RU2479070C2

RU2479070C2 - Light-emitting diode light source

Info

Publication number: RU2479070C2
Application number: RU2011103899/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Викторович Андреев; Виктор Игоревич Ильгисонис; Сергей Николаевич Коршунов; Юрий Владимирович Мартыненко; Игорь Дмитриевич Скорлупкин
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2013-04-10
Also published as: RU2011103899A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: light-emitting diode light source has film-type semiconductor layers deposited on a current-conducting substrate which serves as one of the electrodes, having a crystalline structure with p-n junctions in many grains of the polycrystalline film and coated on the outside by a layer of transparent current-conducting material which serves as the second electrode.

EFFECT: designing a light source having improved longevity, high integral light flux and is cheaper.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электронике и энергосберегающим технологиям, а именно к конструкции светодиодов.The invention relates to electronics and energy-saving technologies, namely to the design of LEDs.

Конструкция современных светодиодов основана на полупроводниковых монокристаллах или эпитаксиальных пленках, выращенных на монокристаллах (United State Patent 5,006,908 Apr. 9, 1991; United State Patent 6,676,751 B2, Jan, 13, 2004). Наряду со многими достоинствами светодиоды имеют следующие недостатки.The design of modern LEDs is based on semiconductor single crystals or epitaxial films grown on single crystals (United State Patent 5,006,908 Apr. 9, 1991; United State Patent 6,676,751 B2, Jan, 13, 2004). Along with many advantages, LEDs have the following disadvantages.

1. Высокая цена. Отношение доллар/люмен для обычной лампы накаливания - приблизительно 0,001. А сверхяркие светодиоды в настоящее время могут достигать лишь отношения 0,04-0,02 доллара за люмен.1. High price. The dollar / lumen ratio for a conventional incandescent lamp is approximately 0.001. And superbright LEDs at present can only reach a ratio of 0.04-0.02 dollars per lumen.

2. Малый световой поток. Обычный 0.5 мм светодиод, работающий на токе 20 мА, дает всего 1-3 люмена, а лампа накаливания мощностью 100 Вт - ~1000 люменов. Сверхяркие диоды работают при токе ~1А, но требуют специальных усилий по теплоотводу. К тому же они быстро деградируют и тоже уступают по светимости лампам накаливания.2. Small luminous flux. The usual 0.5 mm LED, operating at a current of 20 mA, gives only 1-3 lumens, and an incandescent lamp with a power of 100 W - ~ 1000 lumens. Superbright diodes operate at a current of ~ 1A, but require special heat removal efforts. In addition, they quickly degrade and are also inferior in luminosity to incandescent lamps.

3. Деградация качества светодиодов. Параметры светодиодов ухудшаются с течением времени, и эта деградация связана с такими факторами, как величина прямого тока, рабочая температура (теплоотвод), тип и качество используемых чипов.3. The degradation of the quality of the LEDs. The parameters of LEDs deteriorate over time, and this degradation is associated with factors such as the magnitude of the direct current, operating temperature (heat sink), type and quality of the chips used.

Известны органические светодиоды (OLED), использующие тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров [R.H.Friend, R.W.Gymer, А.В.Holmes, J.Н.Burroughes, R.N.Marks, С.Taliani, D.D.С.Bradley, D.A. dos Santos, J.L.Brédas, M.Lögdlund, W.R.Salaneck, Electroluminescence in conjugated polymers, Nature 1999, 397, 121]. Обладая таким преимуществом перед неорганическими светодиодами, как возможность создания гибкого сворачиваемого в трубку источника света, органические светодиоды уступают в долговечности.Organic light emitting diodes (OLEDs) using thin film multilayer structures consisting of layers of several polymers are known [R.H. Friend, R.W. Gymer, A.V. Holmes, J.H. Burroughes, R.N. Marks, C.Taliani, D.D.C. Bradley, D.A. dos Santos, J. L. Brédas, M. Logdlund, W. R. Salaneck, Electroluminescence in conjugated polymers, Nature 1999, 397, 121]. Possessing such an advantage over inorganic LEDs as the possibility of creating a flexible light source that is rolled up into a tube, organic LEDs are inferior in durability.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание источника света более долговечного с большим интегральным световым потоком и более дешевого. Технический результат достигается тем, что светодиодный источник света содержит пленочные полупроводниковые слои, нанесенные на токопроводящую подложку, служащую одним из электродов, имеющие поликристаллическую структуру с p-n-переходами во многих зернах поликристаллической пленки и покрытые снаружи слоем прозрачного токопроводящего материала, служащего вторым электродом.The technical result, to which the invention is directed, is to create a light source more durable with a large integrated luminous flux and cheaper. The technical result is achieved by the fact that the LED light source contains film semiconductor layers deposited on a conductive substrate serving as one of the electrodes, having a polycrystalline structure with pn junctions in many grains of a polycrystalline film and coated on the outside with a layer of transparent conductive material serving as the second electrode.

Таким образом, предложена конструкция светодиодного источника света в виде поликристаллической неорганической пленки с планарным излучением.Thus, the design of the LED light source in the form of a polycrystalline inorganic film with planar radiation is proposed.

Конструкция светодиодного источника света поясняется чертежом (Рис.1), на котором 1 - электрод из прозрачного электропроводящего материала, 2 - слой поликристаллической пленки p-типа проводимости, 3 - слой поликристаллической пленки n-типа проводимости, 4 - электрод с омическим контактом, 5 - несущая подложка. При этом слои p- и n-типа проводимости, отличающиеся легирующими примесями или составом, образуют p-n-переход. Важной конструктивной особенностью изобретения является использование в качестве электрода на излучающей свет стороне пленки слоя прозрачного электропроводящего материала (например, оксида индия Ln₂O₃, легированного оловом, или графена).The design of the LED light source is illustrated by the drawing (Fig. 1), in which 1 is an electrode of a transparent electrically conductive material, 2 is a layer of a p-type polycrystalline film, 3 is a layer of an n-type polycrystalline film, 4 is an electrode with an ohmic contact, 5 - carrier substrate. In this case, p- and n-type conductivity layers, which differ in dopants or composition, form a pn junction. An important design feature of the invention is the use as an electrode on the light emitting side film layer of transparent conductive material (e.g., indium oxide Ln ₂ O ₃ doped with tin, or graphite).

Устройство работает следующим образом. При приложении положительного потенциала к электроду 1, контактирующему со слоем p-типа проводимости 2, и отрицательного потенциала к электроду 4, контактирующему со слоем n-типа проводимости 3, протекает ток. В области p-n-переходов носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучением фотонов вследствие перехода электронов с одного энергетического уровня на другой. При этом рекомбинация носителей с излучением фотонов происходит одновременно во многих зернах поликристалла. В итоге устройство работает как множественная сборка светодиодов, лишенная индивидуальных токоподводов к отдельным светодиодам.The device operates as follows. When a positive potential is applied to the electrode 1 in contact with the p-type conductivity layer 2 and a negative potential is applied to the electrode 4 in contact with the n-type conductivity layer 3, a current flows. In the region of pn junctions, charge carriers — electrons and holes — recombine with the emission of photons due to the transition of electrons from one energy level to another. In this case, carrier recombination with photon emission occurs simultaneously in many grains of a polycrystal. As a result, the device works as a multiple LED assembly, devoid of individual current leads to individual LEDs.

Ожидаемые преимущества по сравнению с известными прототипами.Expected advantages over known prototypes.

1. Процесс получения поликристаллических пленок значительно дешевле и быстрее, чем выращивание кристаллов или эпитаксиальных пленок с последующей сборкой, что определяет низкую себестоимость изделий.1. The process of producing polycrystalline films is much cheaper and faster than growing crystals or epitaxial films with subsequent assembly, which determines the low cost of products.

2. Возможность получения больших площадей, на которых излучают много кристаллитов. В результате можно иметь источник света с небольшой светимостью с единицы площади (малая плотность тока), но большой интегральной светимостью.2. The ability to obtain large areas on which emit a lot of crystallites. As a result, you can have a light source with a small luminosity per unit area (low current density), but a large integrated luminosity.

3. Небольшая плотность тока решает проблему теплоотвода и увеличивает долговечность светодиода, а также люминофора, используемого для получения белого света, как по сравнению с органическими светодиодами, так и по сравнению с сверхяркими неорганическими светодиодами.3. A low current density solves the problem of heat sink and increases the durability of the LED, as well as the phosphor used to produce white light, both in comparison with organic LEDs and in comparison with superbright inorganic LEDs.

4. Разброс ориентации кристаллитов позволяет получить изотропное излучение, необходимое для светильников.4. The scatter in the orientation of crystallites allows one to obtain the isotropic radiation necessary for luminaires.

5. Конструкция с прозрачным электродом, покрывающим всю поверхность изделия, повышает кпд использования рабочей поверхности и обеспечивает высокую надежность устройства, сохраняющего работоспособность даже при повреждениях, в том числе механических, отдельных участков рабочей поверхности светильника.5. The design with a transparent electrode covering the entire surface of the product increases the efficiency of the use of the working surface and provides high reliability of the device, which maintains operability even in case of damage, including mechanical, of individual sections of the working surface of the lamp.

Разработка светодиодов в виде поликристаллических пленок открывает путь создания дешевых энергосберегающих источников света универсального применения.The development of LEDs in the form of polycrystalline films opens the way to the creation of cheap energy-saving light sources of universal application.

Claims

An LED light source containing film semiconductor layers deposited on a conductive substrate serving as one of the electrodes, characterized in that the film semiconductor layers have a polycrystalline structure with p-n junctions in many grains of the polycrystalline film and are coated externally with a layer of transparent conductive material serving as the second electrode.