波長轉換系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種波長轉換系統。該波長轉換系統包含一波長轉換體包含一第一區域及一第二區域；一第一光源發出一第一光，且該第一光經過該第一區域以產生一第一混合光；一第二光源發出一第二光，且該第二光經過該第二區域以產生一第二混合光；以及一載體支撐該第一光源及該第二光源；其中，該第一光及該第二光的波長差為1nm以上且20nm以下；以及其中，該第一混合光及該第二混合光之色溫差小于100K。
【專利說明】波長轉換系統
[0001]本申請是申請日為2007年7月26日且發明名稱為“波長轉換系統”的中國發明專利申請200710138138.8的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種波長轉換系統，尤其涉及一種可隨激發波長改變而產生相應的波長頻譜以維持發射光于穩定色溫的波長轉換系統。
【背景技術】
[0003]發光二極管(Light-Emitting D1de ;LED)因其高能源效率在世界節能潮流下應用日廣，已導入至戶外照明、交通工具、乃至家庭照明的各式裝置中，如:路燈(StreetLight)、紅綠燈(Traffic Light)、戶外顯不器(Outdoor Display)、車前燈(Headlamp)、車尾燈(Tail Light)、第三煞車燈(Center High Mounted Stop Lamps ;CHMSL)、裝飾燈(Decorat1n Light)等。
[0004]發光二極管芯片(chip)的一種基本結構主要為p-n結(p_n junct1n), p型半導體材料中的空穴與η型半導體材料中的電子在偏壓下結合后發出光線。結構中發出光線的區域有時被稱為有源層(Active Layer)或發光層(Light-Emitting Layer)。發光層產生的波長取決于基本結構使用的材料。紅光系可以由采用磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)、鋁砷化鎵(AlGaAs)、或磷化鋁鎵銦(AlGaInP)等主材料的結構獲得。綠光系可以由采用磷化鎵(GaP)與硒化鋅鎘(ZnCdSe)等主材料的結構獲得。藍光系可以由采用碳化硅(SiC)與氮化硅(GaN)等主要材料的結構獲得。不同材料通常生長在不同的基板上，如:磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)J^Kii (SiC)、與藍寶石(Sapphire)等。
[0005]目前市場上常見的發光二極管芯片，除白光外，可以發射涵蓋幾乎所有可視波長范圍(400nm?750nm)內的各色光以及紫外光(Ultrav1let ;UV)。有數種用以產生白光的方法，如:混合分別來自于紅藍綠色芯片的紅藍綠三色光、使用紫外光激發熒光粉、使用藍光激發熒光粉、使用半導體波長轉換材料(亦稱為光循環半導體LED (Photo-recyclingSemiconductor LED ；PRS LED))、及使用染料(Dye)等。其中又以使用藍光芯片激發釔鋁石槽石(Yttrium aluminium garnet ；YAG)突光體以互補色(Complementary Color)產生白光為最普遍的商業方法。例如，使用460nm藍光芯片激發YAG = Ce熒光體產生570nm左右的黃光，通過控制熒光體濃度與厚度調整藍光與黃光的比例，可以產生多種色溫的白光。
[0006]突光體(Phosphor)吸收短波長光以發射長波長光,亦即吸收高能量光線而發射低能量光線。突光體具有激發頻段(Excitat1n Band)與發射頻段(Emiss1n Band),激發頻段的主要波長分布短于發射頻段的主要波長分布，但此二頻段亦可能有部分區域相互重疊。吸收頻段與發射頻段的峰值差稱為史托克位移(Stokes Shift)。落入激發頻段內的任一波長皆可以使熒光體輻射出大致上相同的發射頻譜，然而，熒光體對于不同的吸收波長其激發效率通常并不相同，視熒光體的成分而定。
[0007]另一方面，一片晶片(Wafer)上為數眾多的芯片所呈現出的波長分布并不均勻，其跨距可能達10?20nm或更大。因此，若以單一種配方的熒光體搭配所有芯片，不論是直接覆蓋于芯片之上，亦或與芯片一同封裝，成品產出的白光色溫范圍變異明顯，影響應用產品品質表現的一致性。
[0008]如圖1A所示，LED光源12發出特定波長的藍光11與13，其中藍光13激發熒光粉14產生黃光15，藍光11與黃光15混合形成白光17。但是，當LED光源12產生的藍光波長改變，但仍落于熒光粉14的激發頻段內將使得黃光15呈現的頻譜維持不變。因此，由于藍光波長的差異，使得混成的白光17波長頻譜亦發生改變。
[0009]此外，如圖1B所示的CIE色度圖(Chromaticity Diagram), 460nm藍光與固定條件下激發YAG熒光體產生的571nm黃光混合的白光其色溫位于6000K左右，但若藍光波長上下偏移至470nm或450nm,由于被激發的黃光波長持穩,混合出的白光色溫亦隨藍光波長的變化上下移動至10000K與5000K，此種幅度的變化通常不容許于一般的應用。因此，芯片必須經過分類(Sorting)與篩選(Binning)后方可適用于特定條件或特性的突光體以產生具有穩定色溫的色光。
【發明內容】
[0010]本發明的一實施例的波長轉換系統包含波長轉換體，其可以在具有第一波長的第一電磁輻射照射下反應出具有第二波長的第二電磁輻射，第一電磁輻射的能級高于第二電磁輻射的能級，且第一波長與第二波長呈現正相關。
[0011]在多個優選例中，上述的第一波長的范圍為200nm?530nm ;上述的第二波長的范圍為480nm?700nm ;上述的波長轉換體包含釔招石槽石熒光體及娃酸鹽類熒光體。
[0012]本發明的另一實施例中的波長轉換系統包含發射自第一發光體的第一激發波長；大于第一激發波長的第一發射波長；發射自第二發光體的第二激發波長；及大于第二激發波長的第二發射波長；其中，第一激發波長、第一發射波長、第二激發波長、及第二發射波長分別位于CIE色度坐標圖的周緣，第一連線連接第一激發波長與第一發射波長，第二連線連接第二激發波長與第二發射波長，第一連線及第二連線相交于此CIE色度坐標圖之內。
[0013]在多個優選例中，上述第一激發波長及第二激發波長的范圍分別為200nm?530nm ;第一發射波長及第二發射波長的范圍分別為480nm?700nm ;第一連線及第二連線相交于白光區域；第一發光體與第二發光體的組成材料包含氮元素。并且，第一激發波長與第二激發波長尤以經由相同或類似的波長轉換體分別轉換為第一發射波長與第二發射波長為佳，所謂相似的波長轉換體是指主要成分相同者，其中，波長轉換體尤以包含釔鋁石榴石熒光體及娃酸鹽類熒光體為佳。
[0014]本發明的又一實施例中的波長轉換系統包含:
[0015]輻射源；第一熒光材料，可在波長頻段內被輻射源激發，此波長頻段具有一短波長與一長波長；及第二熒光材料，可在此波長頻段內被輻射源激發；其中，在短波長激發下，第一熒光材料的激發效率高于第二熒光材料的激發效率，在長波長激發上，第一熒光材料的激發效率低于第二熒光材料的激發效率。
[0016]在多個優選例中，上述輻射源發出波長介于200nm?530nm的光線；上述輻射源包含氮化物系光電半導體；上述第一熒光材料包含硅酸鹽類熒光體；上述第二熒光材料包含釔鋁石榴石熒光體。
[0017]本發明的一實施例中的波長轉換統包含二個或多個光源，這些光源中的二光源的波長差不小于Inm且不大于20nm ;及波長轉換體，位于此二光源的光徑上，并可被此二光源中的一個光源激發產生第一混合光，被另一光源激發產生第二混合光，第一混合光與第二混合光的色溫差不大于100K。
[0018]在多個優選例中，上述這些光源中至少其一包含發光二極管；上述這些光源的發光波長介于200nm?530nm。
[0019]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含半導體發光結構，包含電子提供體、空穴提供體、及位于電子提供體與空穴提供體間的發光層；及波長轉換體，位于半導體發光結構的出光介面上，并可在一波長頻段下被輸入光激發產生輸出光，且輸入光與輸出光的波長呈現正相關。優選地，上述半導體發光結構的材料包含氮元素。
[0020]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含:
[0021]發光源，自由選自晶片上的任一可應用發光二極管單元；及波長轉換體，位于發光源的出光介面上，可回應輸入光產生輸出光，且輸入光與輸出光形成一混合色光。優選地，上述發光二極管單元包含氮化物系發光二極管。
[0022]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含:一波長轉換體包含一第一區域及一第二區域；一第一光源發出一第一光，且該第一光經過該第一區域以產生一第一混合光；一第二光源發出一第二光，且該第二光經過該第二區域以產生一第二混合光；以及一載體支撐該第一光源及該第二光源；其中，該第一光及該第二光的波長差為Inm以上且20nm以下；以及其中，該第一混合光及該第二混合光之色溫差小于100K。
[0023]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含:一波長轉換體包含一第一區域及一第二區域；一第一光源發出一第一光，且該第一光經過該第一區域以產生一第一發射光；以及一第二光源發出一第二光，且該第二光經過該第二區域以產生一第二發射光；其中，該第一發射光具有一主發射波長X1JSOnm =A1^ 700nm且該第二發射光具有一主發射波長λ ”47011111 =A1^ 650nm ；以及其中，該第一光及該第二光的波長差為Inm以上且20nm以下。
[0024]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含:第一光源，可于第一電流下所驅動；第二光源，可于第二電流下所驅動；一波長轉換體位于該第一光源及該第二光源上，該波長轉換體于一第一操作條件下可被該第一光源及該第二光源所激發以產生一第一混合光以及于一第二狀態下被該第一及光源及該第二光源所激發以產生一第二混合光；其中，當該第一操作條件轉換成該第二操作條件時，該第一電流與該第二電流系呈現反向變化；以及其中，該第一混合光及該第二混合光之色溫差小于100K。
[0025]本發明的一實施例中的波長轉換系統包含:復數個發光結構，其彼此分開一距離且各自具有一主波長，該些主波長間之波長差為Inm以上且20nm以下；以及一波長轉換體位于復數個發光結構上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1A與圖1B為例示已知技術的波長轉換系統的示意圖與CIE色度坐標圖；
[0027]圖2A是顯示依據本發明一實施例的YAG熒光體的激發與發射頻譜圖；
[0028]圖2B是顯示依據本發明一實施例的硅酸鹽類熒光體的激發與發射頻譜圖；
[0029]圖2C是顯示依據本發明一實施例的波長轉換系統的CIE色度坐標圖；
[0030]圖3是顯示依據本發明另一實施例的波長轉換系統的示意圖；
[0031]圖4是顯示依據本發明又一實施例的波長轉換系統的示意圖。
[0032]附圖標記說明
[0033]11 藍光3IB 光線
[0034]12 LED光源3IC 發射光
[0035]13 藍光32A 第一光源
[0036]14 熒光粉32B 第二光源
[0037]15 黃光33A 未經轉換光線
[0038]17 白光33B 光線
[0039]22 載體33C 發射光
[0040]24 發光結構34 波長轉換體
[0041]26 突光體35A 混合光
[0042]30 波長轉換系統 35B 混合光
[0043]3IA未經轉換光線
【具體實施方式】
[0044]以下配合圖式說明本發明的實施例。
[0045]本發明的一實施例中，YAG與硅酸鹽類(Silicate-based) 二類熒光體被選擇并混合形成混合式熒光體(以下稱“混合體”，但不限于僅有以上二種類的材料或數量)。本實施例中，YAG熒光體的頻譜如圖2A所示，其具有200nm?530nm的激發頻段，480nm?700nm的主發射頻段，與約530nm的峰值波長；硅酸鹽類熒光體的頻譜如圖2B所示，其具有300nm?500nm的激發頻段，470nm?650nm的主發射頻段,與約525nm的峰值波長。
[0046]如圖2A與2B所示，YAG熒光體于激發波長470nm左右具有較高的效率；硅酸鹽類熒光體于激發波長450nm左右具有較高的效率。當激發波長由470nm移動至450nm，YAG熒光體的光轉換效率將降低，而硅酸鹽類熒光體的光轉換效率將提高。換言之，將兩種熒光體混合后，當激發波長由470nm移動至450nm時，其中硅酸鹽類熒光體貢獻的較短波長熒光占總體熒光的比例將增加，而YAG熒光體貢獻的較長波長熒光占總體熒光的比例將減少。于是，YAG熒光體與硅酸鹽類熒光體二者的發射光比例可隨激發波長的變化而變化。在本例中，激發波長變短，混合體產生的混合光線的波長頻譜亦朝向短波長方向移動，亦即提高短波長光于混合光線中的權重。因此，混合體的發射光與激發光混成的色光色溫將可以維持在穩定區間范圍中。反之，當激發波長由短波長偏移至長波長時，依據本實施例的熒光混合體將可產生朝長波長移動的發射光。通過本實施例的熒光混合體，可以使得發射波長與激發波長間具有正面的連動關系。
[0047]CIE色度圖呈現出本發明一實施例的激發光與發射光的關系或波長轉換系統如圖2C所不。混合體中的一種突光體與另一種突光體,或任兩種突光體,二突光體各自的代表激發波長與代表發射波長的連線在圖上交叉。位于交叉圖案左下角的扇形中的弧線代表激發光的波長范圍，位于交叉圖案右上角的扇形中的弧線代表熒光體被激發后產生發射光的波長范圍，發射光與未被轉換的激發光混成的色光的色度坐標位于CIE圖中交叉圖案上或其附近。在適當調整激發光源的波長分布與混合體中熒光體的比例后，可以使波長轉換系統呈現的色溫局限于線段交叉區域的附近。因此，可以使系統產生的色光維持于相對穩定的色溫，具體而言，應用本實施例的熒光混合體于彼此具有相異的波長或頻譜的藍光LED芯片，來自于這些芯片的光線激發混合體所產生的黃光與芯片產生的原始藍光可以混合成色溫變異較小的白光。
[0048]在圖中，450nm與569nm的連線代表經由單純硅酸鹽類熒光體所可能產生的色光，470nm與573nm的連線代表經由單純YAG熒光體所可能產生的色光。二連線相交于約6000K的白光處。YAG熒光體與硅酸鹽類熒光體以特定的混合比例與配置，450nm?470nm間的激發光可以產生569nm?573nm間的主波長的發射光并混成6000K左右的穩定白光。
[0049]如圖3所不，本發明的另一實施例包含載體22、發光結構24、以及覆蓋于發光結構24上的熒光體26，其中發光結構24的數目僅為例示而非用以限制本實施例的披露。載體22包含但不限于生長基板與可用于安置發光結構24的材料或結構。發光結構24的波長在一區間內呈現變化，此區間可能橫跨數納米、數十納米、或熒光體26的容許范圍內，例如:10nm?20nm。發光結構24的主發光波長位于可見光波長,例如:420nm?480nm、或可用以激發熒光體26的波長。載體22上發光結構24的波長分布可能為高斯分布(Gaussiandistribut1n)或非常態分布。熒光體26的發射光波長移動趨勢是跟隨激發光波長的動向。因此，即使各個發光結構24的激發波長不盡相同，突光體26于各發光結構所產生的發射波長可以通過跟隨或追蹤激發波長的偏移趨勢，或依照激發波長的改變而自發性地調整。由此可降低發光結構24的發光波長等品質差異對于混合光色差異度或被感知色光品質的影響。例如:使用本實施例的熒光體26可使來自于發光結構24的激發光與熒光體26產生的發射光所混成的色光其色溫維持于穩定的區間內，此區間的范圍為取決于使用的熒光體、用戶的需求規格、及/或使用環境。
[0050]在本圖中，熒光體26的覆蓋型態僅用以說明本實施例的理念，熒光體26當可以任意的方式覆蓋于發光結構24之上，例如:局部覆蓋、均勻厚度覆蓋、可變厚度覆蓋、上方覆蓋、及側向覆蓋等。在一示例中，發光結構24生長于生長基板上并被覆蓋熒光體26。在另一示例中，發光結構24與生長基板分離并固定于載體22上后再覆蓋熒光體26。相關專利可參考本案 申請人:的中華人民共和國發明專利公開說明書第CN1747190A號或美國專利申請案第11/160，588號,其內容并視為本案的一部分。在再一不例中，發光結構24為發光二極管芯片或封裝，載體22為電路載板。此外，發光結構24亦可以倒裝焊(Flip Chip)方式置放于載體22上后再覆蓋熒光體26，此時，熒光體26尤以覆蓋于透光基板或透光光學元件為佳。發光結構24是以發出400nm?500nm的波長為佳。發光結構24的激發光與熒光體26的發射光所混成的色光包含但不限于白光與其他可視色光。
[0051]如圖4所示，依據本發明另一實施例，波長轉換系統30包含第一光源32A、第二光源32B、及波長轉換體34。第一光源32A與第二光源32B可發射光線,且這些光線的波長、頻譜、或強度具有可察覺的差異，在通常的示例中，此可察覺的差異為如Inm?20nm上下的波長差異或頻譜位移。波長轉換系統34至少包含一種材料，其組成可以為第一光源32A與第二光源32B激發而輻射光線，且此種材料所產生的發射光在一定頻段內反應出激發光的波長改變趨勢，或是與激發光的波長間呈現正相關(Positive Correlat1n)。
[0052]第一光源32A中的光線31B激發波長轉換體34產生發射光31C，來自于第一光源32A的未經轉換光線31A與光線31B混成為混合光35A。第二光源32B中的光線33B激發波長轉換體34產生發射光33C，來自于第二光源32B的未經轉換光線33A與光線33C混成為混合光35B。混合光35A與35B具有相近的色溫，例如:混合光35A與35B間的色溫差小于10K或用戶不易察覺的數值、或者具有相近色度坐標。利用本實施例的波長轉換體34，即使具有可察覺波長差異的光源，例如:光源32A與32B，存在于系統30中，系統30仍可以產生均勻或相似的色光，例如:混合光35A與35B。
[0053]在本實施例中，波長轉換體34可以直接與光源32A與32B接觸，例如:包含多個發光二極管芯片的封裝體，用以封裝此封裝體的材料包含熒光混合體，此混合體于特定頻段中其激發波長與發射波長呈現正相關。波長轉換體34亦可以與光源32A與32B相分尚，例如:照明裝置，內含多個光源與透光光學元件，透光光學元件如燈罩、燈管、透鏡、外罩、貼紙、板狀物、膜片等覆蓋物，波長轉換體34是涂附、貼合、或混入此透光光學元件，使其位于光源的光徑上以轉換光源的原始波長。此外，波長轉換體34亦可以選擇性地形成于照明裝置的反射內壁上，當來自于光源的光線經波長轉換體34轉換后將為內壁所反射，或經反射穿過波長轉換體34。
[0054]依據本發明一實施例進行實驗的結果如表I所示。二顆15mil的氮化物系列的發光二極管芯片在可控電流下進行操作并相鄰置放于一個具有銀反射體的封裝結構中，其中一個芯片的主波長為450nm，另一芯片的主波長為470nm。硅酸鹽類熒光體與YAG熒光體是以約1.08的重量比(0.26g/0.24g)混入環氧樹脂(Epoxy)中并覆蓋于此二發光二極管芯片之上。輸入二發光二極管芯片的電流分別控制于OmA?20mA間反向變化,亦即，一個芯片的輸入電流上升，而另一芯片的輸入電流即下降。通過調整通過芯片的電流，改變產自此二芯片的混合光的波長頻譜。本實驗的設計亦可以視為模擬分布于450nm?470nm波長的藍光。在一實驗例中，輸入電流值控制為0mA、5mA、10mA、15mA、與20mA。可以發現即便輸入二芯片的電流值發生變化，最終混合光線的相對色溫(Correlated Color Temperature ；CCT)仍可以維持于5945K?6035K之間，其間差異小于10K。換言之，使用依據本發明的實施例中的熒光混合體作為系統的波長轉換媒介，對于光源間強度與波長的差異具有較佳的容忍程度，使得系統可以表現出相對穩定的照明品質。
[0055]表I
[0056]通過依據本發明的一實施例中的波長轉換體，用戶可以有機會自由使用單一晶片上生產的任一芯片。換言之，即使一片晶片中的發光二極管芯片間彼此存在發射波長的差異，只要可正常運作，該芯片可能有機會不需經過分類與篩選即可使用于下游產品的中。甚者，通過依據本發明的一實施例中的波長轉換體，即使配置于波長轉換系統中的光源具有分散的發射波長分布，該發光特性相異的光源亦僅對系統所提供光線的色溫造成輕微的影響。
[0057]
【權利要求】
1.一種波長轉換系統包含: 一波長轉換體包含一第一區域及一第二區域； 一第一光源發出一第一光，且該第一光經過該第一區域以產生一第一混合光； 一第二光源發出一第二光，且該第二光經過該第二區域以產生一第二混合光； 以及 一載體支撐該第一光源及該第二光源； 其中，該第一光及該第二光的波長差為Inm以上且20nm以下；以及 其中，該第一混合光及該第二混合光之色溫差小于100K。
2.一種波長轉換系統，包含: 一波長轉換體包含一第一區域及一第二區域； 一第一光源發出一第一光，且該第一光經過該第一區域以產生一第一發射光；以及 一第二光源發出一第二光，且該第二光經過該第二區域以產生一第二發射光； 其中，該第一發射光具有一主發射波長λ !,480nm =A1^ 700nm且該第二發射光具有一主發射波長λ ”47011111 =A1^ 650nm ;以及 其中，該第一光及該第二光的波長差為Inm以上且20nm以下。
3.一種波長轉換系統包含: 第一光源，可于第一電流下所驅動； 第二光源，可于第二電流下所驅動； 一波長轉換體位于該第一光源及該第二光源上，該波長轉換體于一第一操作條件下可被該第一光源及該第二光源所激發以產生一第一混合光以及于一第二狀態下被該第一及光源及該第二光源所激發以產生一第二混合光； 其中，當該第一操作條件轉換成該第二操作條件時，該第一電流與該第二電流系呈現反向變化；以及 其中，該第一混合光及該第二混合光之色溫差小于100K。
4.如權利要求1-3中任一所述的波長轉換系統，其中，該波長轉換體與該第一光源及該第二光源相分離。
5.如權利要求1-3中任一所述的波長轉換系統，其中，該第一光源及該第二光源為倒裝焊結構。
6.如權利要求1-3中任一所述的波長轉換系統,其中，該波長轉換體包含兩種螢光粉。
7.一種波長轉換系統包含: 復數個發光結構，其彼此分開一距離且各自具有一主波長，該些主波長間之波長差為Inm以上且20nm以下；以及 一波長轉換體位于復數個發光結構上。
8.如權利要求7所述的波長轉換系統，其中，該波長轉換體分別與該第一光源及第二光源相分離。
9.如權利要求7所述的波長轉換系統，其中，該第一光源及該第二光源為倒裝焊結構。
10.如權利要求7所述的波長轉換系統，其中，該波長轉換體包含兩種螢光粉。
【文檔編號】H01L25/075GK104183688SQ201410347474
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2007年7月26日 優先權日:2007年7月26日
【發明者】王健源, 呂志強, 謝明勛 申請人:晶元光電股份有限公司