КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОДИОДА С ЛЮМИНОФОРОМ Российский патент 2011 года по МПК H01L33/00 

Область техники.

Предлагаемое изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светодиодной технике, в частности к мощным светодиодам (СД) белого свечения, предназначенным для освещения.

Уровень техники.

В последнее время широкое распространение получили СД, в которых излучение p-n-гетероструктуры преобразуется люминофором (ЛФ). На этом принципе производятся СД белого и зеленого цветов свечения. В связи с этим для повышения световой отдачи СД с ЛФ важное значение имеет конструкция светопреобразующего узла. Эта конструкция должна быть оптимизирована с целью повышения эффективности преобразования излучения и снижения потерь излучения. В настоящем предлагаемом изобретении предложена конструкция СД с ЛФ, не привязанная к конкретному ЛФ, а эффективно работающая с любым ЛФ.

Впервые СД с ЛФ был описан в работе (R.M.Potter / US pat. 35292000 от 15.09.1972 г.), в которой инфракрасное излучение p-n-структуры GaAs: Si с длиной волны в максимуме спектра 870-950 нм трансформировалось в зеленое излучение с помощью антистоксового ЛФ на основе оксисульфита иттрия. Мелкодисперсный ЛФ был распределен в полимере, нанесенным на излучающий кристалл. Этот СД имел низкую эффективность вследствие антистоксового характера преобразования излучения.

Далее описан СД белого свечения (S.Nakamura. The blue lazer diode. Springer Verl., Berlin, 1997), содержащий излучающий кристалл синего свечения на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAlN и ЛФ на основе алюмоиттриевого граната. Белое свечение возникает вследствие смешения синего излучения кристалла и широкой полосы переизлучения ЛФ, содержащей зеленую, желтую и красную области спектра. ЛФ распределен в прозрачном полимере, причем слой ЛФ расположен вплотную к излучающему кристаллу. Недостатком этого СД является низкая эффективность, т.к. значительная часть излучения ЛФ поглощается излучающим кристаллом и его омическими контактами.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения рассмотрим СД белого свечения (Kim J.K., Luo H., Schubert E.F. et al. - Jpn. J. Appl. Phys. - Express Letter 44, L.649, 2005), в котором ЛФ расположен удаленно от кристалла на расстоянии, превышающем поперечные размеры кристалла. В конструкцию входит также отражатель бокового излучения кристалла. В этом случае снижается вероятность попадания излучения ЛФ на полупроводниковый кристалл, поглощающий излучение, что приводит к повышению светового потока СД примерно на 20-30%.

Однако и эта конструкция имеет недостатки. Недостаточно эффективно используется боковое излучение кристалла (кристаллов), неэффективно используется излучение ЛФ, направленное в нижнюю часть СД. Вследствие неравномерного отражения синего свечения от отражателя не обеспечивается равномерность цветности излучения СД, т.е. цветовая температура белого излучения отличается для различных направлений излучения.

Раскрытие изобретения.

Эффективное техническое решение, представленное в настоящем предлагаемом изобретении, содержит следующие основные положения:

- вокруг кристалла (кристаллов) установлен конический отражатель из белого материала (см. чертеж, на котором: 1 - излучающий кристалл, 2 - отражатель с внутренним диаметром d, наружным диаметром D, высотой h и углом наклона стенок α, 3 - слой полимера с ЛФ, 4 - прозрачный полимер, 5 - основание) с углом наклона стенок α=60⁺⁵ _-10 град; высота отражателя равна 2-3 поперечным размерам излучающего кристалла; на поверхность отражателя нанесен слой полимера с распределенным в нем ЛФ; толщина слоя с ЛФ составляет 100±50 мкм;

- лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской или почти плоской поверхностью, на которую нанесен слой полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем ЛФ (см. чертеж);

- использованный полимер имеет показатель преломления n≥1,5, что повышает вывод излучения из кристалла.

Использование плоской (или почти плоской) световыводящей поверхности обеспечивает Ламбертовскую диаграмму направленности излучения СД с углом излучения 2θ_0,5≈120 град, что необходимо для многих светодиодных осветительных устройств. При использовании полусферической полимерной линзы над отражателем можно получить угол излучения в диапазоне 20-120 град.

Представленное техническое решение позволяет получить следующие результаты:

- увеличивается эффективность использования бокового излучения кристалла (кристаллов), которое преобразуется в излучение ЛФ, нанесенного на наклонную поверхность отражателя; это излучение ЛФ практически не попадает на излучающий кристалл и не поглощается в нем; в связи с широкой диаграммой направленности излучения ЛФ удается получить равномерную цветность белого свечения СД в различных направлениях; белая поверхность отражателя существенно отражает направленное вниз излучение ЛФ, расположенного на отражателе, что способствует увеличению вывода излучения из СД;

- излучение верхнего слоя ЛФ, направленное вниз, в основном падает на наклонную поверхность отражателя и существенно отражается от его белой поверхности; доля излучения верхнего слоя ЛФ, падающего на кристалл, не превышает 5% и поэтому поглощение излучения в кристалле незначительно.

Излучение кристалла, не поглощенное в верхнем слое ЛФ и отраженное вниз, преобразуется в излучение ЛФ, расположенного на отражателе.

В результате вышеизложенного увеличивается световая отдача СД (на 20-30%) и равномерность цветности излучения.

В результате использования предложенной конструкции создается возможность создания СД с увеличенной площадью излучающей поверхности (в 20-25 раз превышающую площадь излучающих кристаллов) без ухудшения равномерности цветности излучения и световой отдачи; увеличение площади излучающей поверхности снижает габаритную яркость и улучшает восприятие светильника.

Осуществление изобретения.

Разработаны несколько конструкций высокоэффективных СД белого свечения по предполагаемому изобретению. Применен излучающий кристалл синего свечения на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAlN типа SL-V-B45AC фирмы "SemiLEDs" размером 1,2×1,2 мм, с длиной волны излучения 457,5-462,5 нм и с мощностью излучения более 400 мВт при токе 350 мА. В одной из конструкций СД использован кристалл размером 1,52×1,52 мм с мощностью излучения более 800 мВт при токе 700 мА.

Конический отражатель выполнен из белой керамики. В качестве полимера использован прозрачный силикон типа LPS-5544 фирмы Shin Etsu с показателем преломления n 1,53-1,54.

В качестве ЛФ использован мелкозернистый алюмоиттриевый гранат.

Разработаны следующие СД:

СД типа У-130Бл с 1 кристаллом размером 1,2×1,2 мм. Размеры отражателя СД: d=1,9 мм, D=7,8 мм, α=56 град и h=2 мм;

СД типа У-133Бл с 3 кристаллами того же размера. Размеры отражателя СД: d=3,9 мм, D=13,6 мм, α=60 град и h=2,8 мм;

СД типа У-137Бл с 3 кристаллами размером 1,52×1,52 мм. Размеры отражателя СД: d=4,9 мм, D=13,4 мм, α=60 град и h=2,5 мм.

Работают высокоэффективные СД белого свечения по предлагаемому изобретению (см. чертеж) следующим образом. При пропускании электрического тока через кристалл (кристаллы) генерируемый синий свет направляется как на поверхность отражателя, покрытого ЛФ, так и на плоскую световыводящую поверхность, также покрытую ЛФ. На обоих поверхностях синее излучение преобразуется в широкую полосу излучения ЛФ (примерно 130 нм) с максимумом в диапазоне 550-570 нм. Эффективно используется боковое излучение кристаллов. Минимальны потери излучения на поглощение в кристалле (кристаллах). Излучение ЛФ эффективно выводится из СД за счет дополнительного отражения излучения от белой поверхности отражателя, повторного преобразования синего излучения, отраженного от световыводящей поверхности, ЛФ, нанесенным на отражатель. Конструкция обеспечивает равномерность цветности излучения, а также дает возможность создания СД с увеличенной световыводящей поверхностью без потери равномерности цветности излучения и световой отдачи.

Типичные параметры разработанных высокоэффективных СД приведены в таблице.

Таблица Тип Входные электрические параметры Световые параметры Световая отдача, η_v, лм/Вт, макс. J_f, мА Р_е, Вт Световой поток, Ф_е, лм Сила света, J_v, кд КЦТ, K У-130Бл 350 1,1 90-130 35-42   120 У-133Бл 350 3,2 240-320 70-100 4500-6000 100 У-137Бл 700 6,6 450-520 140-160   80 У-130Бл-Т 350 1,1 75-80 20-25 3000-3700 70

Примечание: Угол излучения СД 2θ_0,5~120 град.

Как следует из таблицы, СД с естественным белым свечением (КЦТ 4500-6000 К) с Р_е=1,1 Вт (тип У-130Бл) характеризуется световым потоком (Ф_е) до 130 лм и световой отдачей (η_v) до 120 лм/Вт. СД с Р_е=3,2 Вт (тип У-133Бл) имеют Ф_е до 320 лм и η_v до 100 лм/Вт. СД с Р_е=6,6 Вт (тип У-137Бл) имеют Ф_е до 520 лм и η_v до 80 лм/Вт. СД с «теплым» свечением (КЦТ 3000-3700K) имеют Ф_е до 80 лм и η_v до 70 лм/Вт.

Для сравнения изготовлены СД в конструкции прототипа с 1 излучающим кристаллом. Световой поток составил 70-90 лм, а световая отдача 65-85 лм/Вт, что значительно ниже, чем при использовании предложенного технического решения (см. данные таблицы для прибора У-130Бл).

Как видим, предложенное техническое решение позволяет существенно повысить световые параметры СД с ЛФ.

Предлагаемое изобретение относится к светодиодам, предназначенным для освещения. Описываемый светодиод содержит излучающий кристалл (кристаллы), конический отражатель и люминофор, причем отражатель выполнен из белого материала с углом наклона стенок 60⁺⁵ _-10 град и высотой, равной 2-3 поперечным размерам кристалла, на стенки отражателя нанесен слой прозрачного полимера с распределенным в нем люминофором, лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской (или почти плоской) поверхностью, на которую нанесен слой полимера с распределенным в нем люминофором. На основе предлагаемого изобретения разработаны светодиоды белого свечения с световой отдачей до 120 лм/Вт. Технический результат - увеличение световой отдачи. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Конструкция светодиода с люминофором, содержащая кристалл (кристаллы), конический отражатель и люминофор, в т.ч. расположенный удаленно от кристалла (кристаллов), отличающаяся тем, что отражатель выполнен из белого материала с углом наклона стенок 60⁺⁵ _-10 град и высотой равной 2-3 поперечным размерам кристалла, на стенки отражателя нанесен слой прозрачного полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем люминофором, лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской или почти плоской поверхностью, на которую нанесен слой полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем люминофором.

2. Конструкция светодиода с люминофором по п.1, отличающаяся тем, что использованный прозрачный полимер имеет показатель преломления η≥1,5.

3. Конструкция светодиода с люминофором по п.1, отличающаяся тем, что отражатель выполнен из белой керамики или белой пластмассы.

4. Конструкция светодиода с люминофором по п.1, отличающаяся тем, что при использовании кристалла (кристаллов) синего свечения и люминофора из алюмоиттриевого граната или аналогичного, обеспечивается получение светодиода белого свечения с высокой световой отдачей.

5. Конструкция светодиода с люминофором по п.1, отличающаяся тем, что он выполнен с большой площадью световыводящей поверхности, превышающей площадь кристаллов в 20-25 раз, без ухудшения равномерности цветности излучения и снижения световой отдачи.