CN115528151A - 发光二极管 - Google Patents

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樊本杰
杨鸿志
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Abstract

本申请公开一种用于植物照明的发光二极管，所述发光二极管具有多重量子阱结构，以产生具有一宽波段蓝紫光光谱的一光束，所述蓝紫光光谱在410nm～450nm范围内具有第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的波长值大于所述第一波峰的波长值，且所述第二波峰的波长值与所述第一波峰的波长值之差介于5nm～30nm。通过前述技术手段，发光二极管所产生的宽波段蓝紫光光谱可以更好的与植物光合吸收光谱相匹配。

Description

发光二极管
技术领域
本申请涉及一种发光二极管，特别是涉及一种用以产生匹配植物光合吸收光谱的多峰宽频带蓝紫光光谱的发光二极管。
背景技术
在现有的植物照明技术中，多利用人工光环境代替阳光，来保证植物的健康生长。相比自然光，采用植物照明光源的优势在于可控性，体现在两个方面，其一为环境可控性，恶劣天气不会有任何影响，同时还可以在楼房里种菜，节省了土地面积；其二为品质可控性，可以针对植物不同发育阶段，设计植物的光配方，更高效的培育植物，提供足够的“光肥”。
因此，如何通过发光二极管精确控制光谱中的特殊波段，来促进植物对于光能量的吸收，仍为本领域技术人员努力之方向。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于提供一种可产生匹配植物光合吸收光谱的多峰宽频带蓝紫光光谱的发光二极管。
为了解决上述的技术问题，本申请所采用的其中一技术方案是，提供一种用于植物照明的发光二极管，所述发光二极管具有多重量子阱结构，以产生具有一宽波段蓝紫光光谱的一光束，所述蓝紫光光谱在410nm～450nm范围内具有第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的波长值大于所述第一波峰的波长值，且所述第二波峰的波长值与所述第一波峰的波长值之差介于5nm～30nm。
在一些实施例中，所述发光二极管所发出的所述光束在操作电流密度60mA/mm2及120mA/mm2下，在蓝紫光波段范围中都具有大于2.0μmol/j的光合光子功效(PPE)。
在一些实施例中，所述第一波峰的强度与所述第二波峰的强度比值介于40％～150％之间。
在一些实施例中，所述宽波段蓝紫光光谱在430nm～480nm范围内还具有一第二肩峰，所述第二肩峰的波长值大于所述第二波峰的波长值，且所述第二肩峰的波长值与所述第二波峰的波长值之差介于5～30nm；其中所述第二肩峰的强度与所述第二波峰的强度比值大于20％而小于100％。
在一些实施例中，所述宽波段蓝紫光光谱在380nm～420nm范围内还具有一第一肩峰，所述第一肩峰的波长值小于所述第一波峰的波长值，且所述第一肩峰的波长值与所述第一波峰的波长值之差介于0～20nm；其中所述第一肩峰的强度与所述第一波峰的强度比值大于10％而小于100％。
在一些实施例中，所述多重量子阱结构包括m个阱层和m+1个势垒层交替层叠，设置于一P型半导体层和一N型半导体层之间，且所述多重量子阱结构包括铟浓度介于0.07～0.12的多个第二阱层和铟浓度介于0.11～0.16的多个第三阱层，其中所述第三阱层的铟浓度大于所述第二阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.07之间。
在一些实施例中，所述多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.12～0.20的至少一个第四阱层，其中所述第四阱层的铟浓度大于所述第三阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.05间，所述多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.03～0.11的至少一个第一阱层，其中所述第一阱层的铟浓度小于所述第二阱层的铟浓度，且其差值大于0小于0.1。
在一些实施例中，最靠近所述P型半导体层的至少前一层所述阱层为所述第一阱层，位于所述多重量子阱结构中央且靠近所述P型半导体层的至少二层所述阱层为所述第二阱层，位于所述发光叠层中央且靠近所述N型半导体层的至少二层所述阱层为所述第三阱层，且最靠近所述N型半导体层的所至少前一层所述阱层为所述第四阱层。
在一些实施例中，其中一个所述第二阱层位于其中二个所述第三阱层之间。
在一些实施例中，所述多重量子阱结构还包括多个势垒层，与多个阱层交替设置，其中至少一个势垒层的材质包括氮化铝镓。
在一些实施例中，所述多重量子阱结构还包括多个势垒层，与多个阱层交替设置，其中至少一个势垒层的材质包括氮化铝镓。
综上所述，本申请的其中一有益效果在于，在本申请所提供的用于植物照明的发光二极管中，通过多重量子阱结构，可产生具有宽波段蓝紫光光谱的光束，并且实现和叶绿素a在蓝紫光波段的吸收光谱相匹配的光谱，且具有较高的光合光子通量(PPF)及光合光子功效(PPE)。
为使能更进一步了解本申请的特征及技术内容，请参阅以下有关本申请的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本申请加以限制。
附图说明
图1为本申请其中一实施例的发光二极管模块的剖面示意图。
图2为本申请其中一实施例的发光二极管结构的侧视示意图。
图3为本申请第一实施例的发光叠层的示意图。
图4为本申请第一实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图5为本申请第二实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图6为本申请第三实施例的发光叠层的禁带结构示意图。
图7本申请其中一实施例的发光二极管所产生的宽波段蓝紫光的光谱与叶绿素a的吸收光谱。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实例来说明本申请所公开有关“发光二极管结构”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申请的优点与效果。本申请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，在不悖离本申请的构思下进行各种修改与变更。另外，本申请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申请的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本申请的保护范围。请参照图1，图1为本申请其中一实施例的发光二极管模块的剖面示意图。
本申请实施例中，发光二极管模块Z1用以产生一蓝紫光，且此蓝紫光的光谱贴近植物进行光合作用在蓝紫光波段范围(400～500nm)的吸收光谱，且具有较好的PPF。详细而言，植物生物体用于光合作用的主要色素是叶绿素。有六种不同类型的叶绿素，但主要的类型是叶绿素a和叶绿素b。植物中总叶绿素的75％是叶绿素a，且叶绿素a是捕获阳光以进行光合作用的主要色素。
如图1所示，发光二极管模块Z1包括一基板Z10、一反射组件Z11以及一发光组件Z12。
发光组件Z12及反射组件Z11都设置在基板Z10上，且发光组件Z12设置在基板Z10上一预定区域中，且为反射组件Z11所围绕。在一实施例中，基板Z10可以由具有高导热性的材料制成，且所述材料相对于可见光可具备高反射率及低透光率等特性，且可例如是金属或陶瓷。
在一些实施例中，基板Z10可进一步包括高导热基材以及设置于高导热基材表面上的反射层，然而，本申请不特别限制基板Z10的材料，且基板Z10可由单一材料或者复合材料制成。此外，反射组件Z11可将发光组件Z12所产生的光束反射至特定方向。
发光组件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。用以产生具有宽波段蓝紫光光谱的光束。光束的光谱波形可具有第一波峰及第二波峰，且两波峰的波长差值介于5nm至30nm之间，且所述发光二极管所发出的所述光束在操作电流密度60mA/mm2及120mA/mm2下，在蓝紫光波段范围中都具有大于2.0μmol/j的光合光子功效(PPE)。此外，所述发光二极管所发出的所述光束在操作电流密度60mA/mm2下，在蓝紫光波段范围中都具有大于0.2μmol/s的光合光子通量(PPF)，且在操作电流密度120mA/mm2下，在蓝紫光波段范围中都具有大于0.37μmol/s的PPF。
在本申请的实施例中，发光组件Z12可包括至少一发光二极管，用以产生具有宽波段蓝紫光光谱的光束，然而，本申请不限于此，在本申请的其他实施例中，发光组件Z12也可包括多个发光二极管，且多个发光二极管分别产生具有不同波长的多个蓝光光束及紫光光束。具有不同波长的多个蓝光光束及紫光光束混合而形成前述的宽波段蓝紫光。
请参照图2至图4，图2为本申请一实施例的发光二极管的侧视示意图。图3为本申请一实施例的发光叠层的示意图，而图4为本申请一实施例的发光叠层的能带结构示意图。
如图2至图4所示，本实施例中提供一种发光二极管M，其可为具有多重量子阱结构的蓝紫光发光二极管，其包括基底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可以硅、蓝宝石、氮化镓或碳化硅等适合于外延成长的材料制成。为了实现晶格匹配，进一步将缓冲层2形成于基底1上。在一些实施例中，缓冲层2可通过外延工艺形成，且具有与基底1的材料相互匹配的晶格常数。在一实施例中，缓冲层2可由氮化铝或者氮化镓的材料制成。需要说明的是，亦需要考量外延发光结构3的材料的晶格常数来选择缓冲层2，以实现晶格匹配。
外延发光结构3也可通过外延工艺形成于缓冲层2上，外延发光结构3可包括依序设置在缓冲层2上的N型半导体层30、发光叠层32以及P型半导体层31。
另外，发光叠层32与P型半导体层31可具有小于N型半导体层30的面积，而不完全覆盖N型半导体层30，借此保留用于设置电极的区域。其中，第一电极4设置在N型半导体层30上，第二电极5设置在P型半导体层31未被发光叠层32与P型半导体层31所覆盖的部分上，以分别电性连接于N型半导体层30与P型半导体层31。并且，第一电极4及第二电极5可电性连接于一光源控制电路。
其中，N型半导体层30以及P型半导体层31分别为用于提供电子以及空穴的电子提供层以及空穴提供层。需说明，N型半导体层30的材料可例如为具有直接能隙的化合物半导体材料，例如掺杂硅的氮化镓。另外，P型半导体层31的材料则可例如为掺杂镁的氮化铝镓或掺杂镁的氮化镓。
发光叠层32用以产生一宽频带蓝紫光光谱，且可例如是位于N型半导体层30与P型半导体层31之间，并具有靠近于N型半导体层30的第一表面32a以及靠近于P型半导体层31的第二表面32b。
当前述的光源控制电路对第一电极4与第二电极5提供电压，可产生通过外延发光结构3的电流，并且，第一电极4与第二电极5之间的偏压将使发光叠层32产生具有特定波段的光束，且可通过控制电流的大小来调整光束的发光强度。在本实施例中，通过施加偏压，发光叠层32可产生具有多个波峰的蓝紫光光谱。
为了尽量减少不必要的光能浪费，同时又使得该用于植物照明的发光二极管M具有较高的PPF,在本申请其中一实施例中，通过对发光叠层32中多重量子阱结构的具体设计(详见后文)，使得发光叠层32所产生的蓝紫光光谱较佳地在410nm～460nm范围内尽可能地贴近叶绿素A在该波段范围内的吸收光谱，在410nm～450nm范围内具有第一波峰和第二波峰，在一较佳实施例中，是在410nm～440nm范围内具有第一波峰和第二波峰。第二波峰的波长值大于第一波峰的波长值，且第二波峰的波长值与第一波峰的波长值之差介于5nm～30nm。
考量到植物光合吸收光谱的波峰的波长及强度分布，第一波峰的强度与第二波峰的强度比值介于40％～150％之间。并且，在本申请其中一个较佳实施例中，第一波峰的强度与第二波峰的强度比值介于60％～130％之间。
另一方面，为了使产出的蓝紫光光谱具有更高的PPF值，设计使发光叠层32所产生的宽波段蓝紫光光谱在430nm～480nm范围内还具有第二肩峰。其中，且所述第二肩峰的波长值大于所述第二波峰的波长值。在波长范围上，第二肩峰的波长值与第二波峰的波长值之差可介于5～30nm。第二肩峰的强度与第二波峰的强度比值大于20％而小于100％。
进一步的，为了使产出的蓝紫光光谱第一波峰和第二波峰的强度得到更好的调控，且使该蓝紫光光谱具有更好的对电流和对冷热态的稳定性，设计其在380nm～420nm范围内，较佳是在400nm～420nm范围内还具有第一肩峰，第一肩峰的波长值小于所述第一波峰的波长值，第一肩峰的波长值与第一波峰的波长值之差可介于0～20nm，在强度上，第一肩峰的强度与第一波峰的强度比值可大于10％而小于100％。但需要额外说明的是，第一肩峰的存在并不用于限定本申请的内容，它可能会因与第一波峰过于接近或者强度原因恰好不能被识别出来。
请参照图3以及图4。图3为本申请一实施例的发光叠层的示意图，图4为本申请一实施例的发光叠层的能带示意图。在本实施例中，发光叠层32包括多重量子阱结构，多重量子阱结构可包括多个势垒层320以及多个阱层321，且多个势垒层320以及多个阱层321交替堆叠。如图3所示，每一个势垒层320都具有厚度T，每一个阱层321都具有厚度t，在一些实施例中，厚度T可大于任一个阱层321的厚度t。需说明，势垒层320的厚度T以及阱层321的厚度t与发光叠层32产生蓝紫光光谱的光谱形貌相关联。在一实施例中，为了达到前述的蓝紫光光谱的条件，势垒层320的厚度T的范围大于4nm。可选地，势垒层320的厚度范围是5nm至15nm。另外，阱层321的厚度t的范围是2nm至5nm，且阱层321的材料为氮化铟镓。此外，本申请不限制每一层势垒层320的厚度T一定要相同，也不限制每一层阱层321的厚度t一定要相同，也就是说，多个势垒层320可具有彼此不同的厚度，多个阱层321也可具有彼此不同的厚度。
另一方面，在数量上，多重量子阱结构可包括m个阱层321和m+1个势垒层320交替层叠，设置于P型半导体层31和N型半导体层30之间。其中，m为大于0的整数。换句话说，与P型半导体层31和N型半导体层30直接接触的都是势垒层320。
在本实施例中，多个阱层321可分别具有多种不同的禁带宽度，以产生宽频带蓝紫光光谱。多个阱层321可包括至少一个第一阱层321a、至少一个第二阱层321b、至少一个第三阱层321c以及至少一个第四阱层321d中的一或多者。此外，第一阱层321a、第二阱层321b、第三阱层321c以及第四阱层321d的差异基本上在于其中形成的禁带宽度，然而，第一阱层321a、第二阱层321b、第三阱层321c以及第四阱层321d的厚度也会影响蓝紫光光谱的光谱形貌。在特定实施例中，第一阱层321a的禁带宽度Eg1会大于第二阱层321b的禁带宽度Eg2，第二阱层321b的禁带宽度Eg2会大于第三阱层321c的禁带宽度Eg3，且第三阱层321c的禁带宽度Eg3会大于第四阱层321d的禁带宽度Eg4。
须先说明的是，阱层321的禁带宽度影响所产生的光束波长。依据电子与空穴的复合机制，当阱层321的禁带宽度越大，在该禁带宽度下所复合的电子空穴对所产生的光束波长越小。因此，当禁带宽度不同，也会产生具有不同波长的光束。在本实施例中，第一阱层321a可用以产生具有第一波长的第一子光束，第二阱层321b用以产生具有第二波长的第二子光束，第三阱层321c用以产生具有第三波长的第三子光束，第四阱层321d用以产生具有第四波长的第四子光束。此外，由于禁带宽度Eg1大于禁带宽度Eg2，禁带宽度Eg2大于禁带宽度Eg3，禁带宽度Eg3大于禁带宽度Eg4，因此，第一波长、第二波长、第三波长及第四波长具有由小至大的关系。需要说明的是，阱层321较佳可至少包括第一阱层321a、第二阱层321b、第三阱层321c，或是至少包括第一阱层321a、第二阱层321b以及第四阱层321d，其原因在于，若是阱层321的种类数量小于或等于二，蓝紫光光谱在冷态及热态下的光谱差异较大，且在阱层321的种类数量的，对于不同电流下的蓝紫光光谱的光谱差异亦相当大，也就是说，阱层321的种类数量小于或等于二时，具有较差的冷热态稳定性及电流稳定性。
需另外说明的，由发光叠层32的中央朝向第一表面32a增加阱层321的数量(例如，增加第三阱层321c、第四阱层321d的数量)时，可以得到更好的强度分配，而由发光叠层32的中央朝向第二表面32b增加阱层321的数量(例如，增加第一阱层321a、第二阱层321b的数量)时，可以得到更好的冷热态稳定性。
在一实施例中，第一波长与第二波长之间的差值范围是0nm至40nm，第二波长与第三波长之间的差值范围是5nm至30nm，且第四波长与第二波长之间的差值范围是10nm至50nm。在可选实施例中，第一波长与第二波长之间的差值范围是0nm至20nm，第二波长与第三波长之间的差值范围是5nm至20nm，且第四波长与第二波长之间的差值范围是15nm至45nm。因此，当阱层321具有不同的禁带宽度，调整第一子光束、第二子光束、第三子光束及第四子光束中的任意两者的波长(如：第一与第二波长、第一与第三波长或第二与第三波长)之间的差值范围时均会影响宽频带蓝紫光光谱的光谱波型。
进一步而言，在本实施例中，势垒层320为氮化镓(GaN)层或氮化铝镓(AlGaN)层，而阱层321为氮化铟镓(InxGa1-xN)层。由于阱层321中铟的浓度会影响阱层321的禁带宽度，因此可通过控制每一个阱层中的铟组份含量，可以调整阱层321的禁带宽度，进而影响阱层321的发光波长。具体而言，铟的浓度越低，阱层321的禁带宽度越高。除了铟浓度以外，阱层321的位置、顺序、数量、对应的势垒层320的厚度都会影响光谱形状。除上述材料外，势垒层320也可以是氮化铝镓和氮化镓的多种叠加组合(例如，AlGaN/GaN，GaN/AlGaN，GaN/AlGaN/GaN，AlGaN/GaN AlGaN等组合)。
在一些实施例中，多重量子阱结构包括铟浓度介于0.07～0.12的多个第二阱层和铟浓度介于0.11～0.16的多个第三阱层，其中第三阱层的铟浓度大于所述第二阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.07之间。也就是说，第二阱层中的铟组份含量为7％至12％，第三阱层中的铟组份含量为11％至16％，且第二阱层与第三阱层之间的铟组份含量的差值介于1％-7％之间。在较优实施例中，多重量子阱结构包括铟浓度介于0.09～0.12的多个第二阱层和铟浓度介于0.11～0.14的多个第三阱层，第三阱层的铟浓度与第二阱层的铟浓度的差值介于0.01-0.05之间。
此外，在一些实施例中，多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.12～0.20的至少一个第四阱层，第四阱层的铟浓度较优为0.12～0.17。也就是说，至少一个第四阱层中的铟组份含量为12％至20％，较优为12％～17％。
再者，第四阱层的铟浓度大于第三阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.05间，较优为0.01～0.03。也就是说，第四阱层与第三阱层中的铟组份含量的差值介于1％-5％间，较优为1％～3％。多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.03～0.11的至少一个第一阱层，也就是铟组份含量3％～11％。至少一个第一阱层的铟浓度较优为0.07～0.11，也就是说，铟组份含量为7％至11％。其中，第一阱层的铟浓度小于第二阱层的铟浓度，且第一阱层与第二阱层之间的铟浓度差值大于0小于0.1，较优为大于0而小于0.05，也就是铟组份含量的差值大于0％小于10％，较优为大于0％而小于5％。
在一实施例中，第一阱层中的铟组份含量为3％至11％，第二阱层中的铟组份含量为7％至12％，第三阱层中的铟组份含量为11％至16％，且第四阱层中的铟组份含量为12％至20％。
据此，第一阱层321a所产生的第一子光束的第一波长可落在380nm至420nm的范围。第二阱层321b所产生的第二光束的第二波长可落在410nm至430nm的范围。第三阱层321c所产生的第三子光束的第三波长可落在420nm至450nm的范围。第四阱层321d所产生的第四子光束的第四波长可落在430nm至480nm的范围。需要说明的，上述所有铟组份含量及对应的波长范围都会影响发光叠层32所产生的宽频带蓝紫光光谱。
而在可选实施例中，第一阱层321a中的铟组份含量为7％至11％，第二阱层321b中的铟组份含量为9％至12％，第三阱层321c中的铟组份含量为11％至14％，且第四阱层321d中的铟组份含量为12％至17％。需要说明的，可通过不同的成长温度来调整阱层321中的铟组份含量，可以使多层阱层321分别具有不同的禁带宽度Eg1～Eg4。
在本申请实施例中，为了产生与植物光合吸收光谱匹配的宽频带蓝紫光光谱，本申请对铟组份含量差值来确保所使用的可选带宽组成。在一些实施例中，当阱层321均为氮化铟镓(InxGa1-xN)层时，第一阱层321a与第二阱层321b中的铟组份含量差值为0％至10％，第二阱层321b与第三阱层321c中的铟组份含量差值为1％至7％，且第四阱层321d与第二阱层321b中的铟组份含量差值为1％至10％。
而在可选实施例中，当阱层321均为氮化铟镓(InxGa1-xN)层时，第一阱层321a与第二阱层321b中的铟组份含量差值为0％至5％，第二阱层321b与第三阱层321c中的铟组份含量差值为1％至5％，且第四阱层321d与第二阱层321b中的铟组份含量差值为2％至5％。因此，通过层层递进的调控阱层321的位置、顺序、数量、对应的势垒层320的厚度、铟组份含量及铟组份含量差值，都将影响发光叠层32产生的宽频带蓝紫光光谱，使其能够与植物光合吸收光谱更为匹配。因此，在上述条件下，第一阱层321a所产生的第一子光束的第一波长可落在400nm至420nm的范围。第二阱层321b所产生的第二光束的第二波长可落在410nm至425nm的范围。第三阱层321c所产生的第三子光束的第三波长可落在420nm至440nm的范围。第四阱层321d所产生的第四子光束的第四波长可落在430nm至460nm的范围。
请参照图4，第一阱层321a的导电带321E1与势垒层320的导电带320E之间形成第一势垒高度ΔE1。第二阱层321b的导电带321E2与势垒层320的导电带320E之间形成第二势垒高度ΔE2。第三阱层321c的导电带321E3与势垒层320的导电带320E之间形成第三势垒高度ΔE3。第四阱层321d的导电带321E4与势垒层320的导电带320E之间形成第四势垒高度ΔE4。
第四势垒高度ΔE4会大于第三势垒高度ΔE3，第三势垒高度ΔE3会大于第二势垒高度ΔE2，且第二势垒高度ΔE2会大于第一势垒高度ΔE1。因此，相较于第一阱层321a而言，电子较容易被限制在第二阱层321b及第三阱层321c内，而产生较多的第二波长及第三波长的光束。
据此，在一实施例中，第四阱层321d的数量会等于或小于第一阱层321a的数量，小于第二阱层321b的数量，以及小于第三阱层321c的数量，以避免光谱第一波长、第二波长以及第三波长的光束的强度过低。
另外，在本申请实施例中，至少最靠近于P型半导体层31的阱层321会是第一阱层321a。
在本实施例中，最靠近P型半导体层31的至少前二层阱层321，也就是靠近第二表面32b的前二层阱层321，都是第一阱层321a，可用于提升光谱最左侧的强度，以增加左侧的宽度。
除此之外，位于发光叠层32中央且靠近N型半导体层30的至少二层阱层321为第三阱层321c，位于发光叠层32中央且靠近P型半导体层31的至少二层阱层321为第二阱层321b，而最靠近N型半导体层30的阱层321为第四阱层321d。
需说明，第二阱层321b在光谱中能量较高，主要作用是提供主要的光强度，而第三阱层321c的主要作用与第二阱层321b类似，有了第三阱层321c的存在可以使最终产生的宽频带蓝紫光光谱更好的和叶绿素a吸收取向相匹配。
另一方面，最靠近N型半导体层30的阱层321为第四阱层321d，可用于提升光谱最右侧的强度，以增加右侧的宽度，同時可更为贴合叶绿素a位于长波长的吸收光谱。
此外，如图4所示，多个势垒层320包括多个第一势垒层320a、多个第二势垒层320b、多个第三势垒层320c及第四势垒层320d，多个第一势垒层320a与第一阱层321a交替堆叠，多个第二势垒层320b与第二阱层321b交替堆叠，多个第三势垒层320c与第三阱层321c交替堆叠，第四势垒层320d与第四阱层321d相邻设置。需说明的是，多个势垒层320中的每一个可具有单层势垒层结构或多层势垒层结构，在本实施例中为单层势垒层结构，且势垒层320的材料可为氮化镓或氮化鋁鎵。
值得一提的，本申请不特别限制第二阱层321b与第三阱层321c的排列连续性。例如，本实施例不限制所有的第二阱层321b必须相邻排列，也不限制所有的第三阱层321c必须相邻排列。也就是说，在特定实施例中，其中一个第二阱层321b可位于其中二个第三阱层321c之间。例如，图4中，相邻的第二阱层321b与第三阱层312c的位置可互换而不过多的影响发光二极管M所能产生的宽频带蓝紫光光谱。
此外，在本实施例中，多个第一势垒层320a的厚度T1、多个第二势垒层320b的厚度T2、多个第三势垒层320c的厚度T3及第四势垒层320d的厚度T4基本上相同，但可选的，厚度T2、T3及T4可大于或等于厚度T1。在一些实施例中，厚度T2的厚度范围是由厚度T1的1至2倍，厚度T3的厚度范围是厚度T1的1至2倍，且厚度T4的厚度范围是厚度T1的1至2倍。
并且，在可选实施例中，厚度T1的厚度范围是由5至15nm，阱层321的厚度范围是由2至5nm。相较于现有技术而言，本实施例可以使所产生的宽频带蓝紫光光谱与植物光合吸收光谱更加匹配。
请参照图5。图5为本申请第二实施例的发光叠层的禁带结构的示意图。本实施例与图4的实施例相同的元件具有相同的标号。相较于第一实施例，本实施例中的第一势垒层320a及第二势垒层320b采用相同的材料，而不同于第三势垒层320c及第四势垒层320d所采用的材料。
具体来说，第一势垒层320a及第二势垒层320均是由氮化铝镓制成，而第三势垒层320c及第四势垒层320d均是由氮化镓制成，因此，靠近P型半导体层31的第一势垒高度ΔE1及第二势垒高度ΔE2会增加，但同时也会提升电子在第二势垒层320b及第三势垒层320c之间的移动难度，进而增加了电子在该区域复合的机率。因此，电子将更容易被限制在第二阱层321b内，而产生较多的第二波长的光束。
需說明，雖然在本實施例中分別採用了氮化镓及氮化铝镓兩種材料，然而，可依照相同的禁带结构下採用具有不同含量的同類材料，例如，氮化铝镓(AlxGa1-xN)，其中，x代表铝组份含量，因此，可通过控制铝组份含量来得到类似于图5的禁带结构，进而得到能够产生类似的宽带带蓝紫光光谱的发光二极管M。
请参照图6。图6为本申请第三实施例的发光叠层的禁带结构的示意图。本实施例与图4、5的实施例相同的元件具有相同的标号。相较于第一实施例及第二实施例，一部分的第一势垒层320a及第二势垒层320中采用了多层势垒层结构。在多层势垒层结构中，势垒层可由氮化镓及氮化鋁鎵中的一或多者的组合成多层结构。如图6所示，第一势垒层320a分为子层320a1、320a2及320a3，依序由氮化镓层、氮化铝镓层及氮化镓层组成。类似的，第二势垒层320b分为子层320b1、320b2及320b3，依序由氮化镓层、氮化铝镓层及氮化镓层组成。
在本实施例中，多层势垒层结构中的氮化铝镓层可较氮化镓层更厚，但本申请不限于此。在可选实施例中，氮化铝镓层的厚度T2’的厚度范围由2nm至10nm。
具体来说，类似于前述实施例，第三势垒层320c及第四势垒层320d均是由氮化镓制成，而第一势垒层320a及第二势垒层320b均形成了由氮化镓层、氮化铝镓层及氮化镓层组成的多层势垒层结构。形成于两个氮化镓层中间的氮化铝镓层可作为电子阻挡层，以降低电子于该处的移动速度，换言之，可更加提高电子跨入P型半导体层31时的位障高度。由于增加了氮化铝镓层，提升了电子跨越位障所需的能量，因此可提升复合机率。在此情况下，可产生较多的第一波长及第二波长的光束，提升第一子光束及第二子光束的强度。
请参照图7，其为本申请其中一实施例的发光二极管所产生的宽波段蓝紫光的光谱与叶绿素a的吸收光谱。通过上述技术手段，本申请实施例的发光叠层32可用以产生宽频带蓝紫光光谱，且所产生的光谱具有两个波峰及两个肩峰。
在图7中，本申请的发光二极管可产生宽波段蓝紫光光谱，具有两个波峰p1、p2，以及第一肩峰及第二肩峰。其中，第一肩峰位于波峰p1左侧的较短波长处，并无明显的峰值或反曲点；而第二肩峰位于波峰p2右侧的较长波长处，且形成在第二肩峰与所述第二波峰之间的一个较为明显的反曲点。
详细来说，波峰p1对应于第二阱层321b产生的第二子光束，落在410nm至425nm的范围。另一方面，波峰p2对应于第三阱层321c所产生的第三子光束的第三波长，可落在420nm至440nm的范围。在一些实施例中，第二波长与第三波长之间的差值范围是5nm至30nm。
此外，第一阱层321a所产生的第一子光束的第一波长可落在380nm至420nm的范围，但并没有明显的峰值或反曲点，而仅是用于增加波峰p1左侧的宽度，而第四阱层321d所产生的第四子光束的第四波长可落在430nm至460nm的范围，可用于使波峰p2右侧的形状更为贴合叶绿素a曲线右侧的反曲特征。在一些实施例中，第一波长与第二波长之间的差值范围是0nm至40nm，第四波长与第二波长之间的差值范围是10nm至50nm。此外，在一些实施例中，第一子光束的强度范围是第三子光束的强度的10％至100％、第二子光束的强度范围是第三子光束的强度的40％至150％，且第四子光束的强度范围是第三子光束的强度的0％至120％。
而在可选实施例中，第一波长与第二波长之间的差值范围是0nm至20nm，第二波长与第三波长之间的差值范围是5nm至20nm，第四波长与第二波长之间的差值范围是15nm至45nm，第一子光束的强度范围是第三子光束的强度的30％至80％、第二子光束的强度范围是第三子光束的强度的60％至130％，且第四子光束的强度范围是第三子光束的强度的20％至100％。基于前述技术手段，可以使发光叠层32产生与植物光合吸收光谱更为匹配的宽频带蓝紫光光谱。
值得说明的是，发光二极管通用照明通常以辐射功率和光通量来衡量其发光指标，而在植物照明中，常以光合光子通量(PPF)或光合光子功效(PPE)来衡量其发光指标，其中，光合光子通量(PPF)可由下式计算得到：
Figure BDA0003874074980000141
其中，Pλ为发光二极管的辐射通量，Na为阿伏加得罗常数，h为普朗克常数，而光合光子功效(PPE)可进一步由光合光子通量除以輸入電功率求得。
PPF单位为每秒微摩尔(μmol/s)，PPE是每焦耳微摩尔(μmol/j)，其中PPF受电流影响较大，通常以PPE作为指示更具有参考性。请参考下表一，其显示本申请各实施例的发光二极体在蓝紫光波段(400～500nm)范围内的PPF及PPE。
Figure BDA0003874074980000151
其中，案例1对应于图5的禁带结构，案例2对应于图6的禁带结构，案例3对应于图4的的禁带结构，案例4则是将图4中相邻的第二阱层321b与第三阱层312c的位置互换得到另一个禁带结构。表一显示，本申请各实施例中的发光二极管所发出的光束，在操作电流密度60mA/mm2及120mA/mm2下，在蓝紫光波段范围(400～500nm)中都具有大于2.0μmol/j的光合光子功效(PPE)。因此，本申请提供的发光二极体所产生的宽频带蓝紫光光谱，除了在形貌上与植物光合吸收光谱匹配外，更确保了一定的发光强度来促进植物对于光能量的吸收。
综上所述，本申请的其中一有益效果在于，在本申请实施例所提供的用于植物照明的发光二极管中，通过多重量子阱结构，可产生具有宽波段蓝紫光光谱的光束，并且实现和叶绿素a在蓝紫光波段的吸收光谱相匹配的光谱，且具有较高的光合光子通量(PPF)及光合光子功效(PPE)。
此外，在本申请实施例所提供的用于植物照明的发光二极管中，由于采用了具有多种不同禁带宽度的阱层，搭配多层势垒层结构，在特定的铟组份含量差值的限制下，可确保所使用的可选带宽组成能够产生与植物光合吸收光谱的特征极为匹配的宽频带蓝紫光光谱。
以上所公开的内容仅为本申请的可选可行实施例，并非因此局限本申请的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本申请说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本申请的权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于植物照明的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管具有多重量子阱结构，以产生具有一宽波段蓝紫光光谱的一光束，所述蓝紫光光谱在410nm～450nm范围内具有第一波峰和第二波峰，所述第二波峰的波长值大于所述第一波峰的波长值，且所述第二波峰的波长值与所述第一波峰的波长值之差介于5nm～30nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述发光二极管所发出的所述光束在操作电流密度60mA/mm2及120mA/mm2下，在蓝紫光波段范围中都具有大于2.0μmol/j的光合光子功效(PPE)。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一波峰的强度与所述第二波峰的强度比值介于40％～150％之间。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述宽波段蓝紫光光谱在430nm～480nm范围内还具有一第二肩峰，所述第二肩峰的波长值大于所述第二波峰的波长值，且所述第二肩峰的波长值与所述第二波峰的波长值之差介于5～30nm；其中所述第二肩峰的强度与所述第二波峰的强度比值大于20％而小于100％。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述宽波段蓝紫光光谱在380nm～420nm范围内还具有一第一肩峰，所述第一肩峰的波长值小于所述第一波峰的波长值，且所述第一肩峰的波长值与所述第一波峰的波长值之差介于0～20nm；其中所述第一肩峰的强度与所述第一波峰的强度比值大于10％而小于100％。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多重量子阱结构包括m个阱层和m+1个势垒层交替层叠，设置于一P型半导体层和一N型半导体层之间，且所述多重量子阱结构包括铟浓度介于0.07～0.12的多个第二阱层和铟浓度介于0.11～0.16的多个第三阱层，其中所述第三阱层的铟浓度大于所述第二阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.07之间。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.12～0.20的至少一个第四阱层，其中所述第四阱层的铟浓度大于所述第三阱层的铟浓度，且其差值介于0.01-0.05间，所述多重量子阱结构还包括铟浓度介于0.03～0.11的至少一个第一阱层，其中所述第一阱层的铟浓度小于所述第二阱层的铟浓度，且其差值大于0小于0.1。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，最靠近所述P型半导体层的至少前一层所述阱层为所述第一阱层，位于所述多重量子阱结构中央且靠近所述P型半导体层的至少二层所述阱层为所述第二阱层，位于所述发光叠层中央且靠近所述N型半导体层的至少二层所述阱层为所述第三阱层，且最靠近所述N型半导体层的所至少前一层所述阱层为所述第四阱层。
9.根据权利要8所述的发光二极管，其特征在于，其中一个所述第二阱层位于其中二个所述第三阱层之间。
10.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述多重量子阱结构还包括多个势垒层，与多个阱层交替设置，其中至少一个势垒层的材质包括氮化铝镓。
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