СВЕТОДИОД ЗЕЛЕНОГО СВЕЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛЮМИНОФОРА Российский патент 2011 года по МПК H01L33/60 

Область техники.

Предложенное изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светодиодной технике, в частности к мощным светодиодам (СД) зеленого свечения для сигнальной индикации и освещения.

Уровень техники.

Известны СД зеленого излучения с пиковой длиной волны излучения λ_max=520-530 нм на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAIN (например типов У-118И, У-342И - см. сайт www.optelcenter.ru). Эти СД характеризуются внешним квантовым выходом излучения µ_c=7-13% и световой отдачей µ_v=30-50 лм/Вт (при прямом токе 350 мА), что недостаточно для многих применений и делает актуальным повышение эффективности зеленых СД.

Описан СД белого свечения (S. Nakamura. The blue lazer diode. Springer Verl., Berlin, 1997 г.), содержащий излучающий кристалл синего свечения на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAIN, и неорганический люминофор (ЛФ) на основе алюмоиттриевого граната. 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 прототипов могут быть рассмотрены 2 технических решения:

- СД белого свечения (Kim J.K., Luo H., Schubert E.F. et al. - Jpn. J. Appl. Phys -Express Letter 44,L 649. 2005 г.),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 с низкой отражающей способностью, что приводит к увеличению эффективности СД примерно на 20-30%.

- СД зеленого свечения, в котором инфракрасное излучение из p-n-структуры в GaAs:Si с длиной волны в максимуме излучения λ_max=870-950 нм трансформируется в зеленое излучение с помощью антистоксового ЛФ на основе оксисульфида иттрия состава V₂ O₂ S: Yb. Er (R.M Potter/ US pat. 35292000 от 15.09.1972). Однако, этот СД имеет крайне низкую эффективность (световая отдача η_V≈0.1-0.2 лм/Вт) вследствие антистоксового характера преобразования излучения.

Раскрытие изобретения.

Эффективное техническое решение по созданию СД зеленого свечения, представленное в настоящем предполагаемом изобретении, содержит следующие основные положения:

- предложен силикатный ЛФ на основе ортосиликата бария - стронция (стехиометрическая формула от Ba_1,22 Sr_0,68 Eu_0.08 Ce_0,02.*SiO₄ до Ba_0,08 Sr_1,05 Eµ_0,06 Ce_0,01 *SiO₄), активированного ионами Еu⁺ и Се³⁺ изменяя соотношение компонентов Ва, Sr, Ей и Се удается изменять длину волны излучения ЛФ в диапазоне 508-540 нм, что захватывает зеленую область спектра; оптимальное соотношение компонентов Ва, Sr, Еu и Се в основе ЛФ находится в диапазоне от 45%:50%:4,5%:0,5% до 55%:42%:2,9%:0,1%, что позволяет получить зеленое свечение с длиной волны в максимуме спектра в диапазоне 520-540 нм.

- спектр возбуждения этого ЛФ находится в диапазоне 385-450 нм, вследствие чего для возбуждения ЛФ были предложены кристаллы фиолетового излучения с λ_max=395-405 нм на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAIN; фиолетовое излучение находится на краю видимого спектра, в основном поглощается в ЛФ и не влияет на световые характеристики излучения СД в зеленой области спектра;

- в целях снижения потерь излучения и повышения эффективности СД вокруг кристалла (кристаллов) установлен конический отражатель из белой керамики или пластмассы с углом наклона стенок α=60⁺⁵ _-10 град; на поверхность отражателя нанесен слой полимера с распределенным в нем силикатным ЛФ; толщина слоя с ЛФ составляет 100±50 мкм; высота отражателя равна 2-3 поперечным размерам излучающего кристалла;

- 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 силикатным ЛФ;

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

- угол излучения СД с плоской (или почти плоской) световыводящей поверхностью составляет 2θ_0,5=120 град. При использовании полусферической полимерной линзы удается получить угол излучения в диапазоне 20-120 град. Представленное техническое решение позволяет получить следующие результаты:

- благодаря предложенному силикатному ЛФ на основе ортосиликата бария-стронция, активированному ионами Еu²⁺ и Се³⁺, а также выбору оптимального соотношения Ва, Sr, Eu и Се при возбуждении ЛФ фиолетовым излучением с λ_max=395-405 нм удалось получить эффективное зеленое свечение с λ_max=520-540 нм;

- благодаря использованию указанного конического отражателя из белого материала, покрытого полимером с распределенным в нем ЛФ, эффективно используется боковое фиолетовое излучение кристалла (кристаллов), которое преобразуется в зеленое излучение ЛФ; это излучение ЛФ практически не попадает на излучающий кристалл и не поглощается в нем; белая поверхность конического отражателя существенно отражает направленное вниз зеленое излучение ЛФ, расположенного на отражателе;

- зеленое излучение верхнего слоя ЛФ, направленное вниз, в основном попадает на наклонную поверхность отражателя и существенно отражается от его поверхности; доля верхнего излучения, падающего на кристалл (кристаллы), не превышает 5% и поэтому поглощение зеленого излучения ЛФ в кристалле незначительно; фиолетовое излучение кристалла, не поглощенное в верхнем слое ЛФ и отраженное вниз, преобразуется в зеленое излучение ЛФ, расположенного на отражателе.

В результате вышеизложенного созданы высокоэффективные СД зеленого свечения с световой отдачей до 80 лм/Вт.

Осуществление изобретения.

Принципиальная конструкция СД зеленого излучения представлена на чертеже, где 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.

Применен излучающий кристалл с фиолетовым излучением типа SL-V-U40AC фирмы "SemiLEDs" размером 1,07×1,07 мм, с длиной волны излучения 395-405 нм и с мощностью излучения 350-370 мВт при токе 350 мА.

Конический отражатель выполнен из белой керамики и имел следующие размеры: d=1,9 мм, D=8 мм, α=56 град и h=2 мм.

В качестве полимера использован прозрачный силикон типа LPS-5544 фирмы Shin Etsu с показателем преломления n=1,53-1,54. В качестве ЛФ использован силикатный ЛФ вышеуказанного состава.

Описанному СД присвоен тип У-130Ф-И.

Полученный СД имел следующие основные параметры:

Спектр излучения имеет основную зеленую полосу с λ_max=525 нм и полушириной 72 нм. Имеется также незначительная полоса фиолетового излучения с λ_max=401 нм и полушириной 14 нм.

Координаты цветности излучения составили:

х=0,3-0,32, у=0,58-0,61, что соответствует зеленой части графика МКО 1931 г.

Световой поток зеленого излучения при токе 350 мА составил 80-90 лм, а световая отдача составила η_v=70-80 лм/Вт. Эти значения существенно выше, чем у "традиционных" зеленых светодиодов с кристаллом из InGaAIN (η_v менее 50 лм/Вт). Осевая сила света составила 25-30 кд при угле излучения 2θ_0,5=120 град.

В конструкции светодиода типа У-345Ф-И, где дополнительно использована полусферическая линза 0 18 мм, сила света составила 35-40 кд при угле излучения 2θ_0,5≈80 град и 130-140 кд при 2θ_0,5≈20-30 град.

Таким образом, предложенное техническое решение позволило создать высокоэффективный СД зеленого свечения с применением ЛФ, значительно превышающий по световой отдаче и другим световым параметрам "традиционный" СД зеленого свечения.

Изобретение относится к светодиодам зеленого свечения, предназначенным для сигнальной индикации и освещения. Описываемый светодиод содержит кристалл (кристаллы), конический отражатель и люминофор, причем кристалл излучает в фиолетовой области спектра, люминофор выполнен на основе ортосиликата бария-стронция, отражатель выполнен с оптимальным углом наклона стенок и высотой, слой полимера с люминофором нанесен как на отражатель, так и на световыводящую поверхность светодиода. На основе предполагаемого изобретения разработан высокоэффективный светодиод зеленого свечения с световой отдачей до 80 лм/Вт, что значительно выше, чем можно получить на "традиционном" светодиоде зеленого свечения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора, содержащий излучающий кристалл (кристаллы) из InGaAIN, конический отражатель и люминофор, расположенный удаленно от кристалла (кристаллов), отличающийся тем, что кристалл (кристаллы), излучает в фиолетовой области спектра, люминофор выполнен на основе ортосиликата бария-стронция, активированного ионами Еu²⁺ и Се³⁺ , отражатель выполнен из белого материала с углом наклона стенок 60⁺⁵ _-10° 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. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора по п.1, отличающийся тем, что длина волны фиолетового излучения кристалла на основе p-n-гетероструктуры InGaAIN находится в диапазоне 395-405 нм.

3. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора по п.1, отличающийся тем, что оптимальное соотношение компонентов Ва, Sr, Eu и Се в основе люминофора составляет от 45%:50%:4,5%:0,5% до 55%:42%:2,9%:0,1%, что позволяет получить зеленое свечение с λ_mах в диапазоне 520-540 нм.

4. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора по п.1, отличающийся тем, что примененный полимер имеет показатель преломления n>1,5.

5. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора по п.1, отличающийся тем, что конический отражатель выполнен из белой керамики или белой пластмассы.

6. Светодиод зеленого свечения с применением люминофора по п.1, отличающийся тем, что при использовании полимерной полусферической линзы угол излучения 2θ_0,5 может варьироваться в диапазоне 20-120°.