CN111613702B - 发光二极管及发光模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光模组及发光二极管。发光二极管具有一外延发光结构，以产生具有宽波段蓝光光谱的一光束，并可配合波长转换层产生具有白光光谱的一混合光束。宽波段蓝光光谱的波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点，且任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。如此，可以降低操作电流密度变化对发光模组所产生的混合光束的白光光谱的波形的影响，而使混合光束的白光光谱相对于操作电流变化具有较佳的稳定性。

Description

发光二极管及发光模组
技术领域
本发明涉及一种发光二极管及发光模组，特别是涉及一种用以产生宽波段蓝光光谱的发光二极管及应用其的发光模组。
背景技术
在现有技术中，通常是利用窄峰蓝光发光二极管(LED)激发荧光粉，以产生白光，作为照明光源或是显示光源。利用前述方式所产生的白光光谱中，蓝光以高强度的尖峰呈现，因此，利用蓝光发光二极管所产生的白光光谱在蓝光波段的波形仍有优化的空间。
此外，当用以驱动蓝光发光二极管发光的电流改变时，蓝光发光二极管配合荧光粉所产生的白光光谱在蓝光波段的波形变动过大，会导致显色指数的各个指标产生变动，而有可能不符合应用标准。也就是说，现有的蓝光发光二极管所产生的白光光谱，在蓝光波段的波形相对于操作电流的稳定性仍有待改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种发光二极管及发光模组，以优化白光光谱在蓝光波段的波形，以及提升发光二极管与发光模组在蓝光波段的波形相对于操作电流的稳定性。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种发光模组。发光模组包括一发光二极管，发光二极管具有一外延发光结构，以产生具有宽波段蓝光光谱的一光束。宽波段蓝光光谱的波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点，且任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。
为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种发光二极管。发光二极管包括一外延发光结构，以产生具有宽波段蓝光光谱的一光束，且外延发光结构包括一P型半导体层、一N型半导体层以及一发光叠层。发光叠层位于P型半导体层与N型半导体层之间，且具有交替堆叠的m个阱层以及m+1个势垒层。m个阱层包括至少五种分别具有不同禁带宽度的第一阱层、第二阱层、第三阱层、第四阱层以及第五阱层，以分别产生具有第一波长的第一子光束、具有第二波长的第二子光束、具有第三波长的第三子光束、具有第四波长的第四子光束以及具有第五波长的第五子光束，第五波长最长，第一波长最短。第1～x个靠近于N型半导体层的x个阱层中的至少其中一个为第五阱层，其中，x,m都为自然数，且x,m满足下列关系式:x≤(m/3)。
综上所述，本发明的其中一有益效果在于，在本发明实施例所提供的发光模组以及发光二极管中，通过“外延发光结构的发光叠层具有交替堆叠的m个阱层以及m+1个势垒层，其中，m个阱层包括至少五种分别具有不同禁带宽度的第一至第五阱层，以分别产生具有不同波长的第一至第五子光束”以及“第1～x个靠近于N型半导体层的x个阱层中的至少其中一个为第五阱层，其中，x,m都为自然数，且x,m满足下列关系式:x≤(m/3)”以及“宽波段蓝光光谱的波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点，且任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm”的技术特征，可以降低操作电流密度变化对发光模组所产生的混合光束的白光光谱的波形的影响。也就是说，本发明实施例的发光模组所产生的白光光谱，在蓝光波段的波形相对于操作电流变化具有较佳的稳定性。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的发光模组的剖面示意图。
图2为本发明其中一实施例的发光二极管的示意图。
图3为本发明第一实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图4为本发明实施例的发光二极管宽波段蓝光的光谱。
图5为本发明第二实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图6为本发明第三实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图7为本发明第四实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图8为本发明第五实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图9为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。
图10为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。
图11为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。
图12为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。
图13为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。
图14为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。
图15为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。
图16为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。
图17为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图18为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图19为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图20为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图21为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图22为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图23为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
图24为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实例来说明本发明所公开有关“发光模组及发光二极管”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
请参照图1，图1为本发明其中一实施例的发光模组的剖面示意图。本发明实施例中，发光模组Z1用以产生一白光。如图1所示，发光模组Z1包括一基板Z10、一反射组件Z11、一发光二极管Z12以及一波长转换层Z13。
基板Z10上定义出一固晶区域。在一实施例中，基板Z10的材料可以选择具有高导热性，且对于可见光束具有高反射率、以及低透光率的材料，例如：金属或者是陶瓷。在其他实施例中，基板Z10也可以包括一高导热基材以及涂布于高导热基材上的反射层。本发明并未限制基板Z10的材料为单一材料或者复合材料。
反射组件Z11与发光二极管Z12共同设置在基板Z10上，用以将发光二极管Z12所产生的光束反射并导引至特定方向。反射组件Z11围绕固晶区域设置，并定义出一容置空间。
发光二极管Z12设置在基板Z10的固晶区域，并位于反射组件Z11所定义出的容置空间内，并可用以产生具有宽波段蓝光光谱的光束。光束的光谱波形的半高宽(FWHM)至少大于30nm。
在本实施例中，发光模组Z1包括一个发光二极管Z12，但在另一实施例中，发光模组Z1也可包括多个发光二极管Z12，且多个发光二极管Z12分别产生具有不同峰值波长的多个蓝光光束。具有不同峰值波长的多个蓝光光束混合而形成前述的宽波段蓝光。
波长转换层Z13填入反射组件Z11所定义出的空间内，并覆盖发光二极管Z12。发光二极管Z12所产生的宽波段蓝光通过波长转换层Z13，可产生混合光束(白光)。
在一实施例中，波长转换层Z13至少包括绿色荧光粉以及红色荧光粉。绿色荧光粉的材料可以是镏铝石榴石(LuAG)或含镓钇铝石榴石(GaYAG)荧光粉，红色荧光粉的材料可以是铝硅氮化物，如：钙铝硅氮化物(CASN)或硅氮化合物(Sr2Si5N8)或硫硒化合物(Ca2SeS)或者含四价锰离子的)氟硅酸钾(K2SiF6:Mn4+,KSF)。在另一实施例中，波长转换层Z13还可进一步包括黄色荧光粉，但本发明并不限制。黄色荧光粉的材料例如是钇铝石榴石(YAG)。
需先说明的是，不同波段的光束对于绿色荧光粉的激发效率效率不同。依据绿色荧光粉的材料差异，在特定的波段会对于绿色荧光粉有最佳的激发效率。如前所述，在本实施例中，发光二极管Z12可产生具有宽波段蓝光光谱的光束。以下进一步说明本发明一实施例的发光二极管的详细结构。
请参照图2至图3，图2为本发明其中一实施例的发光二极管的示意图。图3为本发明第一实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
本发明实施例的发光二极管Z12包括基底1、缓冲层2、外延发光结构3、第一电极4以及第二电极5。基底1的材料可以是蓝宝石、碳化硅、氮化镓或者是硅等适合于长晶的材料。在本实施例中，基底1的材料为蓝宝石。缓冲层2通过外延工艺形成于基底1上，并具有与基底1的材料以及外延发光结构3的材料相互匹配的晶格常数。在一实施例中，缓冲层2的材料可以是氮化铝或者氮化镓。
请继续参照图2，外延发光结构3设置于缓冲层2上，并具有N型半导体层30、P型半导体层31以及发光叠层32。在本实施例中，N型半导体层30设置在缓冲层2上，而发光叠层32以及P型半导体层31依序设置在N型半导体层30上。
另外，发光叠层32的宽度与P型半导体层31的宽度都小于N型半导体层30的宽度，而裸露出一部份N型半导体层30。换句话说，发光叠层32与P型半导体层31共同形成一平台部。然而，图2所绘示的实施例并非用以限制本发明。在其他实施例中，N型半导体层30与P型半导体层31的位置也可以互换。
第一电极4与第二电极5分别电性连接于N型半导体层30与P型半导体层31，以电性连接于一外部控制电路。在本实施例中，第一电极4设置在N型半导体层30上，而第二电极5设置在P型半导体层31(也就是平台部)上。
进一步而言，N型半导体层30以及P型半导体层31分别为电子提供层以及空穴提供层，以分别提供电子以及空穴。在一实施例中，N型半导体层30的材料为掺杂硅的氮化镓。另外，P型半导体层31的材料为掺杂镁的氮化镓或者是掺杂镁的氮化铝镓。
发光叠层32位于N型半导体层30与P型半导体层31之间，并具有连接于N型半导体层30的第一侧32a以及连接于P型半导体层31的第二侧32b。发光叠层32可用以产生具有宽波段蓝光光谱的光束。详细而言，通过外部控制电路对第一电极4与第二电极5施加偏压，可产生通过N型半导体层30、发光叠层32以及P型半导体层31的电流，而激发发光叠层32产生具有特定波段的光束。
在本实施例中，发光叠层32所产生的宽波段蓝光光谱的波形具有较宽的半高宽(FWHM)，并具有至少三个波峰转折点。在一实施例中，光束的光谱波形的半高宽不小于30nm。除此之外，在宽波段蓝光光谱中，任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。以下进一步说明用以产生前述宽波段蓝光光谱的发光叠层32的结构。
请参照图3，发光叠层32具有多重量子阱结构。也就是说，发光叠层32包括交替堆叠的多个势垒层320以及多个阱层321。每一个势垒层320的禁带宽度大于任一个阱层321的禁带宽度，以使发光叠层32具有多重量子阱结构。在本发明实施例中，发光叠层32包括m个阱层321以及m+1个势垒层320，其中，m为自然数。也就是说，每一层阱层321都会连接于两层势垒层320，且N型半导体层30与P型半导体层31会分别连接于一层势垒层320。
在本实施例中，多个阱层321的禁带宽度不一定相同，而可具有不同的禁带宽度，以产生具有不同波长的多个子光束。多个子光束相互叠加而形成具有宽波段蓝光光谱的光束。
如图3所示，m个阱层321包括至少五种分别具有不同禁带宽度Eg1～Eg5的阱层321a～321e，可使发光叠层32所产生的宽波段蓝光光谱的波形具有较宽的半高宽(FWHM)，并具有多个波峰转折点。
具体而言，多个阱层321可包括第一阱层321a、第二阱层321b、第三阱层321c、第四阱层321d以及第五阱层321e，且第一至第五阱层321a～321e分别具有不同的禁带宽度，以分别产生具有第一波长的第一子光束、具有第二波长的第二子光束、具有第三波长的第三子光束、具有第四波长的第四子光束以及具有第五波长的第五子光束。
需说明的是，第一至第五阱层321a～321e虽然分别具有不同的禁带宽度Eg1～Eg5，但是都用以产生波长位于蓝光波段的光束，但是第一至第五阱层321a～321e所产生的光束会分别具有不同的峰值波长。
进一步而言，势垒层320为氮化镓(GaN)层，而阱层321为氮化铟镓(InxGa1-xN)层。由于阱层321中的铟浓度会影响阱层321的禁带宽度，因此可通过控制每一个阱层中的铟浓度，来调整禁带宽度，进而控制子光束的波长。请参照下表1，显示通过理论计算阱层321中的铟浓度(％)与子光束的波长之间的关系。
表1
波长(nm) 420 425 430 435 440 445 450 455 460
铟浓度(％) 10.7 11.6 12.4 13.3 14.1 14.9 15.7 16.5 17.3
波长(nm) 465 470 475 480 485 490 495 500
铟浓度(％) 18.1 18.8 19.6 20.3 21.1 21.8 22.5 23.2
参照表1，可以看出阱层321内的铟浓度越高，阱层321所产生的子光束的波长会越长。如图3所示，在本实施例中，第一阱层321a的禁带宽度Eg1最大，而第五阱层321e的禁带宽度Eg5最小。据此，第一阱层321a的第一铟浓度最小，而第五阱层321e的第五铟浓度最高。
另外，第二阱层321b的禁带宽度Eg2大于第三阱层321c的禁带宽度Eg3，且第三阱层321c的禁带宽度Eg3大于第四阱层321d的禁带宽度Eg4。也就是说，在本实施例中，第一至第五阱层321a～321e的禁带宽度Eg1～Eg5的大小关系为:Eg1>Eg2>Eg3>Eg4>Eg5。据此，第二阱层321b的第二铟浓度会小于第三阱层321c的第三铟浓度，而第三铟浓度会小于第四阱层321d的第四铟浓度。
阱层321的禁带宽度会与所产生的光束波长成反比。也就是说，阱层321的禁带宽度越大，阱层321所产生的子光束波长越小。据此，第一波长最短，而第五波长最长。另外，第二波长小于第三波长，且第三波长小于第四波长。
在本实施例中，第一波长的范围是小于或等于435nm，优选为425nm至435nm。第二波长的范围是由430nm至450nm，优选为435nm至445nm。第三波长的范围是由442nm至465nm，优选为450nm至460nm。第四波长的范围是由455nm至475nm，优选为455nm至465nm。第五波长的范围是大于或等于470nm，优选为470nm至485nm。
可以根据所要得到的蓝光光谱形状，使阱层321具有不同的禁带宽度，从而调整第一至第五波长中的任意两者(如：第一与第二波长、第一与第三波长或第二与第三波长)之间的差值范围。
请参照图3，第一阱层321a的导带321E1与势垒层320的导带320E之间形成第一势垒高度ΔE1。第二阱层321b的导带321E2与势垒层320的导带320E之间形成第二势垒高度ΔE2。第三阱层321c的导带321E3与势垒层320的导带320E之间形成第三势垒高度ΔE3。第四阱层321d的导带321E4与势垒层320的导带320E之间形成第四势垒高度ΔE4，且第五阱层321e的导带321E5与势垒层320的导带320E之间形成第五势垒高度ΔE5。第一至第五势垒高度ΔE1～ΔE5的大小关系如下:ΔE1<ΔE2<ΔE3<ΔE4<ΔE5。
除此之外，各个阱层321所产生的子光束的强度大小会影响最终宽波段蓝光光谱的波形。然而，第一至第五子光束的光强度大小会与第一至第五阱层321a～321e的禁带宽度、数量、位置以及其所连接的势垒层320的厚度相关。禁带宽度越大的阱层321的导带(如:第一阱层321a的导带321E1)与势垒层320的导带320E之间形成的势垒高度(如:第一势垒高度ΔE1)越小，而越不容易局限电子。因此，在禁带宽度较大的阱层321内，电子与电洞复合的几率相对较低，所产生的子光束的光强度也会较低。反之，禁带宽度越小的阱层321，越容易局限电子。
除此之外，由于电子的迁移率(mobility)较电洞的迁移率快，因此，电子较容易在靠近于P型半导体层31的阱层321内与电洞复合。也就是说，位置越靠近于P型半导体层31的阱层321所产生的子光束的光强度越高。另一方面，连接于每一个阱层321的两层势垒层320的厚度，特别是较靠近于P型半导体层31的势垒层320的厚度越厚，越容易局限电子，而使该阱层321的子光束具有较高的光强度。
因此，为了使发光叠层32所产生的光束的宽波段蓝光光谱的波形能具有较大的半高波宽以及多个波峰转折点，第一至第五阱层321a～321e的位置、数量以及连接于其的势垒层320的厚度可根据前述原则来调整。
具体而言，在本实施例中，第一阱层321a(具有最宽的禁带宽度Eg1)的数量会大于第三阱层321c的数量、第四阱层321d的数量以及第五阱层321e的数量，且第二阱层321b的数量也会大于第三阱层321c的数量、第四阱层321d的数量以及第五阱层321e的数量。
举例而言，本实施例的发光叠层32包括四层第一阱层321a，三层第二阱层321b，至少一层第三阱层321c，至少一层第四阱层321d，以及至少一层第五阱层321e。
由于第五阱层321e的禁带宽度最小，相较于第一至第四阱层321a～321d而言，较容易局限电子，而产生第五子光束。因此，若第五阱层321e的位置太靠近P型半导体层31，可能会导致第五子光束的强度太强。据此，在本发明实施例中，第五阱层321e的位置会较靠近N型半导体层30，而较远离P型半导体层31。
详细而言，在本发明实施例的m层阱层321中，第1～x个靠近于N型半导体层30的x个阱层321中的至少其中一个为第五阱层321e，其中，x为自然数，且x,m满足下列关系式:x≤(m/3)。在一较佳实施例中，x≤(m/4)。
举例而言，若发光叠层32包括11层阱层321(即m＝11)，则第1至第3靠近于N型半导体层30的3层阱层321中的至少其中一个为第五阱层321e。也就是说，第五阱层321e可以是第1靠近，第2靠近或者第3靠近N型半导体层30的阱层321。
在图3所示的实施例中，第2靠近于N型半导体层30的阱层321为第五阱层321e。然而，在其他实施例中，第五阱层321e可以是第3靠近于N型半导体层30的阱层321。
另一方面，第一阱层321a的禁带宽度较大，故相较于第二至第五阱层321b～321e而言，第一阱层321a较不容易局限电子。因此，为了提升第一子光束的强度，以使发光叠层32所产生光束的蓝光光谱波形具有较宽的半高波宽，在本发明实施例的m层阱层321中，至少第1～y个靠近于P型半导体层31的y层阱层321都是第一阱层321a，其中y为自然数，且y,m满足下列关系式:y≥(m/4)。
举例而言，发光叠层32包括11层阱层321(即m＝11)，则至少第1至第3靠近于P型半导体层31的3层(即y＝3)阱层321都是第一阱层321a。在图3所示的实施例中，第1至4个最靠近于P型半导体层31(第二侧32b)的前4层阱层321都是第一阱层321a。
另外，第1靠近于N型半导体层30的阱层321可以是第一至第五阱层321a～321e的其中一种。在图3所示的实施例中，第1靠近于N型半导体层30的阱层321为第三阱层321c。第3靠近于N型半导体层30的阱层321为第四阱层321d，而第4靠近于N型半导体层30的阱层321为第三阱层321c。换言之，两层第三阱层321c中，其中一个第三阱层321c最靠近于N型半导体层30，而另一个第三阱层321c较第四阱层321d更靠近于P型半导体层31。另外，位于第4靠近N型半导体层30与第4靠近P型半导体层31之间的其他三层阱层321都是第二阱层321b。
请继续参照图3，每一个势垒层320的厚度大于任一个阱层321的厚度。另外，势垒层320的厚度以及阱层321的厚度影响发光叠层32最终所产生的宽波段蓝光的光谱波形。
须说明的是，现有势垒层的厚度大约只有阱层的厚度的2至3.5倍左右。具体而言，现有势垒层的厚度范围是8.5nm至10.5nm之间。然而，当操作电流变化时，很容易改变光谱形状。
据此，在本发明实施例中，势垒层320的厚度与阱层321的厚度之间的比值范围是2.5至5倍，较佳为3至4倍。如此，相较于现有技术，本发明可减少操作电流变化对光谱波形所造成的影响。优选地，势垒层320的厚度的范围是8.5nm至15nm，较佳的范围是由9.5nm至15nm。另外，阱层321的厚度的范围是2.5nm至4.5nm。
在图3的实施例中，多层势垒层320包括至少两种分别具有不同厚度的第一势垒层320a以及第二势垒层320b，且第一势垒层320a的厚度小于或者等于第二势垒层320b的厚度。在一实施例中，第二势垒层320b的厚度是第一势垒层320a的厚度的1至1.5倍。
另外，在本实施例中，连接于第五阱层321e两相反侧的两个势垒层320都是第二势垒层320b，而其他势垒层320都是第一势垒层320a。也就是说，与第五阱层321e连接的两个势垒层320(第二势垒层320b)的厚度较厚。如此，在第五阱层321e内，电子与电洞复合的机率可被提升，从而增加第五子光束的强度。
请参照图4，图4为本发明实施例的发光二极管的多个宽波段蓝光光谱。需说明的是，样品1至样品3的发光二极管都同样是第一实施例的发光二极管Z12。但是，即使在相同的机台相同的条件下，因设备及制造本身的误差原因，会导致不同样品1～3的各阱层321的厚度与各势垒层320的厚度有误差。虽然误差是在容许范围内，但仍会导致样品1至样品3的发光二极管所产生的光谱波形不同。然而，样品1至样品3的发光二极管所产生的光谱波形都可符合本发明产品的要求。
如图4所示，每一个样品1～3所产生的光谱波形都具有多个波峰转折点，且每一个波峰转折点分别对应于一个波长值以及一强度值。既然图4中的样品1～3都是由相同实施例的发光二极管所产生的光谱波形，下文以样品1的光谱波形为例来进行说明。如图4所示，样品1的光谱波形具有第一至第五波峰转折点P11～P15，分别对应于第一至第五波长值以及分别对应于第一至第五强度值。
值得注意的是，任两个最靠近的波峰转折点(如:第一与第二波峰转折点P11、P12、第二与第三波峰转折点P12、P13、第三与第四波峰转折点P13、P14或者第四与第五波峰转折点P14、P15)所分别对应的两个波长值(如:第一与第二波长值、第二与第三波长值、第三与第四波长值或者第四与第五波长值)之间的差值不超过18nm。
根据实验量测结果，通过使任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm，可以增加光谱波形相对于操作电流的稳定性。也就是说，当发光二极管Z12的操作电流变化时，发光二极管Z12所产生的光谱波形的变化可被限制在一特定范围内。在一较佳实施例中，任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过15nm。
由于发光叠层32所产生的光束的光谱波形是由第一至第五子光束叠加而形成，因此在光谱波形中，第一波长值不一定与前述第一子光束的第一波长相同，但第一波长值与第一波长会对应于相同的波长范围，也就是不超过435nm。相似地，第二波长值与前述第二子光束的第二波长不一定相同，但皆会对应于相同的波长范围，其介于430nm至450nm；第三波长值与前述第三子光束的第三波长不一定相同，但皆会对应于相同的波长范围，而介于442nm至465nm。第四波长值与前述第四子光束的第四波长皆会对应于相同的波长范围，而介于455nm至475nm，且第五波长值与前述第五子光束的第五波长皆会对应于相同的波长范围，而大于或等于470nm。
据此，通过控制发光叠层32中的第一至第五阱层321a～321e的禁带宽度，可调控光谱波形中两个最靠近的波峰转折点所对应的两个波长值之间的差值。
参照图4，由样品1～3的光谱波形变化，可看出第一波峰转折点P11对应的第一强度值，以及第三至第五波峰转折点P13～P15所对应的第三至第五强度值实际上会相对于第二波峰转折点P12的第二强度值增减。
若以第二强度值为100％，则第一强度值可以是20％至80％，第三强度值是40％至140％，第四强度值是20％至120％，第五强度值是10％至80％。也就是说，第一强度值相对于第二强度值的比值范围由0.2至0.8，第三强度值相对于第二强度值的比值范围由0.4至1.4，第四强度值相对于第二强度值的比值范围由0.2至1.2，且第五强度值相对于第二强度值的比值范围由0.1至0.8。
请参照图5，图5为本发明第二实施例的发光叠层的禁带结构示意图。利用本实施例的发光叠层，同样可产生具有宽波段蓝光光谱的光束，且光谱波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点。任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。
本实施例与第一实施例相同的元件具有相同的标号，且相同的部份不再赘述。在本实施例的发光叠层中，第四阱层321d的位置较其中一第三阱层321c的位置靠近于P型半导体层31(第二侧32b)。
详细而言，本实施例中，第3靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的阱层321为第三阱层321c，而第4靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的阱层321为第四阱层321d。由于第四阱层321d的位置更靠近于P型半导体层31，第四子光束的强度会较强。
据此，为了避免第四子光束的强度过高，连接于第四阱层321d的势垒层320的厚度不能太厚。也就是说，连接于第四阱层321d两侧的两层势垒层320中的至少一个为第一势垒层320a。进一步而言，连接于第四阱层321d且较靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的势垒层320，也就是位于第三阱层321c与第四阱层321d之间的势垒层320，为厚度较薄的第一势垒层320a。在本实施例中，连接于第四阱层321d两侧的两层势垒层320都是第一势垒层320a。
然而，连接于第四阱层321d两侧的两层势垒层320的厚度不一定要相同。在一实施例中，连接于第四阱层321d且较靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的势垒层320的厚度，会小于另一较靠近于P型半导体层31(第二侧32b)的势垒层320的厚度。
请参照图6，图6为本发明第三实施例的发光叠层的禁带结构示意图。利用本实施例的发光叠层，同样可产生具有宽波段蓝光光谱的光束，且光谱波形的半高波宽不小于30nm，并具有至少三个波峰转折点。任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。
本实施例与第一实施例相同的元件具有相同的标号，且相同的部份不再赘述。在本实施例的发光叠层中，第二阱层321b的数量大于第一阱层321a的数量。
详细而言，在本发明实施例的m层阱层321中，至少第1～y个靠近于P型半导体层31的y层阱层321都是第一阱层321a，其中y为自然数，且y,m满足下列关系式:y≥(m/4)。
举例而言，图6所示的发光叠层32包括11层阱层321(即m＝11)，则第1至第3靠近于P型半导体层31的3层(即y＝3)阱层321都是第一阱层321a。另外，第4靠近于N型半导体层30(第一侧32a)与第3靠近于P型半导体层31(第二侧32b)之间的阱层321都是第二阱层321b。据此，在本实施例中，发光叠层32包括三层第一阱层321a以及四层第二阱层321b。
请参照图7，图7为本发明第四实施例的发光叠层的禁带结构示意图。利用本实施例的发光叠层，同样可产生具有宽波段蓝光光谱的光束，且光谱波形的半高波宽不小于30nm，并具有至少三个波峰转折点。任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm。
本实施例与第一实施例相同的元件具有相同的标号，且相同的部份不再赘述。在本实施例的发光叠层中，第1～x个靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的x个阱层321中包括两个第五阱层321e。如前所述，x,m满足下列关系式:x≤(m/3)。在一较佳实施例中，x≤(m/4)。
举例而言，若发光叠层32包括11层阱层321(即m＝11)，则第1至第3靠近于N型半导体层30的3层阱层321中的其中两个为第五阱层321e。在本实施例中，第1靠近与第2靠近N型半导体层30的阱层321都是第五阱层321e。
由于在第1～x个靠近于N型半导体层30(第一侧32a)的x个阱层321中包括两个第五阱层321e，第五子光束的强度会增加。为了避免第五子光束的强度过高而改变光谱波形，在本实施例中，连接于两个第五阱层321e之间的势垒层320的厚度不需要特别增厚。也就是说，在本实施例中，多个势垒层320可具有相同的厚度。在一较佳实施例中，连接于每一个第五阱层321e的两层势垒层320的厚度(假设为T1)约为与连接于第一至第四阱层321a～321d的任一个势垒层320的厚度(假设为T2)的0.5至1倍。也就是说，T1与T2之间的关系为:T1≈(0.5～1)*T2。
请参照图8，图8为本发明第五实施例的发光叠层的禁带结构示意图。利用本实施例的发光叠层，同样可产生具有宽波段蓝光光谱的光束。本实施例与第四实施例相同的元件具有相同的标号，且相同的部份不再赘述。
在本实施例的发光叠层中，第1靠近与第2靠近N型半导体层30的阱层321都是第五阱层321e，且连接于两个第五阱层321e的势垒层320都是厚度较厚的第二势垒层320b。另外，连接于第一至第四阱层321a～321d的势垒层320可以都是厚度较薄的第一势垒层320a。
然而，在本实施例中，是通过增加阱层321的数量，来调整发光叠层所产生的光束的光谱波形。详细而言，本发明实施例的发光叠层32包括13层阱层321(即m＝13)。本实施例中，第1与第2靠近于N型半导体层30的两个阱层321都是第五阱层321e。
为了避免第五子光束的强度过高而改变光谱波形，本实施例中，增加第二阱层321b与第三阱层321c的数量。详细而言，相较于第四实施例而言，本实施例的发光叠层32包括4层第二阱层321b以及2层第三阱层321c。
请参照图9至图10。图9以及图10为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。需说明的是，本发明实施例的发光模组所产生的混合光束的色温大于或等于5000K，因此标准光源是利用色温为5000K的模拟日光光源(D50光源)。
如图1，发光二极管Z12所产生的光束通过波长转换层Z13，可产生具有白光光谱的混合光束。图9显示发光模组分别在操作电流密度80mA/mm2、100mA/mm2以及120mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的白光光谱。图10显示发光模组分别在操作电流密度140mA/mm2、160mA/mm2以及200mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的白光光谱。另外，发光模组的发光二极管的晶片尺寸是26×30mil2。
由图9以及图10可以看出，即便在不同的操作电流密度(80～200mA/mm2)下，本发明实施例的发光模组Z1所产生的混合光束的白光光谱在蓝光波段(波长范围440nm至500nm)的波形符合标准光源的光谱波形，且变化范围较小。
参照图11以及图12，其为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。前述光谱偏离指标是指将混合光束的光谱对应任一波长(λx)的光强度(Ix)，减去标准光源的光谱对应于该波长(λx)的参考光强度(Is)后，再除以标准光源的光谱对应于该波长(λx)的该参考光强度(Is)。也就是说，对应于任一波长(λx)的光谱偏离指标(Cx)与光强度(Ix)以及参考光强度(Is)之间的关系式为：Cx＝(Ix-Is)/Is。图11显示发光模组分别在操作电流密度80mA/mm2、100mA/mm2以及120mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的光谱偏离指标，而图12显示发光模组分别在操作电流密度140mA/mm2、160mA/mm2以及200mA/mm2的条件下，对应于不同波长所量测到混合光束的光谱偏离指标。
需说明的是，操作电流密度由80mA/mm2增加至200mA/mm2的条件下得到的多个白光光谱会先与标准光源做Y＝100(Y为色度学中的三刺激值XYZ的Y)的归一化(normalized)。每一个归一化之后的白光光谱再相对于标准光源的光谱来计算对应于各波长的光谱偏离指标。
请先参照图11，当操作电流密度为80mA/mm2时，白光光谱在波长范围450nm至500nm之间，相对于标准光源光谱的光谱偏离指标的变化范围是由-0.1至0.2。请配合参照图12，当操作电流密度为200mA/mm2时，白光光谱在波长范围450nm至500nm之间，相对于标准光源光谱的光谱偏离指标的变化范围是由-0.15至0.3。
另外，操作电流密度80mA/mm2至200mA/mm2的范围所得到的任两个(归一化之后的)白光光谱，在波长范围450-500nm之间，对应于任一波长的两个光谱偏离指标之间的差值不超过0.3。举例而言，在操作电流密度80mA/mm2与200mA/mm2所得到的两个(归一化之后的)白光光谱，在波长范围450-500nm之间，对应于任一波长(λx)相对于标准光源光谱的两个光谱偏离指标(假设为C80x与C200x)之间的差值不超过0.3。
请参照图13至图14。图13以及图14为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束以及标准光源的白光光谱示意图。图13显示发光模组分别在操作电流密度160mA/mm2、200mA/mm2以及240mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的白光光谱。图14显示发光模组分别在操作电流密度280mA/mm2以及300mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的白光光谱。发光模组的发光二极管的晶片尺寸是26×30mil2。
由图13以及图14可以看出，在不同的操作电流密度(160～300mA/mm2)下，本发明实施例的发光模组Z1所产生的混合光束的白光光谱在蓝光波段(波长范围440nm至500nm)的波形也符合标准光源的光谱波形，且变化范围较小。
参照图15以及图16，其为本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的光谱偏离指标示意图。如前所述，光谱偏离指标(Cx)是指将混合光束的光谱对应任一波长(λx)的光强度(Ix)，减去标准光源的光谱对应于该波长(λx)的参考光强度(Is)后，再除以标准光源的光谱对应于该波长(λx)的该参考光强度(Is)。也就是说，对应于任一波长(λx)的光谱偏离指标(Cx)与光强度(Ix)以及参考光强度(Is)之间的关系式为：Cx＝(Ix-Is)/Is。
相似地，操作电流密度160mA/mm2至300mA/mm2的范围得到的多个白光光谱会与标准光源做Y＝100(Y为色度学中的三刺激值XYZ的Y)归一化(normalized)。每一个归一化之后的白光光谱再相对于标准光源的光谱计算对应于各波长的光谱偏离指标。图15显示发光模组分别在操作电流密度160mA/mm2、200mA/mm2以及240mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的光谱偏离指标，而图16显示发光模组分别在操作电流密度280mA/mm2以及300mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的光谱偏离指标。
请先参照图15，当操作电流密度为160mA/mm2时，白光光谱在波长范围450nm至500nm之间，相对于标准光源光谱的光谱偏离指标的变化范围是由-0.08至0.2。请配合参照图16，当操作电流密度为300mA/mm2时，白光光谱在波长范围450nm至500nm之间，相对于标准光源光谱的光谱偏离指标的变化范围是由-0.12至0.22。
另外，操作电流密度160mA/mm2至300mA/mm2的范围所得到的任两个(归一化之后的)白光光谱，在波长范围450-500nm之间，对应于任一波长相对于标准光源光谱的两个光谱偏离指标之间的差值不超过0.2。
举例而言，相对于标准光源的光谱，操作电流密度160mA/mm2的条件下所得到的(归一化之后的)白光光谱与操作电流密度300mA/mm2的条件下所得到的另一个(归一化之后的)白光光谱，在波长范围450-500nm之间，对应于任一波长的两个光谱偏离指标(假设为C160x与C300x)之间的差值不超过0.2。
整体而言，施加于发光二极管的操作电流密度在80mA/mm2至300mA/mm2的范围所得到的(归一化之后的)任两个白光光谱，在波长范围450nm至500nm之间，相对于标准光源光谱，归一化之后的任两个白光光谱对应于同一波长的光谱偏离指标的最大差值不超过0.42。
举例来说，相对于标准光源的光谱，在操作电流密度80mA/mm2的条件下所得到的(归一化之后的)白光光谱与在操作电流密度300mA/mm2的条件下所得到的另一个(归一化之后的)白光光谱在波长范围450-500nm之间，对应于任一波长的两个光谱偏离指标(假设为C80x与C300x)之间的差值不超过0.42。
请参照图17至图20，显示本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。详细而言，图17至图20显示本发明实施例的发光模组在操作电流密度80mA/mm2、100mA/mm2、120mA/mm2、140mA/mm2、160mA/mm2以及200mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的平均显色指数(Color Rendering Index,CRI)以及组成显色指数R1至R15的变化曲线。发光模组的发光二极管的晶片尺寸是26×30mil2。
当操作电流密度在80mA/mm2至200mA/mm2变化时，混合光束的平均显色指数(CRI)以及各个组成显色指数R1至R15皆大于90。另外，参照下表2，显示在操作电流密度80mA/mm2、100mA/mm2、120mA/mm2、140mA/mm2、160mA/mm2以及200mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的平均显色指数(Color Rendering Index,CRI)以及组成显色指数R1至R15的数值。
表2
Figure BDA0002504637740000181
Figure BDA0002504637740000191
如表2所示，操作电流密度在80mA/mm2至200mA/mm2变化时，平均显色指数(CRI)的变化量不超过3，较佳是小于2.5。另外，其他的组成显色指数R1至R15的变化量不超过7，优选不超过5。
请参照图21至图24，显示本发明实施例的发光模组在不同电流密度下所产生的混合光束的显色指数变化曲线。详细而言，图21至图24显示本发明实施例的发光模组在操作电流密度160mA/mm2、200mA/mm2、240mA/mm2、280mA/mm2以及300mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的平均显色指数(Color Rendering Index,CRI)以及组成显色指数R1至R15的变化曲线。发光模组的发光二极管的晶片尺寸是26×30mil2。
当操作电流密度在160mA/mm2至300mA/mm2变化时，混合光束的平均显色指数(CRI)以及各个组成显色指数R1至R15皆大于90。另外，参照下表3，显示在操作电流密度160mA/mm2、200mA/mm2、240mA/mm2、280mA/mm2以及300mA/mm2的条件下，所量测到混合光束的平均显色指数(Color Rendering Index,CRI)以及组成显色指数R1至R15的数值。
表3
Figure BDA0002504637740000192
Figure BDA0002504637740000201
如表3所示，操作电流密度由160mA/mm2至300mA/mm2，平均显色指数(CRI)的变化量不超过3，较佳是不超过2.5。另外，其他的组成显色指数R1至R15的变化范围都不超过10，优选不超过7。
基于上述，本发明实施例所提供的发光模组Z1在不同的操作电流密度下所产生的混合光束的白光光谱，在蓝光波段的波形相对于操作电流具有较佳的稳定性。除此之外，操作电流密度由80mA/mm2至300mA/mm2，混合光束的平均显色指数的变化量与各组成显色指数的变化量都不超过10，优选不超过7。
另外，本发明实施例所提供的发光二极管Z12在不同的操作电流密度下的光输出冷热比也可改善。在本实施例中，在操作电流密度分别为120mA/mm2至300mA/mm2的条件下，发光二极管Z12的光输出冷热比分别为91％以及89.5％。前述的光输出冷热比是指发光二极管Z12高温(约85℃)時的光电参数(光通量)与常温(约25℃)時光电参数(光通量)的比值。也就是说，当操作电流密度改变时，本发明实施例的发光二极管Z12的冷热比受到操作电流密度改变的影响较小。
综上所述，本发明的其中一有益效果在于，在本发明实施例所提供的发光模组Z1以及发光二极管Z12中，通过“外延发光结构产生具有宽波段蓝光光谱的一光束，其中，宽波段蓝光光谱的波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点，且任两个最靠近的波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm”的技术特征，可以降低操作电流密度变化对发光模组Z1所产生的混合光束的白光光谱的波形的影响。也就是说，本发明实施例的发光模组Z1所产生的白光光谱，在蓝光波段的波形相对于操作电流变化具有较佳的稳定性。
如上所述，操作电流密度由80mA/mm2至300mA/mm2，混合光束的平均显色指数的变化量与各组成显色指数的变化量都不超过7，而可符合业界要求的应用标准。
除此之外，在本发明实施例所提供的发光二极管Z12中，通过“外延发光结构3的发光叠层32具有交替堆叠的m个阱层321以及m+1个势垒层320，其中，m个阱层321包括至少五种分别具有不同禁带宽度的第一至第五阱层321a～321e，以分别产生具有不同波长的第一至第五子光束”以及“第1～x个靠近于N型半导体层的x个阱层中的至少其中一个为第五阱层，其中，x,m都为自然数，且x,m满足下列关系式:x≤(m/3)”可以产生具有宽波段蓝光光谱的光束。
另外，本发明实施例所提供的发光二极管Z12在不同的操作电流密度下的光输出冷热比也可改善。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (9)

1.一种发光模组，其特征在于，所述发光模组包括一发光二极管，所述发光二极管具有一外延发光结构，以产生具有宽波段蓝光光谱的一光束，其中，所述宽波段蓝光光谱的波形的半高波宽不小于30nm，并具有多个波峰转折点，且任两个最靠近的所述波峰转折点所分别对应的两个波长值之间的差值不超过18nm；
其中，所述外延发光结构包括一发光叠层，所述发光叠层包括交替堆叠的m个阱层以及m+1个势垒层，所述势垒层的厚度与所述阱层的厚度之间的比值范围是2.5至5倍，
其中，所述发光模组还包括一波长转换层覆盖所述发光二极管，所述光束通过所述波长转换层而产生具有白光光谱的一混合光束，其中，施加于所述发光二极管的操作电流密度在80mA/mm2至200mA/mm2的范围所得到的任两个白光光谱，在对应于波长范围450nm至500nm之间的任一波长相对于一标准光源光谱的两个光谱偏离指标之间的差值不超过0.3。
2.根据权利要求1所述的发光模组，其特征在于，多个所述波峰转折点包括对应于一第一波长值以及一第一强度值的一第一波峰转折点、对应于一第二波长值以及一第二强度值的一第二波峰转折点、对应于一第三波长值以及一第三强度值的一第三波峰转折点，对应于一第四波长值以及一第四强度值的一第四波峰转折点以及对应于一第五波长值以及一第五强度值的一第五波峰转折点，所述第一波长值最小，所述第五波长值最长，所述第二波长值小于所述第三波长值，且所述第三波长值小于所述第四波长值。
3.根据权利要求2所述的发光模组，其特征在于，所述第一波长值不超过435nm，所述第二波长值介于430nm至450nm，所述第三波长值介于442nm至465nm，所述第四波长值介于455nm至475nm，所述第五波长值大于或等于470nm。
4.根据权利要求2所述的发光模组，其特征在于，所述第一强度值相对于所述第二强度值的比值范围由0.2至0.8，所述第三强度值相对于所述第二强度值的比值范围由0.4至1.4，所述第四强度值相对于所述第二强度值的比值范围由0.2至1.2，且所述第五强度值相对于所述第二强度值的比值范围由0.1至0.8。
5.根据权利要求1所述的发光模组，其特征在于，当施加于所述发光二极管的操作电流密度在160mA/mm2至300mA/mm2的范围所得到的任两个白光光谱，在对应于波长范围450nm至500nm之间的任一波长相对于一标准光源光谱的两个光谱偏离指标之间的差值不超过0.2。
6.根据权利要求1所述的发光模组，其特征在于，当施加于所述发光二极管的电流密度在80mA/mm2至200mA/mm2变化时，所述混合光束的显色指数的变化量不超过7。
7.根据权利要求1所述的发光模组，其特征在于，当施加于所述发光二极管的电流密度在160mA/mm2至300mA/mm2变化时，所述混合光束的显色指数的变化量不超过10。
8.根据权利要求1所述的发光模组，其特征在于，所述外延发光结构还包括一P型半导体层以及一N型半导体层，所述发光叠层位于所述N型半导体层以及所述P型半导体层之间，其中，m个所述阱层包括至少五种分别具有不同禁带宽度的第一阱层、第二阱层、第三阱层、第四阱层以及第五阱层，以分别产生第一至第五子光束，所述第五子光束的波长最长，且所述第一子光束的波长最短；
其中，第1～x个靠近于所述N型半导体层的x个所述阱层中的至少其中一个为所述第五阱层，其中，x,m都为自然数，且x,m满足下列关系式:x≤(m/3)。
9.根据权利要求8所述的发光模组，其特征在于，至少第1～y个靠近于所述P型半导体层的y个所述阱层都是所述第一阱层，其中，y为自然数，且y,m满足下列关系式:y≥(m/4)。
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