CN104157762A - 一种无荧光粉白光led及led发光模块 - Google Patents

一种无荧光粉白光led及led发光模块 Download PDF

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CN104157762A CN201410422581.8A CN201410422581A CN104157762A CN 104157762 A CN104157762 A CN 104157762A CN 201410422581 A CN201410422581 A CN 201410422581A CN 104157762 A CN104157762 A CN 104157762A
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余佳东
汪莱
杨迪
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Abstract

本发明提供了一种无荧光粉白光LED及LED发光模块，所述无荧光粉白光LED包括衬底和依次设置在所述衬底上的缓冲层、n型层、有源层和p型层；所述有源层包括长波长发光区域和短波长发光区域，本发明提出的无荧光粉白光LED发光模块，包括上述的无荧光粉白光LED和用于产生驱动信号的驱动电路，驱动电路可以产生频率不低于200Hz的交流驱动信号。本发明解决了现有主流白光LED(蓝光激发黄色荧光粉)荧光粉寿命短、色温高以及显色指数低等问题，实现了无荧光粉的单芯片LED发白光。

Description

一种无荧光粉白光LED及LED发光模块
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，尤其涉及一种无荧光粉白光LED及LED发光模块。
背景技术
基于白光发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的半导体照明技术具有发光效率高、寿命长久、环保等独特优势，被人们公认为照明技术的革命，是半导体科学技术对人类生活的又一重大贡献。LED的应用领域非常广泛，包括液晶显示背光源、显示屏、室外照明、舞台灯、信号灯、特种照明、汽车头灯等领域，随着技术的成熟，LED未来还将渗透到室内照明等通用照明领域。
目前白光LED主要技术路线有三种：第一种是蓝光LED激发黄色荧光粉混合形成白光，第二种是紫光或紫外LED激发红绿蓝三基色荧光粉混合形成白光，第三种是利用LED直接发射白光，其中又包括多芯片型和单芯片型。多芯片型是指红绿蓝三种芯片集成封装在单个器件内，调配三基色混合生成白光，单芯片型是指单芯片利用多层有源层直接发射白光。紫光或紫外LED泵浦三基色荧光粉的方法可以实现高显色系数，但是缺少可靠的泵浦光源和高效的荧光粉。蓝光泵浦黄色荧光粉的方法尽管是当前市场的主流技术路线，但是这种方法一直存在荧光粉寿命短、色温高以及显色指数低的问题。
利用LED直接发射白光的技术方案近年来是半导体照明领域的研究热点。白光LED比较理想的方案是不需要荧光粉，直接用LED芯片发射白光，由于InN和GaN材料自身禁带宽度分别为0.64 eV和3.4eV，理论上调节In组分获得的InGaN材料可以覆盖整个可见光光谱，因此可以在InGaN材料上实现红绿蓝三基色发光。然而单芯片无荧光粉白光LED的发光光谱受到能带填充效应、自发极化效应以及压电极化效应的影响，会随着注入电流的变化而发生显著变化，目前普遍存在显色指数不高的问题。
发明内容
为了解决现有技术中白光LED的荧光粉寿命短、色温高以及显色指数低的问题，本发明提供了一种无荧光粉白光LED及LED发光模块，该白光LED及LED发光模块无需使用荧光粉，且能够得到较高的白光显色指数和较低的色温。
本发明提出了一种无荧光粉白光LED，所述无荧光粉白光LED包括衬底和依次设置在所述衬底上的缓冲层、n型层、有源层和p型层；所述有源层包括长波长发光区域和短波长发光区域。
优选地，所述p型层和所述有源层之间设有p型阻挡层。
优选地，所述p型层上设有p型电极。
优选地，所述p型层和所述p型电极之间设有p型接触层。
优选地，所述n型层上设有n型电极。
优选地，所述衬底为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
本发明还提出了一种无荧光粉白光LED发光模块，包括任一上述的无荧光粉白光LED和用于产生驱动信号的驱动电路。
优选地，所述驱动电路包括电压脉冲信号产生电路、电压跟随器和电压电流转换器。
优选地，所述驱动信号为占空比可调节的交流驱动信号
优选地，所述交流驱动信号的频率不低于200Hz。
采用本发明提出的无荧光粉白光LED及LED发光模块，通过设置LED有源区的结构，使LED在不同注入水平下载流子的主要复合区域不同，对应发光的中心波长不同，周期性地改变驱动信号，并利用人眼的视觉暂留效应，可以从视觉上得到白光，进一步改变交流驱动信号的占空比，调节LED的光谱分布，从而得到相对于主流白光LED(蓝光激发黄色荧光粉)而言较高的白光显色指数和较低的色温。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明提供的一种无荧光粉白光LED的结构示意图；
图2为本发明提供的一种无荧光粉白光LED发光模块的结构示意图；
图3为本发明提供实施例中的驱动电路的结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的无荧光粉白光LED的结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的无荧光粉白光LED的示意图；
图6为本发明实施例三提供的无荧光粉白光LED的结构示意图；
图7为本发明实施例四提供的基于555定时器的驱动电路的无荧光粉白光LED发光模块的示意图；
图8为本发明实施例五提供的基于单片机的驱动电路的无荧光粉白光LED发光模块的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的一种无荧光粉白光LED的结构示意图，如图1所示，所述无荧光粉白光LED包括：
衬底11和依次设置在所述衬底11上的缓冲层12、n型层13、有源层14和p型层15；其中，所述有源层14包括长波长发光区域和短波长发光区域。本发明提出的无荧光粉白光LED为单芯片发光器件，封装好的LED只含有一种发光芯片。所述无荧光粉白光LED不含荧光粉等波长转换材料，完全依靠芯片内的有源区即有源层14发白光，有源层内包含发射不同中心波长的区域，不同注入水平下载流子在有源区内的不同区域复合，对应于不同的中心波长。
其中，所述p型层15和所述有源层14之间设有p型阻挡层。
其中，所述p型层15上设有p型电极，p型电极可以为p型欧姆电极。
其中，所述p型层15和所述p型电极之间设有p型接触层。
其中，所述n型层14上设有n型电极，n型电极可以为n型欧姆电极。
其中，所述衬底11为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
图2为本发明提供的一种无荧光粉白光LED的结构示意图，如图2所示，该无荧光粉白光LED发光模块，包括如图1所述的无荧光粉白光LED1和用于产生驱动信号的驱动电路2。
其中，所述驱动电路2，如图3所示，包括电压脉冲信号产生电路21、电压跟随器22和电压电流转换器23。
其中，所述驱动信号为占空比d可调的交流驱动信号。
其中，所述交流驱动信号的频率不低于200Hz。
本发明提出的无荧光粉白光LED及LED发光模块，通过设置无荧光粉白光LED有源区的结构，使LED在不同注入水平下载流子的主要复合区域不同，对应发光的中心波长不同。由于人眼对外来光的亮度感觉是能量累积型的，从光的接受到产生亮度感觉并不是瞬时的，两者有一个延时差，称为视觉延迟；而从外来光的消失到主观亮度感觉的消失，也有一个延时差，称为视觉残留。这两个概念可以统一由视觉暂留时间来衡量。人眼的视觉暂留时间为5ms左右，为了通过混光得到无荧光粉的白色发光，驱动电路输出的电流信号的频率不应低于200Hz。周期性地改变驱动信号，并利用人眼的视觉暂留效应，可以从视觉上得到白光。进一步改变交流驱动信号的占空比，可以调节LED的光谱分布，从而得到相对于主流白光LED(蓝光激发黄色荧光粉)而言较高的白光显色指数和较低的色温，克服现有技术中白光LED遇到的阻碍。
图4为本发明实施例一提供的无荧光粉白光LED的结构示意图，在本发明实施例中，所述无荧光粉白光LED包括：
衬底，和所述衬底上依次设置的缓冲层、n型层、i型黄光量子阱层及垒层、i型蓝光量子阱层及垒层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述p型层15和所述p型电极之间设有p型接触层。
本实施例的有源层由i型黄光量子阱层及垒层和i型蓝光量子阱层及垒层构成，因此，本实施例中的无荧光粉白光LED称为量子阱——量子阱LED芯片，通过设置对应两种不同发光波长的量子阱层，使得LED在不同注入电流下载流子的主要复合区域不同。在小注入电流下载流子的主要复合区域靠近黄光量子阱层，发光光谱的主要成分是长波长光；在大注入电流下载流子的主要复合区域靠近蓝光量子阱层，发光光谱的主要成分是短波长光。本实施例周期性地采用大电流和小电流交替驱动LED芯片，利用人眼的视觉暂留效应，实现混光，从而得到无荧光粉的白色发光。改变周期驱动信号的占空比，可以改变发光光谱中长波长光与短波长光的相对强度比，从而得到显色指数较高的白光。
所述衬底材料为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
为了使LED芯片的外延质量得到提高，所述衬底在设置n型层之间首先设置了一层缓冲层。
所述缓冲层、n型层、i型黄光量子阱层及垒层、i型蓝光量子阱层及垒层、p型层和p型接触层材料为InxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
所述p型阻挡层材料为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
所述InxGa1-xN材料的禁带宽度随着In组分的变化而变化，从InN的0.64eV到GaN的3.4eV，可以覆盖整个可见光光谱，因此可以在InxGa1-xN材料上实现红绿蓝三基色发光。
其中，所述缓冲层厚度为1～10μm。
其中，所述n型层厚度为1～10μm。
其中，所述i型黄光量子阱层及垒层的周期数为1～10，厚度为10～1000nm。
其中，所述i型蓝光量子阱层及垒层的周期数为1～10，厚度为10～1000nm。
其中，所述p型阻挡层、p型层和p型接触层的厚度均为10～1000nm。
所述p型电极为ZnO透明电极、ITO透明电极或Ni/Au电极，所述n型电极为Ti/Al电极、Ti/Au电极或Cr/Au电极。
图5为本发明实施例二提供的无荧光粉白光LED的结构示意图，在本发明实施例中，所述无荧光粉白光LED包括：
衬底，和所述衬底上依次设置的缓冲层、n型层、i型超晶格应力释放层、i型量子点层及垒层、i型量子阱层及垒层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述i型超晶格应力释放层为InGaN的超晶格；所述p型层15和所述p型电极之间设有p型接触层。
本实施例的有源层由i型超晶格应力释放层、i型量子点层及垒层和i型量子阱层及垒层构成，因此，本实施例中的无荧光粉白光LED称为量子点——量子阱LED芯片，通过设置量子点层与量子阱层，使得LED在不同注入电流下载流子的主要复合区域不同。在小注入电流下载流子的主要复合区域靠近量子点层，发光光谱的主要成分是长波长光；在大注入电流下载流子的主要复合区域靠近量子阱层，发光光谱的主要成分是短波长光。本实施例周期性地采用大电流和小电流交替驱动LED芯片，利用人眼的视觉暂留效应，实现混光从而得到无荧光粉的白色发光。改变周期驱动信号的占空比，可以改变发光光谱中长波长光与短波长光的相对强度比，从而得到显色指数较高的白光。
所述衬底材料为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
为了使LED芯片的外延质量得到提高，所述衬底在设置n型层之间首先设置了一层缓冲层。
优选地，所述i型超晶格应力释放层为InxGa1-xN/InyGa1-yN超晶格，其中，0≤x＜y≤1。其中，InxGa1-xN/InyGa1-yN表示InxGa1-xN和InyGa1-yN两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性形成的超晶格。
所述i型超晶格应力释放层，使n型层与有源区的晶格失配应力得以释放，降低了有源区的位错密度，从而提高了LED的发光效率。
所述缓冲层、n型层、i型量子点层及垒层、i型量子阱层及垒层、p型层和p型接触层材料为InxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
所述p型阻挡层材料为AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
所述InxGa1-xN材料的禁带宽度随着In组分的变化而变化，从InN的0.64eV到GaN的3.4eV，可以覆盖整个可见光光谱，因此可以在InxGa1-xN材料上实现红绿蓝三基色发光。
其中，所述缓冲层厚度为1～10μm。
其中，所述n型层厚度为1～10μm。
其中，所述i型超晶格应力释放层周期数为1～100，势垒或势阱的宽度为1～100nm。
其中，所述i型量子点层及垒层的周期数为1～10，厚度为10～1000nm。
其中，所述i型量子阱层及垒层的周期数为1～10，厚度为10～1000nm。
其中，所述p型阻挡层、p型层和p型接触层的厚度均为10～1000nm。
所述p型电极为ZnO透明电极、ITO透明电极或Ni/Au电极，所述n型电极为Ti/Al电极、Ti/Au电极或Cr/Au电极。
图6为本发明实施例三提供的无荧光粉白光LED的结构示意图，在本发明实施例中，所述无荧光粉白光LED包括：
衬底，和所述衬底上依次设置的缓冲层、n型层、i型纳米棒多量子阱层和p型层；所述n型层上设有n型欧姆电极，所述p型层上设有p型欧姆电极；所述i型纳米棒多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱。
本实施例的有源层由i型纳米棒多量子阱层构成，因此，本实施例中的无荧光粉白光LED称为纳米棒LED芯片，通过设置InGaN/GaN多量子阱纳米棒，释放了有源区内的应力，减小了有源区内的QCSE效应，改善了有源区的晶体质量。此外，这种纳米棒结构在c面和m面两个方向上分别产生了周期数不同的多量子阱，并且c面多量子阱的In组分较高，m面量子阱的In组分较低，对应于不同长度的发光中心波长。在小注入电流下载流子的主要复合区域靠近c面多量子阱，发光光谱的主要成分是长波长光；在小注入电流下载流子的主要复合区域靠近m面多量子阱，发光光谱的主要成分是短波长光；本实施例周期性地采用大电流和小电流交替驱动LED芯片，利用人眼的视觉暂留效应，实现混光从而得到无荧光粉的白色发光。改变周期驱动信号的占空比，可以改变发光光谱中长波长光与短波长光的相对强度比，从而得到显色指数较高的白光。本实施例中的纳米棒结构也可以增强对出射光的散射，从而提高LED的光提取效率。
所述衬底材料为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
为了使LED芯片的外延质量得到提高，所述衬底在设置n型层之间首先设置了一层缓冲层。
所述缓冲层、n型层、i型纳米棒量子阱层和p型层材料为InxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
其中，所述缓冲层厚度为1～10μm。
其中，所述n型层厚度为1～10μm。
其中，所述i型纳米棒多量子阱层为InxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱，其中，0≤x＜y≤1。纳米棒的高度为10～1000nm，直径为10～1000nm。相邻纳米棒的间距为100～1000nm。
其中，所述p型层的厚度为10～1000nm。
所述p型电极为ZnO透明电极、ITO透明电极或Ni/Au电极，所述n型电极为Ti/Al电极、Ti/Au电极或Cr/Au电极。
图7为本发明实施例四提供的基于555定时器的驱动电路的无荧光粉白光LED发光模块的示意图。
在本发明实施例中的驱动电路包括：由555定时器、直流源和加法器组成的电压脉冲信号产生电路、电压跟随器以及电压电流转换器。
本实施例中的驱动电路，通过555定时器组成多谐振荡器，可以得到一个占空比可调的电压脉冲信号，并且通过改变驱动电路中的元件参数可以调节所述电压脉冲信号的高低电平和频率。
所述加法器将电压脉冲信号和直流信号叠相加，在电压脉冲信号上叠加上一个直流偏置。
所述电压跟随器在驱动电路中做缓冲级，降低驱动电路的输出阻抗，提高驱动电路带负载的能力。
所述电压电流转换器输出的电流信号为占空比d可调的脉冲信号，其中，0≤d≤1。
所述电压电流转换器输出的电流信号的频率不低于200Hz，小电流为0.5～5mA，大电流为10～100mA。
其中，驱动电路的工作频率与人眼响应有关。人眼对外来光的亮度感觉是能量累积型的，从光的接受到产生亮度感觉并不是瞬时的，两者有一个延时差，称为视觉延迟；而从外来光的消失到主观亮度感觉的消失，也有一个延时差，称为视觉残留。这两个概念可以统一由视觉暂留时间来衡量。人眼的视觉暂留时间为5ms左右，为了通过混光得到无荧光粉的白色发光，驱动电路输出的电流信号的频率不应低于200Hz。驱动电流的选择与LED芯片的发光特性有关，实施例二中的LED芯片结构以长波长发光为主的驱动电流小于5mA，以短波长发光为主的驱动电流大于10mA，因此驱动电路输出的电流信号小电流为0.5～5mA，大电流为10～100mA。
所述加法器和电压跟随器由运算放大器、源级跟随器或漏极跟随器组成。
所述电压电流转换器由镜像电流源组成。
图8为本发明实施例五提供的基于单片机的驱动电路的无荧光粉白光LED发光模块的示意图。
在本发明实施例中的驱动电路包括：由单片机和D/A转换器构成的电压脉冲信号产生电路、电压跟随器以及电压电流转换器。
由此，本实施例的驱动电路，通过单片机和D/A转换器，可以得到一个占空比可调的电压脉冲信号，并且通过编程的方式可以调节所述电压脉冲信号的高低电平和频率。
所述电压跟随器在驱动电路中做缓冲级，降低驱动电路的输出阻抗，提高驱动电路带负载的能力。
所述电压电流转换器输出的电流信号为占空比d可调的脉冲信号，其中，0≤d≤1。
所述电压电流转换器输出的电流信号的频率不低于200Hz，小电流为0.5～5mA，大电流为10～50mA。
其中，驱动电路的工作频率与人眼响应有关。人眼对外来光的亮度感觉是能量累积型的，从光的接受到产生亮度感觉并不是瞬时的，两者有一个延时差，称为视觉延迟；而从外来光的消失到主观亮度感觉的消失，也有一个延时差，称为视觉残留。这两个概念可以统一由视觉暂留时间来衡量。人眼的视觉暂留时间为5ms左右，为了通过混光得到无荧光粉的白色发光，驱动电路输出的电流信号的频率不应低于200Hz。驱动电流的选择与LED芯片的发光特性有关，实施例三中的LED芯片结构以长波长发光为主的驱动电流小于5mA，以短波长发光为主的驱动电流大于10mA，因此驱动电路输出的电流信号小电流为0.5～5mA，大电流为10～50mA。
所述电压跟随器由运算放大器、源级跟随器或漏极跟随器组成。
所述电压电流转换器由镜像电流源组成。
本发明通过设置无荧光粉白光LED有源层的结构，使LED在不同注入水平下载流子的主要复合区域不同，对应发光的中心波长不同，并周期性地改变驱动信号，利用人眼的视觉暂留效应，可以从视觉上得到白光，进一步改变交流驱动信号的占空比，调节LED的光谱分布，解决了现有主流白光LED(蓝光激发黄色荧光粉)荧光粉寿命短、色温高以及显色指数低等问题，实现了无荧光粉的单芯片LED发白光。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无荧光粉白光LED，其特征在于，所述无荧光粉白光LED包括衬底和依次设置在所述衬底上的缓冲层、n型层、有源层和p型层；所述有源层包括长波长发光区域和短波长发光区域。
2.根据权利要求1所述的无荧光粉白光LED，其特征在于，所述p型层和所述有源层之间设有p型阻挡层。
3.根据权利要求1所述的无荧光粉白光LED，其特征在于，所述p型层上设有p型电极。
4.根据权利要求3所述的无荧光粉白光LED，其特征在于，所述p型层和所述p型电极之间设有p型接触层。
5.根据权利要求1所述的无荧光粉白光LED，其特征在于，所述n型层上设有n型电极。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的无荧光粉白光LED，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、氧化锌、硅、碳化硅、硅上生长的氮化铝复合衬底、硅上生长的氧化锌复合衬底或AlxGa1-xN，其中，0≤x≤1。
7.一种无荧光粉白光LED发光模块，其特征在于，包括：权利要求1-6任一所述的无荧光粉白光LED和用于产生驱动信号的驱动电路。
8.根据权利要求7所述的无荧光粉白光LED发光模块，其特征在于，所述驱动电路包括电压脉冲信号产生电路、电压跟随器和电压电流转换器。
9.根据权利要求7所述的无荧光粉白光LED发光模块，其特征在于，所述驱动信号为占空比可调节的交流驱动信号。
10.根据权利要求9所述的无荧光粉白光LED发光模块，其特征在于，所述交流驱动信号的频率不低于200Hz。
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