СИД-МОДУЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H01L33/44 H01L33/50 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к источнику света, который содержит СИД-кристалл, приспособленный для излучения света возбуждения в первом диапазоне длин волн; преобразователь длины волны, приспособленный для преобразования света возбуждения в преобразованный свет во втором диапазоне длин волн; и отражатель, приспособленный для пропускания преобразованного света и для отражения света возбуждения на преобразователь длины волны.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В US 7245072 B2 раскрыт СИД-модуль, включающий СИД, слой люминесцентного вещества и двулучепреломляющий полимерный многослойный отражающий фильтр. Люминесцентное вещество, которое расположено между отражающим фильтром и СИД, излучает видимый свет, когда его освещают ультрафиолетовым (УФ) светом возбуждения с помощью СИД, а фильтр служит для удаления оставшегося, непреобразованного УФ-света из оптического выхода СИД-модуля. Сообщается, что использование двулучепреломляющих полимеров в отражающем слое позволяет улучшить фильтрацию УФ-света, имеющего непрямой угол падения на фильтр.

Однако использование нескольких двулучепреломляющих слоев в отражателе ведет к усложнению устройств и/или способов производства.

В US-2007/0023762-A1 раскрыт другой пример СИД-осветительного устройства, в котором используется краситель для того, чтобы поглощать часть излученного света синего участка спектра.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить менее сложный способ удаления света возбуждения из света, выходящего из СИД-модуля. С этой целью предоставлен источник света, который содержит СИД-кристалл, приспособленный для излучения света возбуждения в первом диапазоне длин волн; преобразователь длины волны, приспособленный для преобразования света возбуждения в преобразованный свет во втором диапазоне длин волн; отражатель, приспособленный для пропускания преобразованного света и для отражения света возбуждения на преобразователь длины волны; и поглощающий слой, приспособленный для поглощения непреобразованного света возбуждения. Поглощающий слой способствует уменьшению количества излученного света возбуждения.

Отражатель представляет собой многослойный отражатель, содержащий несколько чередующихся слоев по меньшей мере из двух различных материалов, имеющих по меньшей мере два различных показателя преломления. Такие отражатели могут обеспечивать высокую избирательность по длине волны при падении света по существу под нормальным углом.

Поглощающий слой расположен между слоями отражателя. Такая конфигурация может еще больше уменьшать количество пропущенного света возбуждения, падающего на отражатель под углом падения, который отклоняется от нормали к поверхности отражающего фильтра, и/или снижать необходимое количество технологических стадий при производстве эффективного фильтра.

Предпочтительно по меньшей мере одна четвертая от общего количества отражающих слоев расположена на каждой стороне поглотителя.

Предпочтительно, преобразователь длины волны расположен между отражателем и СИД-кристаллом, поскольку такая конфигурация является выгодной с точки зрения эффективности преобразования. Предпочтительно, отражатель, поглощающий слой, преобразователь длины волны и СИД-кристалл объединены для того, чтобы получить одно устройство. Оно представляет собой очень компактную и эффективную конфигурацию с небольшой стоимостью производства.

Предпочтительно, многослойный отражатель и поглотитель имеют общую толщину менее чем 2000 нм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее эти и другие аспекты настоящего изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагающиеся чертежи, на которых показан предпочтительный на сегодняшний день вариант осуществления изобретения.

Фиг.1 представляет собой схематический разрез СИД-модуля, который содержит СИД-кристалл, люминесцентный преобразователь, отражатель и поглотитель.

Фиг.2 представляет собой схематический разрез СИД и люминесцентного преобразователя с фиг.1.

Фиг.3 представляет собой схематический разрез СИД-модуля, содержащего люминесцентный преобразователь, отражатель и поглотитель, интегрированные в СИД-кристалл.

Фиг.4 представляет собой схематический разрез СИД с фиг.3.

Фиг.5 представляет собой график, на котором показано пропускание многослойного отражателя.

Фиг.6 представляет собой график, на котором показано пропускание многослойного отражателя, содержащего поглощающий слой.

Фиг.7 представляет собой схематический разрез СИД-модуля, на котором показана альтернативная геометрическая конфигурация люминесцентного преобразователя и отражателя.

Фиг.8 представляет собой схематический разрез СИД, люминесцентного преобразователя и отражателя с фиг.7.

Фиг.9 представляет собой схематический разрез СИД-модуля, на котором показана еще одна альтернативная геометрическая конфигурация люминесцентного преобразователя и отражателя.

Фиг.10 представляет собой схематический разрез СИД и отражателя с фиг.9.

Фиг.11 представляет собой схематический разрез СИД-модуля, на котором показана еще одна альтернативная геометрическая конфигурация люминесцентного преобразователя и отражателя.

Фиг.12 представляет собой схематический разрез СИД и отражателя с фиг.11.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Светоизлучающие диоды, СИД, используются в широком спектре применений. Зачастую люминесцентный преобразователь интегрирован в СИД-модуль для того, чтобы получать свет другого цвета, который отличается от света, исходно излучаемого СИД.

Для того чтобы добиться чистого цвета, излучаемого СИД-модулем света с использованием люминесцентного преобразования, важно, чтобы свет возбуждения не имел возможности выйти из СИД-модуля. Это чрезвычайно важно в тех применениях, где необходимая цветовая температура устанавливается стандартами и нормами. С этой целью в СИД-модуль иногда помещают фильтр для того, чтобы отделить весь оставшийся свет возбуждения от света, выходящего из СИД-модуля.

Фиг.1 схематически иллюстрирует образцовый вариант осуществления СИД-модуля 10, содержащего СИД 12. На СИД 12 подается электрический ток через контакты 14, 16, и свет, выходящий из СИД 12, выводится из СИД-модуля 10 через по существу полусферическую линзу 18. СИД устроен так, чтобы излучать ультрафиолетовый (УФ) свет, и люминесцентный слой 24 преобразует УФ-свет в белый свет, т.е. в смесь красного, зеленого и голубого света. Полное преобразование УФ-света не достигается, поскольку люминесцентный слой должен был бы быть слишком толстым, что ведет к существенному повторному поглощению красного, зеленого и голубого света. Следовательно, для того, чтобы снизить излучение УФ-света модулем 10, линза 18 содержит отражатель 26, который отражает УФ-свет и пропускает видимый свет. Избирательный по длине волны поглощающий слой 28 на поверхности линзы значительно снижает все утечки УФ-света. Избирательность по длине волны поглощающего слоя 28 состоит в том, что его поглощение в УФ-диапазоне длин волн выше, чем в видимом диапазоне длин волн. На всем протяжении настоящего раскрытия поглощающий слой определяется как слой, состоящий из вещества (веществ), обладающего коэффициентом экстинкции k>0,005 в диапазоне длин волн возбуждения. Поглощающий слой должен располагаться на пути света от светоизлучающей поверхности СИД-кристалла и/или люминесцентного преобразователя до поверхности выхода света из СИД-модуля; структуры, такие как электрические соединения, непрозрачные основания СИД-кристаллов и т.п., не рассматриваются в качестве поглощающих слоев.

На фиг.2 более подробно показан СИД 12 и люминесцентный слой 24 с фиг.1. СИД-кристалл 20 расположен на основании 22. Электрический ток подается на верхний электрод СИД-кристалла 20 через провод 30.

Фиг.3 схематически иллюстрирует образцовый вариант осуществления СИД-модуля 110, который содержит СИД 112.

На фиг.4 более подробно показан СИД 112 с фиг.3. СИД-кристалл 120 представляет собой кристалл с шариковыми выводами, смонтированный на основании 122. Электрический ток подается на верхний электрод СИД-кристалла 120 через проводник 130 в сквозном отверстии. СИД-кристалл 120 излучает голубой свет возбуждения в диапазоне длин волн 400-470 нм, с пиковой длиной волны приблизительно 450 нм. Свет возбуждения преобразуется в желтый свет с длиной волны приблизительно 600 нм с помощью слоя люминесцентного вещества 124, прикрепленного к или нанесенного на СИД-кристалл 120; в этом конкретном примере люминесцентным веществом является LUMIRAMIC®, которое содержит (BaSr)₂Si₅N₈:Eu, т.е. нитрид бария стронция кремния, допированный европием. Его характеристику длины волны излучения можно менять путем изменения соотношения между барием и стронцием; в этом случае использовано 85% Ba и 15% Sr. Поверх слоя LUMIRAMIC® 124 расположено многослойное отражающее покрытие 126, которое включает поглощающий слой. Размещение отражателя непосредственно на слое LUMIRAMIC® обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что большая часть непреобразованного света возбуждения отражается назад на слой LUMIRAMIC® и, таким образом, происходит увеличение эффективности преобразования.

Многослойный отражатель представляет собой тип интерференционного фильтра, который состоит из нескольких чередующихся слоев, имеющих различные показатели преломления; их чувствительности к длине волны могут проектироваться относительно свободно и они могут быть предназначены для того, чтобы обеспечивать существенное подавление света возбуждения. Поэтому многослойные отражатели очень хорошо приспособлены для удаления света возбуждения из света, выходящего из СИД-модуля.

Однако в связи с тем, что прозрачность обычного покрытия, содержащего интерференционный фильтр, зависит от угла падения света, сталкивающегося с покрытием с интерференционным фильтром, некоторая часть света возбуждения будет проходить через фильтр в силу того факта, что СИД и преобразователи длины волны типично не образуют коллимированный выходящий свет. В таблице 1 приведен пример структуры многослойного отражателя, который предоставляется без внутреннего поглощающего слоя; соответствующее ему пропускание как функция угла падения относительно нормали к поверхности отражателя приведено на фиг.5. Фильтр выполнен из чередующихся слоев SiO₂, обладающего показателем преломления приблизительно 1,46, и Nb₂O₅, обладающего показателем преломления приблизительно 2,39. Слой № 1 является ближайшим к LUMIRAMIC® преобразователю и слой №41 является ближайшим к линзе, обладающей показателем преломления приблизительно 1,5; d обозначает толщину каждого слоя в нанометрах.

Таблица 1 Слой Вещество d (нм) 1 Nb₂O₅ 22,43 2 SiO₂ 47,46 3 Nb₂O₅ 58,51 4 SiO₂ 37,19 5 Nb₂O₅ 56,08 6 SiO₂ 58,00 7 Nb₂O₅ 167,17 8 SiO₂ 61,99 9 Nb₂O₅ 163,83 10 SiO₂ 62,79 11 Nb₂O₅ 164,02 12 SiO₂ 86,66 13 Nb₂O₅ 31,59 14 SiO₂ 86,17 15 Nb₂O₅ 38,59 16 SiO₂ 78,94 17 Nb₂O₅ 56,06 18 SiO₂ 32,39 19 Nb₂O₅ 81,56 20 SiO₂ 39,43 21 Nb₂O₅ 179,54 22 SiO₂ 55,61 23 Nb₂O₅ 164,17 24 SiO₂ 67,07 25 Nb₂O₅ 162,12 26 SiO₂ 60,98 27 Nb₂O₅ 74,36 28 SiO₂ 21,77 29 Nb₂O₅ 63,28 30 SiO₂ 52,35 31 Nb₂O₅ 295,69 32 SiO₂ 51,12 33 Nb₂O₅ 159,13 34 SiO₂ 71,99 35 Nb₂O₅ 154,03 36 SiO₂ 72,77 37 Nb₂O₅ 153,48 38 SiO₂ 63,71 39 Nb₂O₅ 146,28 40 SiO₂ 77,15 41 Nb₂O₅ 5,71       Общая толщина   3583,18

В таблице 2 приведен пример структуры многослойного отражателя 126 СИД-модуля, описанного выше со ссылками на фиг.2 и 3, где фильтр включает интегрированный поглощающий слой Fe₂O₃. Пропускание фильтра как функция угла падения приведено на фиг.6. Слой № 1 является ближайшим к преобразователю LUMIRAMIC® 124, а слой № 17 является ближайшим к линзе 18, которая состоит из SiO₂. Следует отметить, что толщина отражающего фильтра составляет приблизительно одну треть толщины отражающего фильтра из таблицы 1. Также поглощающий слой представляет собой составляющую часть отражателя и вносит вклад в отражающие свойства устройства, поскольку Fe₂O₃ имеет показатель преломления 3,11, который значительно отличается от показателя преломления соседних слоев Nb₂O₅. С другой стороны, многослойная структура отражающего фильтра, окружающая тонкий поглощающий слой Fe₂O₃, усиливает поглощение тонкого слоя Fe₂O₃.

Таблица 2 Слой Вещество d (нм) 1 Nb₂O₅ 149,61 2 SiO₂ 46,59 3 Nb₂O₅ 162,56 4 SiO₂ 59,38 5 Nb₂O₅ 160,02 6 SiO₂ 62,68 7 Nb₂O₅ 78,00 8 Fe₂O₃ 8,40 9 Nb₂O₅ 80,66 10 SiO₂ 64,37 11 Nb₂O₅ 46,08 12 SiO₂ 72,79 13 Nb₂O₅ 31,75 14 SiO₂ 95,16 15 Nb₂O₅ 44,42 16 SiO₂ 53,56 17 Nb₂O₅ 31,17       Общая толщина   1247,19

Впечатляет значительная разница между графиками угловых зависимостей для двух фильтров на фиг.5 и 6. Путем встраивания лишь тонкого слоя поглотителя в фильтр фильтр не только можно сделать тоньше и производить его с использованием меньшее число технологических стадий; также значительно уменьшена угловая зависимость пропускания синего света и устранены пики пропускания высшего порядка при малых углах.

Фиг.7 схематически иллюстрирует образцовый вариант осуществления СИД-модуля 210, который содержит СИД 212 и отдельную часть люминесцентное вещество/отражатель/поглотитель 224/226. Конфигурация СИД 212 и части люминесцентное вещество/отражатель/поглотитель более подробно изображены на фиг.8, на которой показан многослойный отражатель 226, содержащий несколько прозрачных, чередующихся отражающих слоев и несколько встроенных поглощающих слоев, нанесенных на слой люминесцентного вещества 224.

На фиг.9 и 10 изображена альтернативная геометрическая конфигурация СИД-модуля, где СИД-кристалл 320 и люминесцентный преобразователь 324 смонтированы бок о бок на основании 322. Свет возбуждения СИД-кристалла отражается на люминесцентный преобразователь 324 с помощью по существу параболического многослойного отражателя 326, в который также встроен поглощающий слой. Отражатель 326 устроен так, чтобы пропускать преобразованный свет от люминесцентного преобразователя, а поглощающий слой снижает пропускание отражателем 326 любого света возбуждения, падающего на отражатель 326 под по существу непрямыми углами.

Геометрическое разделение СИД-кристалла 320 и люминесцентного преобразователя 324 также позволяет расположить и увеличить отдельный полусферический поглотитель (не показан) вокруг люминесцентного преобразователя таким образом, чтобы преобразованный свет от люминесцентного преобразователя проходил через отдельный поглотитель при нормальном угле падения, и свет возбуждения, прошедший через отражатель, проходил через отдельный поглотитель под непрямым углом. Это сделает прохождение света возбуждения через поглотитель более длительным, чем прохождение преобразованного света.

На фиг.11 и 12 показан вариант осуществления, иллюстрирующий, как геометрическое отделение СИД-кристалла от люминесцентного преобразователя может обеспечить различия в уровнях поглощения света возбуждения и преобразованного света, соответственно, и таким образом содействовать улучшению цветовой температуры СИД-модуля. Избирательный по длине волны отражатель 426 отражает свет от СИД-кристалла 420 на люминесцентный преобразователь 424. Преобразованный свет от люминесцентного преобразователя проходит через отражатель и затем через поглотитель 428 под нормальным углом падения. Весь свет возбуждения от СИД-кристалла 420, который может пройти через избирательный по длине волны отражатель 426, будет проходить через поглотитель 428 под непрямым углом. Это сделает прохождение света возбуждения через поглотитель 428 более длительным, чем прохождение преобразованного света.

Вкратце, изобретение относится к СИД-модулю, который преобразует свет СИД-кристалла в свет с другой длиной волны, который излучается модулем. Преобразование происходит в части люминесцентного вещества. Чистота цвета СИД-модуля увеличена путем снижения всех утечек светового излучения накачки с использованием отражателя в сочетании с поглотителем. В одном из вариантов осуществления поглотитель встроен в виде одного или нескольких тонких поглощающих слоев между слоями многослойного интерференционного фильтра; это может дать еще более эффективное снижение утечек светового излучения накачки из модуля.

Профессионалу в данной области будет понятно, что настоящее изобретение ни в коей мере не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, которые описаны выше. Напротив, многие модификации и варианты возможны в рамках объема прилагающейся формулы изобретения. Например, изобретение не ограничено поглощающими слоями из Fe₂O₃; также можно использовать другие вещества, отличающиеся поглощающей способностью в диапазоне длин волн возбуждения, например, но без ограничений, оксид ферроцинка, оксид ферротитана, оксида ванадия, оксид висмута, оксид меди, ванадат висмута, циркония празеодимия силикат или любые их смеси.

Также настоящее изобретение не ограничено люминесцентными слоями LUMIRAMIC® или другими фосфоресцирующими веществами; можно использовать любые атомарные или молекулярные частицы или соединения в твердом состоянии, которые преобразуют по меньшей мере часть падающего электромагнитного излучения в электромагнитное излучение с характерными признаками, такие как флуоресцентные красители или люминесцентные квантовые точки. В вышеупомянутых примерах многослойные отражатели содержат чередующиеся слои Nb₂O₅ и SiO₂. Можно использовать другие сочетания из двух или более различных веществ, обладающих различными показателями преломления, и они покрываются прилагающейся формулой изобретения. Кроме того, отражатель не ограничен многослойными отражателями; можно использовать любой тип избирательного по длине волны отражателя, который способен отражать свет с длиной волны возбуждения и в то же время пропускать свет с преобразованной длиной волны. Поглотитель может состоять из одного или нескольких поглощающих слоев, встроенных в отражатель, или он может представлять собой отдельный поглотитель, расположенный в другой части СИД-модуля. Даже если весь СИД-модуль предпочтительно расположен внутри единого корпуса, также он может быть разделен между раздельными корпусами. Различные части устройства могут быть разделены между различными модулями, которые при взаимодействии обретают такую же функциональность, какая заявлена в формуле изобретения. Кроме того, даже если в вышеупомянутых примерах синий или УФ-свет используется для создания желтого или белого света, другие сочетания также покрываются прилагающейся формулой изобретения. Изобретение не ограничено СИД-кристаллами или люминесцентными преобразователями, излучающими видимый свет; они также могут излучать в ИК- и УФ-области. Также настоящее изобретение не ограничено СИД, излучающими свет возбуждения в широком оптическом спектре. Также узкополосные СИД, включающие любой вид оптической обратной связи и вынужденное излучение, такие как диодные лазеры, входят в объем формулы изобретения. Признаки, раскрытые в приведенном выше описании раздельных вариантов осуществления, могут быть выгодно объединены.

Использование неопределенного артикля «a» или «an» в этом раскрытии не исключает множественного числа. Любые ссылки в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема.

Согласно изобретению предложен источник света, который содержит СИД-кристалл и люминесцентный преобразователь длины волны, смонтированные бок о бок на основании, причем СИД-кристалл выполнен с возможностью излучения света возбуждения в первом диапазоне длин волн, а люминесцентный преобразователь длины волны выполнен с возможностью преобразования света возбуждения в преобразованный свет во втором диапазоне длин волн; отражатель со встроенным поглощающим слоем, причем отражатель выполнен с возможностью пропускания преобразованного света от люминесцентного преобразователя длины волны, причем встроенный поглощающий слой выполнен с возможностью снижения пропускания отражателем любого света возбуждения, падающего на отражатель под, по существу, непрямыми углами; и отдельный полусферический поглотитель, расположенный вокруг люминесцентного преобразователя длины волны таким образом, что преобразованный свет от люминесцентного преобразователя длины волны проходит через отдельный полусферический поглотитель при нормальном угле падения, а свет возбуждения, пропущенный через отражатель, проходит через отдельный полусферический поглотитель под непрямым углом. Также предложен модуль светоизлучающего диода. Изобретение обеспечивает менее сложный способ удаления света возбуждения из света, выходящего из источника. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

1. Источник света, который содержит
СИД-кристалл и люминесцентный преобразователь длины волны, смонтированные бок о бок на основании, причем СИД-кристалл выполнен с возможностью излучения света возбуждения в первом диапазоне длин волн, а люминесцентный преобразователь длины волны выполнен с возможностью преобразования света возбуждения в преобразованный свет во втором диапазоне длин волн;
отражатель со встроенным поглощающим слоем, причем отражатель выполнен с возможностью пропускания преобразованного света от люминесцентного преобразователя длины волны, причем встроенный поглощающий слой выполнен с возможностью снижения пропускания отражателем любого света возбуждения, падающего на отражатель под, по существу, непрямыми углами; и
отдельный полусферический поглотитель, расположенный вокруг люминесцентного преобразователя длины волны таким образом, что преобразованный свет от люминесцентного преобразователя длины волны проходит через отдельный полусферический поглотитель при нормальном угле падения, а свет возбуждения, пропущенный через отражатель, проходит через отдельный полусферический поглотитель под непрямым углом.

2. Источник света по п.1, причем отражатель содержит множество чередующихся слоев по меньшей мере из двух различных материалов, имеющих по меньшей мере два различных показателя преломления.

3. Источник света по п.1, дополнительно содержащий линзу, покрывающую СИД-кристалл, причем люминесцентный преобразователь длины волны и отражатель имеют встроенный поглощающий слой.

4. Источник света по п.3, причем линза является полусферической.

5. Модуль светоизлучающего диода (СИД), который содержит:
СИД-кристалл и люминесцентный преобразователь длины волны, смонтированные бок о бок на основании;
пару электрических контактов, обеспечивающих электрический ток к СИД-кристаллу;
отражатель со встроенным поглощающим слоем,
линзу, покрывающую СИД-кристалл, люминесцентный преобразователь длины волны, смонтированные бок о бок на основании, и отражатель со встроенным поглощающим слоем, и
отдельный полусферический поглотитель, расположенный вокруг люминесцентного преобразователя длины волны таким образом, что преобразованный свет от люминесцентного преобразователя длины волны проходит через отдельный полусферический поглотитель при нормальном угле падения, а свет возбуждения, пропущенный через отражатель, проходит через отдельный полусферический поглотитель под непрямым углом.

6. СИД-модуль по п.5, причем СИД-кристалл выполнен с возможностью излучения света возбуждения в первом диапазоне длин волн.

7. СИД-модуль по п.5, причем преобразователь длины волны выполнен с возможностью преобразования света возбуждения в преобразованный свет во втором диапазоне длин волн.

8. СИД-модуль по п.5, причем отражатель содержит множество чередующихся слоев по меньшей мере из двух различных материалов, имеющих по меньшей мере два различных показателя преломления.

9. СИД-модуль по п.5, причем встроенный поглощающий слой выполнен с возможностью уменьшения пропускания отражателем любого света возбуждения, падающего на отражатель под, по существу, непрямыми углами.