CN1969395A - 具有改善光发射轮廓的led - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED，其包括至少一个红光发射和/或转换层，其发射≥550nm到≤750nm的波长的光，优选≥630nm到≤700nm，和/或至少一个蓝光发射层，其发射≥400nm到≤550nm的波长的光，优选≥420nm到≤500nm，和/或至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料，其发射≥530nm到≤610nm的波长的光，由此该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料能吸收由该至少一个蓝光发射层发射的光，其特征在于该红光发射和/或转换层由半导体材料构成。
Description
本发明涉及LED领域。LED尽管它非常小的体积但是一种能产生明亮色彩高效率发射的半导体器件。而且由LED产生的发射具有极好的单色峰。然而，由LED产生白光仍旧是个问题。为了通过LED获得白光，多种技术被讨论过。通常，为了通过扩散和组合多个LED的发射产生白光，需要色彩混合过程。例如，三个LED，每个在可见光光谱的红色、绿色或蓝色范围的波长处产生发射(其在这里分别被称为红色、绿色和蓝色LED)，可被彼此邻近放置。然而，这些LED中的每一个具有极好的单色峰。从而，通过彼此混合这些颜色产生的白光经常是不均匀的，即白光的色彩点没有落在黑体线上或白光不代表能与黑体辐射等效的光谱分布。
也就是说，在三基色的发射不能以所希望的方式结合在一起的情况下，所得到的白光将不均匀。为了消除该色彩不均匀的问题，通过结合使用蓝色LED和发射黄色的磷光体产生白光的技术被开发，例如在EP1160883中以及这里所引用的现有技术所公开的。
然而，在现有技术中出现的所有LED都不能产生均匀的白光。因此本发明的目的是提供具有改善的白光性能的LED。
该目的通过如本发明的权利要求1所教导的LED来实现。因此，提供一种LED，其包括至少一个红光发射和/或转换层，其发射≥550nm到≤750nm的波长的光，优选≥630nm到≤700nm，和/或至少一个蓝光发射层，其发射≥400nm到≤550nm的波长的光，优选≥420nm到≤500nm，和/或至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料，其发射≥530nm到≤610nm的波长的光，由此该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料能吸收由该至少一个蓝光发射层发射的光，其特征在于该红光发射和/或转换层由半导体材料构成。
优选地该至少一个红光发射和/或转换层发射≥630nm到≤700nm的波长的光，优选该至少一个蓝光发射层发射≥420nm到≤500nm的波长的光，优选该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料发射≥540nm到≤600nm的波长的光，最优选≥545到≤595nm。
本发明人研究了不均匀问题并发现使用半导体材料作为红光发射和/或转换层是有利的。通过这样做，尤其在LED的“红色范围”的发射光的质量被改善了。
根据本发明，术语“半导体材料”尤其指的是该材料能被淀积为膜结构，和/或具有根据以上指定的发射范围或更大的带隙；和/或具有高光致发光量子效率，即超过≥50％以及≤100％，更优选≥60％，最优选≥70％。
该材料可由多原子构成也包括掺杂材料，其中所述发射不局限于带间跃迁，其包括嵌入的纳米结构或色彩中心。
根据本发明的优选实施例，该至少一个红光发射和/或转换层能吸收由该至少一个蓝光发射层发射的光。通过这样做，可获得更好的LED光谱。
根据本发明的优选实施例，该红光发射和/或转换层选自包括AlxInyGazP(x+y+z＝1)，AlxGa1-xP(x≥0且≤1)，AlxGa1-xAsyP1-y(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，AlxGayInzAsuP1-u(x+y+z＝1；u≥0且≤1)或其混合物的组；和/或该蓝光发射层选自包括AlxInyGazP(x+y+z＝1)，AlxGa1-xP(x≥0且≤1)，AlxGa1-xAsyP1-y(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，AlxGayInzAsuP1-u(x+y+z＝1；u≥0且≤1)或其混合物的组；和/或该发射绿和/或黄光的发光材料选自包括BaxSr1-xGa2S4:Eu(x≥0且≤1)，BaxSr1-xSiO4:Eu(x≥0且≤1)，SrSi2N2O2:Eu(x≥0且≤1)，(YxGd1-x)3(Al1-yGay)5O12:Ce(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，(YxGd1-x)3(Al1-yGay)5O12:Ce:Ce，Pr(x≥0且≤1；y≥0且≤1)或其混合物的组。
在掺杂化合物用于或用在红光发射和/或转换层、蓝光发射和/或转换层和/或发射绿和/或黄光的发光材料之内的情况下，优选的掺杂水平是在≥0.1且≤20％之间，更优选的在≥0.5且≤5％之间。
根据本发明的优选实施例，该LED具有在≥2000到≤6000的色温范围，优选≥2500到≤5000K、≥80的显色性Ra8，优选≥85，更优选≥90以及最优选≥95且≤100。
通过这样做，可以获得具有比现有技术中的已知LED好得多的白光发射性能的LED。
根据本发明的优选实施例，该LED具有≥10流明/W且≤200流明/W的光效力，优选≥20流明/W且≤150流明/W以及最优选≥30流明/W且≤120流明/W。
根据本发明的优选实施例，该LED的光发射光谱包括在≥400nm到≤550nm波长范围内的光发射带，优选≥420nm到≤500nm以及≥2W光到≤30W光的最大发射强度，更优选≥5W光到≤30W光，以及最优选≥15W光到≤30W光，和≥15且≤100nm的半峰全宽，更优选≥15且≤50nm，仍更优选≥15且≤35nm以及最优选≥15且≤20nm。
根据本发明的优选实施例，该LED的光发射光谱包括≥550nm到≤750nm波长范围内的发射带，优选≥600nm到≤650nm以及≥2W光到≤30W光的最大发射强度，更优选≥5W光到≤30W光，以及最优选≥15W光到≤30W光，和≥15且≤100nm的半峰全宽，更优选≥15且≤50nm，仍更优选≥15且≤35nm以及最优选≥15且≤20nm。
根据本发明的优选实施例，该LED包括至少一个红光发射和/或转换层，其发射≥550nm到≤750nm的波长的光，优选≥630nm到≤700nm，和/或至少一个蓝光发射层，其发射≥400nm到≤550nm的波长的光，优选≥420nm到≤500nm，和/或至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料。
根据本发明的优选实施例，该LED包括具有衬底的LED芯片，由此该衬底在一个第一表面上被涂敷和/或覆盖有至少一个红光发射和/或转换层以及在与该第一表面相对的表面上被涂敷和/或覆盖有至少一个蓝光发射层。在本发明的意义下“被涂敷和/或覆盖”特别指的是在衬底上可设置数层，其一个或多个是光发射和/或转换层，同时几个其它层可用于其它目的。
根据本发明的优选实施例，该LED芯片被该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料所围绕和/或部分地或完全地覆盖。“被围绕和/或部分地覆盖”特别指的是：
-LED芯片被覆盖材料围绕和/或部分地覆盖，其包括该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料。该覆盖材料可以是聚合物和/或陶瓷材料。在使用聚合物的情况下，优选地该聚合物包括选自包含硅氧烷聚合物，PMMA，PS，PTFE，PC或其混合物的组的材料。
-该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料提供在LED芯片上，例如作为层或覆盖物，其完全地或部分地围绕LED芯片。这可以以多种方式来实现。优选通过电泳和/或沉积提供该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料。
根据本发明的优选实施例，该LED包括具有至少一个红和至少一个蓝光发射层的LED芯片，位于硅芯片和反射器周围的聚合物涂层，由此该聚合物包括至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料以及该反射器反射从LED芯片发射的光。
根据本发明的优选实施例，该聚合物涂层包括选自包含硅氧烷聚合物，PMMA，PS，PTFE，PC或其混合物的组的材料。
根据本发明的优选实施例，在该聚合物涂层内部发光材料的含量是≥0.1wt％到≤50wt％，优选≥1wt％到≤20wt％。
根据本发明的优选实施例，≥90％到≤100％，优选≥95％nm到≤100％的由红光发射和/或转换层发射的光子离开LED未被吸收。
根据本发明的LED可用在多种系统中，在它们中系统用于或用作下列应用中的一个或多个：家庭应用，商店照明，家庭照明，重点照明，局部照明，剧院照明，博物馆照明，纤维光学应用，投影系统，自点亮显示器，像素化显示器(pixelated display)，分段显示器，警报信号，医学照明应用，指示标志，和装饰照明，办公室照明，工作场所照明，汽车前端照明，和汽车内部照明。
此外，提出制备根据本发明的LED的方法，其包括以下步骤：a)提供具有衬底的LED芯片，b)用至少一个红光发射和/或转换层涂敷和/或覆盖该衬底的第一表面；c)用至少一个蓝色发射层涂敷和/或覆盖与第一表面相对的衬底的表面，由此步骤b)和c)也可以以相反的顺序实施，d)用该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料部分地或全部地覆盖和/或围绕该LED芯片，e)在反射杯内以如下方式提供LED芯片和聚合物材料：该LED芯片的红光发射和/或转换层朝反射杯的其中一个反射器投射。应该注意的是尤其步骤b)和c)可以以多种方式实现：
将LED芯片与转换层结合的一种方式是通过在LED芯片的衬底上直接沉积转换材料。
-另一种方式是去除初始衬底并用不同的衬底取代它且在该替代衬底上沉积转换层或者直接在转换层上安装LED芯片，其可以在支撑物上或者不在。
还预想到的是，该转换层本身以一种方式建立或安装，使得它能够机械地支撑LED外延(有源)层，其在该实施例中是该至少一个蓝色发射层。用于安装LED有源(外延)层和转换层以及潜在的附加支撑层的技术包括，van-der-Wals接合，热熔融，有机或无机粘结材料，利用金属或其他无机或有机材料的晶片熔融，超声波熔融或光诱导粘结技术，例如UV催化熔融。
上述的部件，以及要求保护的部件和根据本发明在描述的实施例中使用的部件，关于它们的尺寸，形状，材料选择以及技术概念不受任何特别例外的支配，使得在相关领域中已知的选择标准可以不受限制地应用。
本发明的目的的另外的细节，特性和优点在从属权利要求和下面各附图的描述中被揭示--其以示例性的方式--示出根据本发明的LED的几个优选实施例。
图1示出根据本发明的第一和第二实施例的LED的LED芯片，以及
图2示出具有图1的芯片的LED装置。
图3：根据本发明的第一实施例的LED的光发射光谱。
图4：根据本发明的第一实施例的LED的光发射光谱。
图1示出根据本发明的第一和第二实施例的LED的LED芯片。正如从图1中可以看到的，该LED芯片包括衬底10、蓝光发射层20、和红光发射和/或转换层30。在本实施例中，衬底基本上由Al2O3蓝宝石衬底构成，其基本上是透明的。这允许从蓝光发射层20中发射的光子进入红光发射和/或转换层30，在这里它们转变成红光。然而，“从它们本身”发射红光的发射层也可用在本发明内。
图2示出具有图1的芯片的LED装置。正如从图2可以看到的，该LED包括围绕LED芯片以便保护的聚合物涂层40。在本实施例中，该聚合物涂层基本上由硅氧烷聚合物构成，然而，其它材料例如PMMA，PS，PTFE，和/或PC或者具有或不具有硅氧烷聚合物的这些材料的混合物也可以用在本发明内。该LED还包括反射杯50。该反射杯50和LED芯片被如此彼此设置以便离开LED芯片朝向反射杯50的光子被反射。在本实施例中，从红光发射和/或转换层20中发射的光子被反射。由于该层中的光子具有最小的能量，因此它们不被LED内部的任何材料吸收，使得＞90％的光子能离开LED不被吸收，如上面所描述的。
聚合物涂层40还包括发射绿和/或黄光的发光材料。该材料吸收从蓝光发射层20发射的光子并发射在绿色和/或黄色波长范围内的光子，即在520和600nm之间。该聚合物涂层内部的发光材料的含量在0.1和50％之间。
根据本发明的第一实施例，下面的材料被选择用于红光发射和/或转换层，蓝光发射层，和发射绿色和/或黄色的发光材料：蓝光发射层：In0.2Ga0.8N，红光发射和/或转换层：In0.45Ga0.55P，发射绿色和/或黄色的发光材料：Y3Al5O12:Ce。该LED具有与图3一致的发射光谱。
可以清楚地看到，该光谱包括两个在465nm和642nm的强带，其分别具有大约0,08和0,12的强度(在Tc 2700K)和≥15且≤100nm的半峰全宽。这些带由红和蓝光发射层产生。在500和600nm之间的波长范围内的发射基本上由发射绿和/或黄光的发光材料产生。
根据本发明的第二实施例，下面的材料被选择用于红光发射和/或转换层，蓝光发射层，和发射绿色和/或黄色的发光材料：蓝光发射层：In0.2Ga0.8N，红光发射和/或转换层：In0.45Ga0.55P，发射绿色和/或黄色的发光材料：SrSi2N2O2:Eu。该LED具有与图4一致的发射光谱。
可以清楚地看到，该光谱包括两个在465nm和642nm的强带，其具有大约0,13的强度(在Tc 4000K)和≥15且≤100nm的半峰全宽。这些带由红和蓝光发射层产生。在500和600nm之间的波长范围内的发射基本上由发射绿和/或黄光的发光材料产生。
测量方法：该Ra8值根据CIE 1931程序(＝ISO/CIE 10527-1991(E)色度观察者)来测量。
Claims (11)
1.一种LED，包括：
-至少一个红光发射和/或转换层，其发射≥550nm到≤750nm的波长的光，
-至少一个蓝光发射层，其发射≥400nm到≤550nm的波长的光，以及
-至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料，其发射≥530nm到≤610nm的波长的光，由此该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料能吸收由该至少一个蓝光发射层发射的光，
其特征在于该红光发射和/或转换层由半导体材料构成。
2.根据权利要求1的LED，由此该至少一个红光发射和/或转换层，能吸收由该至少一个蓝光发射层发射的光。
3.根据权利要求1或2的LED，由此
-该红光发射和/或转换层选自包括AlxInyGazP(x+y+z＝1)，AlxGa1-xP(x≥0且≤1)，AlxGa1-xAsyP1-y(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，AlxGayInzAsuP1-u(x+y+z＝1；u≥0且≤1)或其混合物的组；和/或
-该蓝光发射层选自包括AlxInyGazP(x+y+z＝1)，AlxGa1-xP(x≥0且≤1)，AlxGa1-xAsyP1-y(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，AlxGayInzAsuP1-u(x+y+z＝1；u≥0且≤1)或其混合物的组；和/或
-该发射绿和/或黄光的发光材料选自包括BaxSr1-xGa2S4:Eu(x≥0且≤1)，BaxSr1-xSiO4:Eu(x≥0且≤1)，SrSi2N2O2:Eu(x≥0且≤1)，(YxGd1-x)3(Al1-yGay)5O12:Ce(x≥0且≤1；y≥0且≤1)，(YxGd1-x)3(Al1-yGay)5O12:Ce:Ce，Pr(x≥0且≤1；y≥0且≤1)或其混合物的组。
4.根据权利要求1至3的任何一项的LED，其具有在≥2000到≤6000的色温范围，≥80且≤100的显色性Ra8。
5.根据权利要求1到4的任何一项的LED，具有≥30流明/W且≤60流明/W的光效力，优选≥35流明/W且≤55流明/W，以及最优选≥40流明/W且≤50流明/W。
6.根据权利要求1至5的任何一项的LED，由此
-该LED的光发射光谱包括在≥400nm到≤550nm的波长范围内的光发射带，优选≥420nm到≤500nm、以及≥2W光到≤30W光的最大发射强度、和≥15且≤100nm的半峰全宽，和/或
-该LED的光发射光谱包括在≥550nm到≤750nm的波长范围内的光发射带，优选≥630nm到≤700nm、以及≥2W光到≤30W光的最大发射强度、和≥15且≤100nm的半峰全宽。
7.根据权利要求1至6的任何一项的LED，由此该LED包括具有衬底的LED芯片，由此该衬底在一个第一表面上被涂敷和/或覆盖有至少一个红光发射和/或转换层以及在与该第一表面相对的表面上被涂敷和/或覆盖有至少一个蓝光发射层。
8.根据权利要求1至7的任何一项的LED，由此该LED包括具有至少一个红和至少一个蓝光发射层的LED芯片，以及由此该LED芯片被该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料所围绕和/或部分地或全部地覆盖。
9.根据权利要求1至8的任何一项的LED，由此≥90％到≤100％，优选≥95％nm到≤100％的由该红光发射和/或转换层发射的光子离开该LED未被吸收。
10.一种包括根据权利要求1至9的任何一项的LED的系统，该系统被用在或用作下面的应用中的一个或多个：
家庭应用，
商店照明，
家庭照明，
重点照明，
局部照明，
剧院照明，
博物馆照明，
纤维光学应用，
投影系统，
自点亮显示器，
像素显示器，
分段显示器，
警报信号，
医学照明应用，
指示标志，和
装饰照明，
办公室照明，
工作场所照明，
汽车前端照明，
汽车辅助照明，
汽车内部照明。
11.一种制备根据权利要求1至9的任何一项的LED的方法，包括以下步骤：
a)提供具有衬底的LED芯片
b)用至少一个红光发射和/或转换层涂敷和/或覆盖该衬底的第一表面；
c)用至少一个蓝色发射层涂敷和/或覆盖该衬底的与第一表面相对的表面，由此步骤b)和c)也可以相反的顺序实施
d)用该至少一个发射绿色和/或黄色的发光材料部分地或全部地覆盖和/或围绕该LED芯片
e)以如下方式在反射杯中提供该LED芯片和聚合物材料：该LED芯片的红光发射和/或转换层朝反射杯的其中一个反射器投射。
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