CN103137818B - 一种用于植物照明的led - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于植物照明的LED，其特征在于：具有基板，设置在所述基板上的PN结型的发光部，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<1的数值。所述发光部还具有势垒层，与所述应变发光层形成具有2～40对的交替叠层结构。该结构采用新的发光材料GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，发光效率可提升50~100%，效益明显。

Description

一种用于植物照明的LED
技术领域
本发明涉及一种LED，尤其是涉及一种用于植物照明的LED。
背景技术
近年来，一直在研究采用人工光源进行的植物培育。特别是使用采用单色性优异，能够节能、长寿命和小型化的发光二极管（英文缩写为LED）进行的照明的栽培方法备受关注。
植物照明主要包括植物生长灯和水族灯，植物生长灯在自然光照不充足的情况下进行光源的补充，主要是扮演与太阳光互补、调节农产品生长的角色。水族灯在促进水生植物生长的同时也起到照明作用方便观赏。
与传统植物照明相比，LED植物照明有以下优点：节能，可以直接制造植物需要的光，产生相同流明的光子，耗电量少；高效，LED是单色光，可以贴合植物需要，制造相匹配的光波，而传统植物灯做不到；LED植物照明波长类型丰富，不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；LED植物照明随着技术提升，系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化。
发明内容
本发明公开了一种用于植物照明的LED，其采用新的发光材料GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，发光效率可提升50~100%，效益明显。
一种用于植物照明的LED，其特征在于：具有基板，设置在所述基板上的PN结型的发光部，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<1的数值。
在一些实施中，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<0.2的数值。
进一步地，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<0.1的数值。
更进一步地，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y≤0.05的数值。
进一步地，所述发光部还具有势垒层，与所述应变发光层形成具有2～40对的交替叠层结构。
进一步地，所述每对交替叠层结构的厚度为5~100nm。
进一步地，所述势垒层的组成式为(AlXGa1-X)YIn(1-Y)P(其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0<Y<1的数值)。
进一步地，所述基板材料选自GaAs、GaP或前述的任意组合之一。
进一步地，还包括设置在所述基板与发光部之间的缓冲层。
进一步地，还包括设置在所述发光部上的窗口层。
进一步地，所述窗口层的材质选用GaP。
进一步地，所述窗口层的厚度是0.5～15μm的范围。
进一步地，用于促进植物培育的光合作用的发光二极管，所述应变发光层的峰发光波长是650~750nm的范围。
进一步地，用于促进植物培育的光合作用的发光二极管，所述应变发光层的峰发光波长是700~750nm的范围。
本发明的用于植物照明的LED，在基板上设置具有组成式GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)(其中，X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<1的数值)的应变发光层的发光部。通过应变发光层的材质采用GaInAsP，能够提高应变发光层的发光效率。此外，由于应变发光层的材质不含Al组分，因此有助于提升寿命稳定性。
另外，通过调整前述应变发光层的组成和厚度，能够使来自应变发光层的发光波长为650~750nm的范围。进一步地，本发明之用于植物照明的LED在发光部上设置有窗口层，该窗口层对于发光波长透明，因此不会吸收来自发光部的发光，还可以起电流扩展的作用。
因而，根据本发明，能够提供能够大量生产发光波长650~750nm范围的高输出功率和/或高效率的LED。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施的一种用于植物照明的LED的结构剖视图。
具体实施方式
从迄今为止的研究结果来看，作为适合于植物培养照明用的光源的发光波长，确认了波长450nm附近的蓝色光和波长600~750nm区域的红色光的效果。
传统用于植物照明产品的发光层材料采用AlGaAsP或AlGaAs，然而由AlGaAsP或AlGaAs构成的发光层的LED，其发光输出功率偏低。为了推进植物培育用的照明LED光源实用化，从节能和成本方面考虑，因此有必要开发能够实现高输出功率化和/或高效率化的LED。
下面各实施例提出了一种适合植物照明用的波段为650~750nm的LED，其具有高输出功率、良好的产品寿命稳定性。
GaInP发光波长在640nm附近，GaAs发光波长在850nm附近，下面各实施例通过在发光层GaInP材料基础上掺杂As的同时调整应变发光层材料的厚度及应变量，从而开发出适合波长650~750nm区域植物照明产品生长的一种新外延结构构成的发光二极管。
下面结合附图和实施例对本发明的实施作详细说明。
实施例1
如图1所示，一种发光二极管，包括：基板11，分为第一表面和第二表面；发光部，由从下至上依次为缓冲层12、第一限制层13、发光层14和第二限制层15的半导体材料层堆叠而成，形成于基板11的第一表面之上；窗口层16，形成于所述发光部第二限制层15的局部区域之上；第二电极17，形成于窗口层16之上；第二电极18，形成于基板11的第二表面之上。
在本器件结构中，基板11的材料可以选自GaAs、GaP或前述的任意组合之一。
缓冲层12具有缓和用于外延生长的基板的晶格缺陷的作用，但其并非器件必选的膜层。
发光部包括应变发光层与势垒层交替的叠层结构，包含2对以上，优选为2-40对，每对交替叠层结构的厚度为5~100nm范围，但不局限此于，采用多对交替的叠层结构可以有效提升器件的饱和电流。在本实施例中，应变发光层与势垒层交替的叠层结构的对数为6对，每对交替叠层结构的厚度选取40nm，总厚度为240nm。
应变发光层材料选用不含Al的GaInAsP，其具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，其中，X和Y是分别满足0<X<1和0<Y<1的数值。进一步地，为了更好地将发光层的峰值波控制在650~750nm，上述Y优选为0<Y<0.2的范围，在本实施例中X取值为0.5，Y取值为0.01。
势垒层材料选用AlGaInP，其组成式为(AlXGa1-X)YIn(1-Y)P，其中，X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0<Y<1的数值，在本实施例中，X取值为0.5，Y取值为0.5。
窗口层的材质选用GaP，厚度是0.5～15μm的范围，其具有电流扩展的作用，但其也并非器件必选的膜层，可以根据工艺参数的需要加以选择。
将评价尺寸为42×42mil大功率的四元系发光二极管器件结构的光电特性列于表1。如表1所示，在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了峰波长平均值为685.6nm的红色光，正向流过350毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.25V，输出功率为250.3mW。
表1
　 VF / V Po / mW WLD / nm WLP / nm
No.1 2.26 248.5 656.2 686.0
No.2 2.23 252.1 656.2 685.1
平均值 2.25 250.3 656.2 685.6
实施例2
与实施例1相比，相同的是：本实施例中42×42mil的四元系发光二极管器件结构，其应变发光层与势垒层交替的叠层结构的对数为6对，每对交替叠层结构的厚度选取60nm，总厚度为360nm。不同的是：其应变发光层材料选用GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，X取值为0.5，而Y取值为0.025。在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为680.2nm、峰波长平均值为714.9nm的红色光，正向流过350毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.22V，输出功率为232.7mW。
实施例3
与实施例1相比，不同的是：本实施例中42×42mil的四元系发光二极管器件结构的应变发光层材料选用GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，X取值为0.5，而Y取值为0.04。
将评价尺寸为42×42mil的四元系发光二极管器件结构的光电特性列于表2。如表2所示，在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了峰波长平均值为722.0nm的红色光，正向流过350毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.18V，输出功率为216.5mW。
表2
　 VF / V Po / mW WLD / nm WLP / nm
No.1 2.19 215.7 693.7 721.7
No.2 2.20 222.7 697.4 723.5
No.3 2.16 220.1 701.7 723.5
No.4 2.19 207.6 691.5 719.3
平均值 2.19 216.5 696.1 722.0
实施例4
与实施例3相比，不同的是：本实施例中42×42mil的四元系发光二极管器件结构，其应变发光层材料选用GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)，X取值为0.5，而Y取值进一步增加为0.05。在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为712.3nm、峰波长平均值为739.5nm的红色光，正向流过350毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.21V，输出功率为202.2mW。
实施例5
与实施例3相比，不同的是：本实施例中42×42mil的四元系发光二极管器件结构，其应变发光层与势垒层交替的叠层结构的对数为9对，每对交替叠层结构的厚度选取50nm，总厚度为450nm。在第一电极和第二电极通电后流过电流的结果，发射出了主波长平均值为701.5nm、峰波长平均值为733.5nm的红色光，饱和电流为2000毫安（mA）以上，正向流过350毫安（mA）电流时的正向电压平均值为2.24V，输出功率为223.9mW。
综上所述，上述用于促进植物培育的光合作用的发光二极管器件结构，通过调整应变发光层的组成、组分取值范围以及应变发光层与势垒层交替的叠层结构的对数和厚度范围，其应变发光层的峰发光波长可以控制在650~750nm的范围，并实现高输出功率。此外，由于应变发光层的材质不含Al组分，因此有助于提升寿命稳定性。

Claims (7)

1.一种用于植物照明的LED，其特征在于：具有基板，设置在所述基板上的PN结型的发光部，所述发光部具有组成式为GaXIn(1-X)AsYP(1-Y)的应变发光层，其中X和Y是分别满足0<X<1和0<Y≤0.05的数值。
2.根据权利要求1所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：所述发光部还具有势垒层，与所述应变发光层形成具有2～40对的交替叠层结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：所述每对交替叠层结构的厚度为5~100nm。
4.根据权利要求2所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：所述势垒层的组成式为(AlXGa1-X)YIn(1-Y)P，其中X和Y是分别满足0.3≤X≤1和0<Y<1的数值。
5.根据权利要求1所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：还包括设置在所述发光部之上的GaP窗口层。
6.根据权利要求1所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：所述应变发光层的峰发光波长是650~750nm的范围。
7.根据权利要求1或6所述的一种用于植物照明的LED，其特征在于：所述应变发光层的峰发光波长是700~750nm的范围。
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