的白光发射在所有角度上具有最佳均匀性，按照同样取决于基体中的荧光粉浓度的特定比率来选择超出了层高h的厚度(因此而选择了dtop)和超出的长度x(因此而选择了侧边的层的厚度d)。
根据实践的考虑，可以提供特定的最优参数组x(或相应地d)、h(或相应的dtop)、以及c。对于各种可实现的白光色温来说，这组参数是不同的。
下表示出了参数h、c、x、d50和cct(色温)的优选的值：
图3示出了在不同的层厚度的情况下针对恒定的总层宽度1040μm和荧光粉浓度10％vol.的平均色度坐标x’(x＝50μm)，其中
(a)100μm，
(b)200μm，
(c)400μm(最优)，
(d)600μm，以及
(e)700μm。
平均色度坐标被示出为图4中所示半球形检测器的像素号的函数。
图5示出了半球形检测器的像素号的平面二维视图。
像素号50与位于LED芯片的有源发光区中心上方右侧的半球形检测器的坐标相对应。像素号0和100分别地与0°和180°的视角相对应。
图3示出了针对总宽度1040μm、横向超出的延伸x＝50μm以及荧光粉体积浓度10％，最优层厚度h＝400μm给出了最佳(最均匀)角颜色分布结果。
Claims (33)
1.一种LED模块，该LED模块包括：
LED芯片，其具有有源发光区；以及
颜色转换层，其用于将从所述LED芯片发出的第一波长的光转换成第二波长的光，
其中，所述颜色转换层具有均匀的厚度h并且在所述有源发光区的各个边上都横向地延伸出所述有源发光区之外一个非零的长度x，其中，x小于h，并且其中，h与所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度c的比率在1μm/vol％和500μm/vol％之间。
2.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述LED芯片的指向所述颜色转换层的表面设置有周期性的或非周期性的微型结构。
3.根据前述权利要求中任一项所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层的与所述LED芯片相对的表面在所述颜色转换层延伸出所述LED芯片的有源发光区之外的部分中和/或在所述颜色转换层与所述LED芯片的所述有源发光区相交迭的部分中设置有周期性的或非周期性的微型结构。
4.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，颜色转换层还至少部分地覆盖了所述LED芯片的侧面，其中，所述颜色转换层在所述LED芯片的所述侧面处的厚度d小于所述颜色转换层的高度h。
5.根据权利要求4所述的LED模块，
其中，在0.001和0.99之间选择比率d/h。
6.根据权利要求5所述的LED模块，
其中，在0.007和0.67之间选择比率d/h。
7.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，h在50μm和1000μm之间。
8.根据权利要求7所述的LED模块，
其中，h在100μm和800μm之间。
9.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度在2vol％和50vol％之间。
10.根据权利要求9所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度在4vol％和40vol％之间。
11.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，x在1μm和300μm之间。
12.根据权利要求11所述的LED模块，
其中，x在5μm和150μm之间。
13.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，颜色转换颗粒的粒径的d50值在1μm和50μm之间。
14.根据权利要求13所述的LED模块，
其中，颜色转换颗粒的粒径的d50值在2μm和25μm之间。
15.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，比率h/x在1.01和1000之间。
16.根据权利要求15所述的LED模块，
其中，比率h/x不大于160。
17.根据权利要求15所述的LED模块，
其中，针对所述颜色转换物质的浓度占总的颜色转换层材料介于5vol％和20vol％之间的情况，比率h/x在1.5和140之间。
18.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率在2.5μm/vol％和200μm/vol％之间。
19.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率在0.02μm/vol％和150μm/vol％之间。
20.根据权利要求19所述的LED模块，
其中，x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率在0.125μm/vol％和37.5μm/vol％之间。
21.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，以预制的箔片部件的形式来设置所述颜色转换层。
22.根据权利要求1所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层直接地或间接地设置在所述LED芯片的顶面上。
23.根据权利要求22所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层是粘接到所述LED芯片的顶面上的预制部件。
24.根据权利要求22所述的LED模块，
其中，所述颜色转换层直接地设置在所述LED芯片的顶面上。
25.一种制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，该方法包括以下步骤：在LED芯片的顶部设置高度为h的颜色转换层，该LED芯片具有有源发光区；
以及调整位于有源发光区上方的延伸部的宽度x并调整颜色转换物质的浓度，
其中，所述颜色转换层具有均匀的厚度h并且在所述有源发光区的各个边上都横向地延伸出所述有源发光区之外一个非零的长度x，其中，x小于h，并且其中，h与所述颜色转换层中的颜色转换物质的浓度c的比率在1μm/vol％和500μm/vol％之间。
26.根据权利要求25所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
该方法包括以下步骤：将比率h/x设定在1.01和1000之间。
27.根据权利要求26所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
其中，将h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定在2.5μm/vol％和200μm/vol％之间；以及将比率h/x设定为不大于160。
28.一种制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，该方法包括以下步骤：设置颜色转换层，所述颜色转换层在各个边处都横向地延伸出LED芯片的有源发光区之外一个距离x，其中，所述颜色转换层具有均匀的厚度h并且在所述有源发光区的各个边上都横向地延伸出所述有源发光区之外一个非零的长度x，其中，x小于h，
并且该方法包括以下步骤：根据所述距离x，来设置所述颜色转换层的高度h和颜色转换物质的浓度c。
29.根据权利要求28所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
该方法包括以下步骤：将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成0.02μm/vol％和150μm/vol％之间的值；以及将比率h/x设定在1.01和1000之间。
30.根据权利要求29所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
其中，将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定在0.125μm/vol％和37.5μm/vol％之间；以及将比率h/x设定为不大于160。
31.一种制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，该方法包括以下步骤：在LED芯片的顶部设置具有浓度c的颜色转换物质的颜色转换层；以及根据所述颜色转换物质的浓度来调整高度h和有源发光区上方的延伸部的宽度x，
其中，所述颜色转换层具有均匀的厚度h并且在所述有源发光区的各个边上都横向地延伸出所述有源发光区之外一个非零的长度x，其中，x小于h。
32.根据权利要求31所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
该方法包括以下步骤：将h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成1μm/vol％和500μm/vol％之间的值；以及将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定成0.02μm/vol％和150μm/vol％之间的值。
33.根据权利要求32所述的制造具有角颜色分布均匀性得到改善的白光LED模块的LED器件的方法，
其中，将h与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定在2.5μm/vol％和200μm/vol％之间；以及将x与所述颜色转换层中的所述颜色转换物质的浓度c的比率设定在0.125μm/vol％和37.5μm/vol％之间。
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