JP2011176350A - High-efficacy white light-emitting-diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は人工照明に関し、特に、白色光を生成するソリッドステートランプに関する。 The present invention relates to artificial lighting, and more particularly to a solid state lamp that generates white light.
照明目的のための人工照明は多種多様な環境に組み込まれている。主な種類としては、オフィス用照明、家庭用照明、様々な目的のための野外照明、信号、インジケータなどを含む。現代の電化の時代において、人工照明の一般的な形式は、(限定するわけではないが)白熱灯、ハロゲン気相灯、および蛍光灯を含む。これら全ては、一定の利点と不利な点を有するが、特定の局面において、それら全ては、光の出力と比較すると比較的多くの電力を使用し、全てのものが、明らかに限られた使用期限を有するようである。特に、白熱灯は、約一世紀の間にわたり現在の形式で使用されており、最も長く残っている現代発明の1つであり、初期の形式を残したままある。それに対して、ほとんどの他の初期の電子技術はデジタル電子技術に代わっている。 Artificial lighting for lighting purposes is incorporated in a wide variety of environments. The main types include office lighting, home lighting, outdoor lighting for various purposes, signals, indicators and the like. In the age of modern electrification, common forms of artificial lighting include (but are not limited to) incandescent lamps, halogen vapor lamps, and fluorescent lamps. All of these have certain advantages and disadvantages, but in certain aspects they all use a relatively large amount of power compared to the light output, and all are clearly limited in use. It seems to have a deadline. In particular, incandescent lamps have been used in the present form for about a century, and are one of the longest remaining modern inventions, leaving the original form. In contrast, most other early electronic technologies have replaced digital electronic technologies.
半導体の時代は多くのタイプの電気デバイスのソリッドステートデバイスへの交代を目撃した。おそらく最も明確なものは、(現在の若者たちはほとんど知らない)真空管のトランジスタへの交代である。ソリッドステートデバイスは、その性質および動作のおかげで、より古い世代の電子デバイスよりも本質的に非常に信頼でき、一般的には、明らかに少なくとも100倍は長い寿命を有し得る。 The semiconductor era witnessed the replacement of many types of electrical devices with solid state devices. Perhaps the most obvious is the change of vacuum tubes to transistors (which most young people don't know). Solid state devices, by virtue of their nature and operation, are inherently much more reliable than older generation electronic devices, and in general can clearly have a lifetime that is at least 100 times longer.
さらに、一部のソリッドステートデバイスは動作において光を発する。最も一般的なものは発光ダイオード(LED)であり、発光ダイオードにおいて、電流はp−n接合部を横切って注入されることにより、電子およびホールの再結合をもたらし、光子の同時生成を伴う。ダイオードが形成された半導体材料に従い、かつ、特に、それらの材料のバンドギャップに従って、異なる周波数の光が発せられ、それは材料に特徴的なものである。例えば、ガリウム砒素リン(GaAsP)は、発光ダイオードの充分に確立された材料システムを代表する。GaおよびAsのモル分率に従って、これらの材料は、約1.42〜1.98電子ボルト(eV)のバンドギャップを有し、電磁スペクトルの赤外線、赤、オレンジの部分で光を発する。 In addition, some solid state devices emit light in operation. The most common are light emitting diodes (LEDs), where current is injected across the pn junction, resulting in recombination of electrons and holes, with the simultaneous generation of photons. Depending on the semiconductor material from which the diode is formed and in particular according to the band gap of those materials, different frequencies of light are emitted, which are characteristic of the material. For example, gallium arsenide phosphorus (GaAsP) represents a well-established material system for light emitting diodes. Depending on the molar fraction of Ga and As, these materials have a band gap of about 1.42 to 1.98 electron volts (eV) and emit light in the infrared, red, and orange portions of the electromagnetic spectrum.
それに対して、シリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)のような材料、または関連するIII族の窒化物の化合物は、それぞれ約3.0および約3.5eVのより広いバンドギャップを有し、従って、スペクトルの青、紫、および紫外線の部分での高周波数の光子を生成する。 In contrast, materials such as silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), or related Group III nitride compounds have wider band gaps of about 3.0 and about 3.5 eV, respectively. , Thus producing high frequency photons in the blue, purple, and ultraviolet portions of the spectrum.
信頼性、効率および比較的低い電力要求により、ソリッドステート発光デバイスは、多くの用途のために広く受け入れられている。しかしながら、デバイスは比較的小さく、より従来的な代替品(白熱灯、蛍光灯)よりも比較的暗いので、ダイオードが最もよく使用されているのは、照明のためというよりも、インジケータおよび他の輝度の低い用途としてである。 Due to reliability, efficiency and relatively low power requirements, solid state light emitting devices are widely accepted for many applications. However, because the device is relatively small and relatively darker than the more traditional alternatives (incandescent, fluorescent), diodes are most often used for indicators and other than for lighting This is for applications with low luminance.
さらに、多くの状況において好ましいLEDの特性の一部(例えば、狭い帯域の波長に沿った発光)は、LEDを最初は照明目的のためにはあまり魅力的ではないものにする傾向にある。例えば、LEDは、狭い範囲の波長のみを投じる。多くの状況において、−多くの場合に、色の知覚の多くは照明周波数に依存するので−これは自然光と比較して、または白熱光もしくは蛍光光と比較してさえ好ましくない。なぜならば、自然光または白熱光もしくは蛍光光は、それらの固有の限度により、LEDよりも広い範囲の周波数にわたって実際に光を投じるからである。 Furthermore, some of the LED characteristics that are favorable in many situations (eg, emission along a narrow band of wavelengths) tend to make the LED less attractive initially for illumination purposes. For example, LEDs cast only a narrow range of wavelengths. In many situations this is unfavorable compared to natural light, or even compared to incandescent or fluorescent light, since in many cases much of the color perception depends on the illumination frequency. Because natural light or incandescent light or fluorescent light actually casts light over a wider range of frequencies than LEDs due to their inherent limitations.
2つのタイプの技術が発光ダイオードから白色光を生成するために使用される。第1に、青色発光ダイオードが赤色および緑色の発光ダイオードと結合されることにより、白色光を含む可視スペクトルの所望の全色を生成する。第2に、(例えば、紫外線、紫、青の範囲における)高周波発光ダイオードが、(一般的には黄色を発光する)発光物質と共に使用されることにより、ダイオードからの青色光と蛍光体からの黄色光との結合光を発し、該結合光は組み合わせでランプからの白色光を提供する。 Two types of techniques are used to generate white light from light emitting diodes. First, the blue light emitting diode is combined with the red and green light emitting diodes to produce the desired full color of the visible spectrum including white light. Second, high frequency light emitting diodes (eg in the ultraviolet, purple, blue range) are used with luminescent materials (generally emitting yellow light), so that blue light from the diode and phosphor It emits combined light with yellow light, which in combination provides white light from the lamp.
発光ダイオードの効率は、様々な方法で特徴付けられ得るが、実際には良い点と悪い点とが累積しているいくつかの要素に、概して依存している。例えば、任意の所与の量の電流が発光ダイオードの中に注入されることに関して、注入されたキャリアの(電子またはホール)の100%未満の一部のフラクションが実際に再結合される。再結合するものの中の、100%未満の別のフラクションが光子を生成する。生成された光子の中の、100%未満のさらに別のフラクションが実際に抽出される。すなわち、可視光としてダイオードから離れる。蛍光体が組み込まれるときには、効率は蛍光体の変換効率によってまたさらに低められる。 The efficiency of light emitting diodes can be characterized in a variety of ways, but in practice it generally depends on several factors that have accumulated good and bad points. For example, for any given amount of current injected into the light emitting diode, some fraction of less than 100% of the injected carriers (electrons or holes) is actually recombined. Another fraction, less than 100% of those that recombine, generates photons. Of the generated photons, yet another fraction of less than 100% is actually extracted. That is, it leaves the diode as visible light. When a phosphor is incorporated, the efficiency is further reduced by the phosphor conversion efficiency.
これらおよび他の要因に基づいて、全スペクトルの発光ダイオードデバイスは、白熱灯および蛍光灯の両方に完全に代わる可能性を有しているが、白色光を発する安価で製造の容易なソリッドステートランプは、依然として研究者および製造業者の両方の主要な対象である。 Based on these and other factors, full-spectrum light-emitting diode devices have the potential to completely replace both incandescent and fluorescent lamps, but are cheap and easy to manufacture solid-state lamps that emit white light Remains a major subject for both researchers and manufacturers.
従って、照明目的のために白色発光ダイオードの所望の出力を増加させることは、注入効率、放射再結合の割合、および抽出される光子の量のうちの1つ以上を増加させることを必要とする。このように、使用するときに、相対電力レベルにおいて、かつ、より広い範囲のスペクトルにわたって、より明るい全出力を生成することにより、より満足のいく効果を生成することが、依然として継続している別の目標である。 Thus, increasing the desired output of the white light emitting diode for illumination purposes requires increasing one or more of injection efficiency, the rate of radiative recombination, and the amount of photons extracted. . Thus, when used, it is still continuing to produce a more satisfying effect by producing a brighter full output at relative power levels and over a wider range of spectra. Is the goal.
本発明の一局面は、20ミリアンペアの動作電流において、1ワット当たり少なくとも75ルーメンの出力を有する高効率高出力の白色発光ソリッドステートランプである。この局面において、本発明は、発光ダイオード、カプセル用材、およびヘッダを含む。ダイオードは、電気的接触のための導電性シリコンカーバイド基板と、ダイオードを横切る電流の適用下で所望の周波数の光子を生成するための、シリコンカーバイド基板上のIII族の窒化物の活性部分を含む。ヘッダは、ダイオードを支持し、ダイオードおよび活性部分に電気的接触を提供するための反射カップを含む。カプセル用材は、蛍光体を含み、該蛍光体は、これが該ダイオードによって発せられた周波数によって励起されるときに、応答周波数を生成するために、該カプセル用材の少なくとも一部分に存在する。 One aspect of the present invention is a high efficiency, high power white light emitting solid state lamp having an output of at least 75 lumens per watt at an operating current of 20 milliamps. In this aspect, the present invention includes a light emitting diode, a capsule material, and a header. The diode includes a conductive silicon carbide substrate for electrical contact and an active portion of a group III nitride on the silicon carbide substrate for generating photons of a desired frequency under the application of current across the diode. . The header includes a reflective cup for supporting the diode and providing electrical contact to the diode and the active portion. The encapsulating material includes a phosphor that is present in at least a portion of the encapsulating material to generate a response frequency when it is excited by the frequency emitted by the diode.
別の局面において、本発明は、パッケージされた発光ダイオードランプであり、該パッケージされたダイオードは、350ミリアンペアの動作電流において、1ワット当たり少なくとも57ルーメンの白色光を示す。ランプは、導電性ヘッダと、ヘッダ上の発光ダイオードとを含む。ダイオードは、シリコンカーバイド基板と、少なくとも1つの窒化インジウムガリウムの活性層と、基板および活性層に対して垂直な方向にあり、ヘッダと電気的に接触している活性層に抵抗性接触している抵抗性接点とを含む。カプセル用材は、ダイオードとヘッダの少なくとも一部分を覆っている。カプセル用材内の蛍光体は、ダイオードからの発光に応答して可視光を発する。 In another aspect, the invention is a packaged light emitting diode lamp that exhibits at least 57 lumens of white light per watt at an operating current of 350 milliamps. The lamp includes a conductive header and a light emitting diode on the header. The diode is in resistive contact with a silicon carbide substrate, an active layer of at least one indium gallium nitride, and an active layer in a direction perpendicular to the substrate and the active layer and in electrical contact with the header. Including resistive contacts. The encapsulant covers at least a portion of the diode and header. The phosphor in the capsule material emits visible light in response to light emitted from the diode.
別の局面において、本発明は、パッケージされた発光ダイオードランプであり、該パッケージされたダイオードは、1アンペアの動作電流において、1ワット当たり少なくとも142ルーメンの白色光を示す。 In another aspect, the invention is a packaged light emitting diode lamp that exhibits at least 142 lumens of white light per watt at an operating current of 1 ampere.
別の局面において、本発明は、白色発光ダイオードベースのランプであり、該白色発光ダイオードベースのランプは発光ダイオードを含み、該発光ダイオードは、電磁スペクトルの紫外線、青および紫の部分から選択されるスペクトルの部分で発光する。くぼんだヘッダはダイオードを支持し、該くぼみは、くぼみ内のダイオードからの光の抽出を最大化する形状を有する。カプセル化樹脂の第1の部分は、くぼみ内でダイオードを覆うが、くぼみの残りを満たさない。カプセル化樹脂と蛍光体との混合物で形成される第2の部分は、くぼみの残りの部分を満たし、それにより蛍光体含有部分をダイオードから充分に離すことにより、そうでなければ抽出される蛍光体からの光をダイオードが吸収することを防止する。レンズは、満たされたくぼみ上にあり、ランプからの光の抽出を増加させ、かつ、最大化するために、カプセル化樹脂で形成されている。 In another aspect, the invention is a white light emitting diode based lamp, the white light emitting diode based lamp including a light emitting diode, the light emitting diode being selected from the ultraviolet, blue and violet portions of the electromagnetic spectrum. Emits light in the part of the spectrum. The recessed header supports a diode, which has a shape that maximizes the extraction of light from the diode in the recess. The first portion of encapsulating resin covers the diode within the recess but does not fill the remainder of the recess. The second part formed with the mixture of encapsulating resin and phosphor fills the remaining part of the well, thereby separating the phosphor-containing part sufficiently away from the diode, otherwise extracted fluorescence. Prevents the diode from absorbing light from the body. The lens is on a filled indentation and is formed of encapsulating resin to increase and maximize light extraction from the lamp.
別の局面において、本発明は、高効率の白色発光半導体ベースのランプを形成する方法である。この局面において、該方法は、電気的接触と反射性の裏面および構造とを提供するために、ヘッダの基部の中にカップ形状のくぼみを形成するステップと、くぼみ内に高周波発光ダイオードを配置し、ダイオードを絶縁されたリードに電気的に接続するステップと、カップを満たすことなく、チップを覆うために充分なカプセル化材料でくぼんだカップを部分的に満たすステップと、部分的に満たされたカプセル化材料を硬化するステップと、カプセル化材料とダイオードによって生成される周波数に対して応答する蛍光体との混合物で、カップの残りを満たし、それによりダイオードとの直接的な接触から蛍光体を分離し、それによりりん光性の光のダイオードによる吸収を最小化するステップと、カップ内の残りのカプセル化材料を硬化させるステップと、カップ内の硬化された材料上でカプセル化材料の固体レンズを形成し、ダイオードからの光の抽出を強化するステップと、レンズ材料を硬化させて、完成したランプを形成するステップと含む。 In another aspect, the present invention is a method of forming a high efficiency white light emitting semiconductor-based lamp. In this aspect, the method includes forming a cup-shaped recess in the base of the header to provide electrical contact and a reflective back surface and structure, and placing a high frequency light emitting diode in the recess. Electrically connecting the diode to the insulated leads; partially filling the recessed cup with encapsulating material sufficient to cover the chip without filling the cup; and partially filled Filling the rest of the cup with a mixture of the encapsulating material and the phosphor that responds to the frequency produced by the diode with the encapsulating material, thereby filling the phosphor from direct contact with the diode Separating and thereby minimizing the absorption of phosphorescent light by the diode and curing the remaining encapsulated material in the cup Forming a solid lens of encapsulated material on the cured material in the cup to enhance light extraction from the diode; curing the lens material to form a finished lamp; Including.
本発明の上記および他の対象および利点と、同じ結果が達成される方法が、添付の図面と共に挙げられる以下の詳細な記述に基づいてさらに明確になる。 The above and other objects and advantages of the invention and the manner in which the same results are achieved will become more apparent based on the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
本発明は、高効率の白色発光ソリッドステートランプである。本発明に従ったランプは、20ミリアンペア(mA)の駆動電流において、1ワット(W)当たり少なくとも75ルーメンの出力によって特徴付けられている。 The present invention is a highly efficient white light emitting solid state lamp. A lamp according to the invention is characterized by an output of at least 75 lumens per watt (W) at a drive current of 20 milliamps (mA).
本明細書において報告される測定の単位は、従来的なものであり、充分に理解されている。従って、光束測定値は光度測定の単位であり、ルーメンで測定される。同一ではないが、対応する放射分析測定値は、ワットで測定される放射束である。本明細書において、効率はダイオードを横切る電流に基づいてワット単位の光束として示され、ミリアンペアで最も頻繁に示される。 The units of measurement reported herein are conventional and well understood. Therefore, the measured light flux is a unit of photometric measurement and is measured in lumens. Although not identical, the corresponding radiometric measurement is the radiant flux measured in watts. In this specification, efficiency is shown as luminous flux in watts based on the current across the diode, most often in milliamps.
用語「外部量子効率」は、電流の流れに対する発光強度の割合(例えば、出て行く光子/入ってくる電子)を記述するために使用される。光子は半導体材料自体内では吸収によって失われ、光が半導体から空気へと通過するときには、屈折率の差により反射光の喪失を通じて失われ、そしてスネルの法則によって定義される臨界角よりも大きい角度での光の内部反射によって失われ得る。従って、割合としての外部量子効率(EQE)は、次式に従って、放射束(ワット)、波長(ナノメートル)、駆動電流(アンペア)、および波長とエネルギー(λ=1.24/eV)との間の転換係数から計算され得る: The term “external quantum efficiency” is used to describe the ratio of emission intensity to current flow (eg, outgoing photons / incoming electrons). Photons are lost by absorption in the semiconductor material itself, when light passes from the semiconductor to the air, it is lost through loss of reflected light due to the difference in refractive index, and an angle greater than the critical angle defined by Snell's law Can be lost due to internal reflection of light. Thus, the external quantum efficiency (EQE) as a percentage is the radiant flux (watts), wavelength (nanometers), drive current (amperes), and wavelength and energy (λ = 1.24 / eV) according to the following equation: Can be calculated from the conversion factor between:
第1の実施形態において、ランプは、発光ダイオード(「ダイ」または「チップ」とも呼ばれる)と、カプセル用材と、ヘッダとを含む。ダイオードは、電気的接点のための導電性シリコンカーバイド基板と、ダイオードを横切る電流の適用下での所望の周波数の光子を生成するためのシリコンカーバイド基板上のIII族の窒化物活性部分とを含む。 In a first embodiment, the lamp includes a light emitting diode (also referred to as a “die” or “chip”), an encapsulant, and a header. The diode includes a conductive silicon carbide substrate for electrical contact and a group III nitride active portion on the silicon carbide substrate for generating photons of a desired frequency under application of current across the diode. .
ヘッダは、ダイオードを支えるための、およびダイオードと活性部分とに電気的接点を提供するための反射カップを含む。
蛍光体がダイオードによって発せられた周波数によって励起されるときに、カプセル用材の少なくとも一部分は、可視波長域での応答周波数を生成するための蛍光体を含む。
The header includes a reflective cup for supporting the diode and for providing an electrical contact between the diode and the active part.
When the phosphor is excited by the frequency emitted by the diode, at least a portion of the encapsulant includes a phosphor for generating a response frequency in the visible wavelength range.
図1は、これらの特徴のうちの一部を図示している概略図である。図1において、ダイオードは、概略的に20で示されている。発光ダイオードは、概略的に21で示されており、ヘッダ24内のくぼみ(またはカップ)22内に配置されており、該ヘッダ24は図3で最良に図示されている。図2は、これらの要素を上面方向から図示している。くぼみ22は、ダイオード21からの光の抽出を最大化する機能的形状を有する。好適な実施形態において、くぼみ22は、フラストコニカル(frustconical)な形状を有する。すなわち、円形フロアは、平行なより大きい円形開口26に面し、開口26とフロア25との間に傾斜壁27を有する。壁27の正確な角度は、個々のチップ設計からの光の抽出を最大化するために選択および設計され得るが、本発明においては、壁は、最も好適には、フロア25に対して約45度〜60度の間の角度で配置される。好適な実施形態において、くぼんだカップ22は、反射性金属、最も好適には銀(Ag)でコーティングされる。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating some of these features. In FIG. 1, the diode is schematically indicated at 20. The light emitting diode is indicated generally at 21 and is located in a recess (or cup) 22 in the
図1に図示されている本発明の実施形態において、カプセル用材は3つの部分を有する。カプセル用材の第1の部分は、一般的には、エポキシ樹脂であり、30で示されており、カップ22の全てではないが一部を満たしている。特に、第1の部分は、ダイオード21を覆い、その上に延伸している。カプセル用材31の第2の部分は、樹脂(光学的な目的のために、通常は同じ樹脂)と蛍光体との混合物で形成されている。この第2の部分は、カップ22の残りの部分を満たし、それにより蛍光体含有部分31をダイオード21から充分に離すことにより、ダイオードに吸収される(従って無駄にされる)蛍光発光の量を最小化する。
In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 1, the encapsulant has three parts. The first portion of the capsule material is typically an epoxy resin and is indicated at 30 and fills some but not all of the
言い換えると、蛍光体からの発光に関しては、ダイオードは発せられた光に対する単なる障害物である。ダイオードを蛍光体から離すことは、そうしなければ生じるこの望まれない影響を最小化する。 In other words, with respect to light emission from the phosphor, the diode is simply an obstacle to the emitted light. Keeping the diode away from the phosphor minimizes this unwanted effect that would otherwise occur.
カプセル用材32の第3の部分は、ランプからの光の抽出を最大化および増加させるために、満たされたカップ22上に、多くの場合において半球形状であるレンズを形成する。
The third portion of the encapsulant 32 forms a lens, often hemispherical, on the filled
本発明の特定の実施形態において、ランプ20は、20ミリアンペアの駆動電流において、1ワット当たり少なくとも75ルーメン、さらに一部の場合において、20ミリアンペアの駆動電流において、1ワット当たり80ルーメン、一部の場合において、20ミリアンペアの駆動電流において、1ワット当たり少なくとも85ルーメンの出力を生成し得る。
In certain embodiments of the invention, the
他の駆動電流において、本発明に従ったダイオードは、350ミリアンペアの動作電流において1ワット当たり少なくとも57ルーメンの白色光を示し、1アンペアの動作電流において1ワット当たり少なくとも142ルーメンの白色光も示した。 At other drive currents, the diode according to the present invention exhibited at least 57 lumens of white light per watt at an operating current of 350 milliamps and also exhibited at least 142 lumens of white light per watt at an operating current of 1 ampere. .
カプセル用材の構造に加えて、本発明は、特許、公開された出願、同時係属出願においてさらに詳細に記述される特定の成果を利用し、該特許、公開された出願、同時係属出願は、本明細書において引用され、かつ、参考として援用される。 In addition to the structure of the capsule material, the present invention takes advantage of specific achievements described in more detail in patents, published applications, and co-pending applications. Cited in the specification and incorporated by reference.
好適な実施形態において、ダイオード21は、限定するわけではないが、本発明の譲受人であるCree Inc. of Durham North Carolinaから入手可能であるXT290およびXB900シリーズの発光ダイオードの範疇に入る。これらのダイオードは、図1において33で図示されている導電性シリコンカーバイド基板を含み、該導電性シリコンカーバイド基板は、少なくとも1つのp型のIII族の窒化物層34および少なくとも1つのn型のIII族の窒化物層35、好適にはInGaNと結合されている。1つの抵抗性接点36がシリコンカーバイド基板33に作られ、別の抵抗性接点37が適切なIII族の窒化物層に作られる。
In a preferred embodiment,
XT290チップは、約115μの厚さを有する300x300ミクロン(μ)のフットプリントを有する。XB900チップは明らかに大きく、900x900μのフットプリントと約250μの厚さを有する。従って、この用語は幾分独断的に使用されるものであるが、XB900チップは、より「パワーのある」設計を表す。商業的な使用における2つのチップ間のように、より大きいサイズのXB900チップは、作業照明、野外照明、および信号の色を含む一般的な照明に対する魅力的な候補となり、より小さいサイズのXT290チップは、携帯電話、デジタルカメラにおけるバックライト、計器灯、音声および映像デバイスにおける表示灯のような低電圧の用途にとって有益となる。 The XT290 chip has a 300 × 300 micron (μ) footprint with a thickness of approximately 115 μ. The XB900 chip is clearly large and has a 900 × 900μ footprint and about 250μ thickness. Thus, although the term is used somewhat arbitrarily, the XB900 chip represents a more “powered” design. Like between two chips in commercial use, the larger sized XB900 chip is an attractive candidate for general lighting, including work lighting, outdoor lighting, and signal colors, and the smaller XT290 chip. Is beneficial for low voltage applications such as backlights in cell phones, digital cameras, instrument lights, indicator lights in audio and video devices.
性能的な観点からは、XB900シリーズは、500ミリアンペアのピーク順方向電流を有する400ミリアンペアの順方向電流において動作し得るが、より小さいXT290チップは、30ミリアンペアの最大順方向電流の定格および100ミリアンペアのピーク順方向電流を有する。 From a performance standpoint, the XB900 series can operate at a forward current of 400 milliamps with a peak forward current of 500 milliamps, while the smaller XT290 chip has a maximum forward current rating of 30 milliamps and a 100 milliamp. Peak forward current.
好適な実施形態において、かつ、例示的なXT290およびXB900シリーズのチップと同じように、チップ21は、「フリップチップ」な方向にあり、該「フリップチップ」な方向において、基板33は上方向に(レンズ32に向かって)面し、活性層34および35は、カップ22に隣接している。いくつかの援用される参考において述べられるように、この設計は光の抽出を増加させることを助け得る。好適な例において、シリコンカーバイドの特性により、シリコンカーバイド基板は通常はn型であり、隣接するIII族の窒化物層35も同様である。次に、別のIII族の窒化物層34はp型であり、電流を注入しキャリアを再結合するためにp−n接合を形成する。基板がn型であるとき(一般的ではあるが、排他的ではない)に、p型層34は、抵抗性接点37に接触し、次にカップ22に接触する。リードワイヤ40および41は、他のデバイスまたは回路との外部接続のための手段を示すように、概略的に図面に含まれている。
In the preferred embodiment, and like the exemplary XT290 and XB900 series chips, the
発光ダイオードの詳細な構造に詳しい当業者によって理解されることは、「上に」は、互いに直接的に接触している構造的な要素(一般的には、半導体または金属の層)を記述し得るが、デバイスの全体的な機能を強化することに役立つ中間の層または構造を含むような構造も同様であるということである。従って、本明細書においてシリコンカーバイド基板の「上に」あると記述されているとしても、III族の窒化物層は、多くの場合に、基板と活性層との間の電子的構造および結晶構造の両方の転移を強化する緩衝層を伴う。同様に、これらのダイオードのp型層は、一般的には、2つの部分で形成され、1つの部分は半導体と金属との間の抵抗性接点を強化するために比較的適しており、該金属は接点を形成する。 Those skilled in the art who are familiar with the detailed structure of light emitting diodes will understand that “on” describes the structural elements (typically semiconductor or metal layers) that are in direct contact with each other. The same is true for structures that include intermediate layers or structures that help enhance the overall functionality of the device. Thus, even though it is described herein as “on” a silicon carbide substrate, the Group III nitride layer is often the electronic and crystalline structure between the substrate and the active layer. With a buffer layer that enhances both transitions. Similarly, the p-type layers of these diodes are generally formed of two parts, one part being relatively suitable for strengthening the resistive contact between the semiconductor and the metal, The metal forms a contact.
さらに、発光ダイオードの基本的構造はp型層およびn型層に基づいているが、当業者が認識すべきは、層は、複数の配置、例えば複数の量子井戸および超格子構造を含み得るということである。本発明を正確に記述するために、理解されるべきは、これらの特徴が本発明に組み込まれ得るが、本明細書においては詳細に記述されないということである。 Furthermore, although the basic structure of a light emitting diode is based on p-type and n-type layers, it should be appreciated by those skilled in the art that a layer can include multiple arrangements, such as multiple quantum wells and superlattice structures. That is. In order to accurately describe the present invention, it should be understood that these features may be incorporated into the present invention but are not described in detail herein.
さらに好適な実施形態において、ダイオード21は、抵抗性接点36および37を含む、それらの間の全体の大きさがわずか約250ミクロン(μ)である。さらに好適な実施形態において、これらの大きさは、わずか約100ミクロンである。これらの薄いチップは、照明目的のため、および小さいディスプレー、例えば携帯電話、デジタルカメラおよび携帯端末における使用のための光抽出幾何配置において一定の利点を提供する。
In a more preferred embodiment,
チップ21のサイズを減少させ、光の抽出を増加させるさらなる方法として、本発明は薄い抵抗性接点を組み込み、該薄い抵抗性接点は、好適には、平均の厚さが約1〜250オングストローム(Å)の間であり、最も好適には、約1〜10Åの間である。
As a further method of reducing the size of
白色光は他の色の組み合わせであり、かつ、本発明のランプにおいて使用されるダイオードは、一般的には、電磁スペクトルの紫外線、紫、青の部分で発光するので、電磁スペクトルの紫外線、紫、青の部分でのダイオードからの発光により励起されるときに、第2の樹脂部分31に含まれる蛍光体は、可視スペクトルの黄色部分における応答周波数を発するように選択される。
White light is a combination of other colors, and the diodes used in the lamps of the present invention typically emit in the ultraviolet, violet, and blue portions of the electromagnetic spectrum, so the ultraviolet, purple, and violet wavelengths of the electromagnetic spectrum. When excited by light emitted from the diode in the blue part, the phosphor contained in the
セシウムイットリウムアルミニウムガーネット(「Ce:YAG」、Y3Al5O12:Ce+3)は、この目的に適した蛍光体である。本発明に有益であるダイオードに応答する黄色/緑色発光蛍光体を含む他の物質が、限定ではなく例として、同一出願人による米国特許出願公開第US2004/0012027号のパラグラフ51〜69および74〜75において述べられている。 Cesium yttrium aluminum garnet (“Ce: YAG”, Y 3 Al 5 O 12 : Ce +3 ) is a suitable phosphor for this purpose. Other materials including yellow / green emitting phosphors that respond to diodes that are useful in the present invention include, but are not limited to, US Pat. Appl. No. US 2004/0012027, paragraphs 51-69 and 74- 75.
カプセル材料と混合される蛍光体の割り当て量は、過度な実験をすることなしに、当業者によって決定され得る。当該分野において概ね認識されているように、目的は、変換される光の量を最大化するが、同時に、蛍光体によってただ遮られるのみの光の量を最小化し、カプセル用材の構造的完全性を妨げることを回避することである。適切な量が過度な実験をすることなく当業者によって選択され得る。 The amount of phosphor mixed with the encapsulant can be determined by one skilled in the art without undue experimentation. As is generally recognized in the art, the goal is to maximize the amount of light that is converted, but at the same time minimize the amount of light that is only blocked by the phosphor, and the structural integrity of the encapsulant. Is to avoid disturbing. An appropriate amount can be selected by one skilled in the art without undue experimentation.
さらに、蛍光体の粒子の物理的サイズは、ダイオードからの光の蛍光体の変換およびランプのパッケージからのりん光性の光の抽出の両方の効率に(有利にも不利にも)影響し得る。本発明の好適な実施形態において、蛍光体の粒子のサイズは、過度な実験をすることなく当業者によって選択され得るが、好適には、平均的なサイズの範囲は、粒子単位で約0.001ミクロンから20ミクロンの間である。 Further, the physical size of the phosphor particles can affect (advantageously or unfavorably) the efficiency of both the phosphor conversion of light from the diode and the extraction of phosphorescent light from the lamp package. . In preferred embodiments of the present invention, the size of the phosphor particles can be selected by one skilled in the art without undue experimentation, but preferably the average size range is about 0. Between 001 and 20 microns.
所望される場合には、カプセル用材はまた散乱材料を含み得、該散乱材料の性質および機能は、当該分野において概ね充分に理解されている。関連する説明は、米国特許出願公開20040012027号のパラグラフ101および102において述べられている。 If desired, the encapsulant may also include a scattering material, and the nature and function of the scattering material is generally well understood in the art. Related descriptions are set forth in paragraphs 101 and 102 of US Patent Application Publication No. 2004012027.
図8は、本発明に従ったダイオードから取得されたスペクトルであり、約455ナノメートル(nm)におけるダイオードの発光、および蛍光体によって発せられた比較的広い範囲(約490〜700nm)の発光を示す。 FIG. 8 is a spectrum obtained from a diode according to the present invention, showing the emission of the diode at about 455 nanometers (nm) and the relatively broad range (about 490-700 nm) emitted by the phosphor. Show.
図2および図3は、ヘッダ24およびカップ25の上面および断面を図示している。特に図3を参照すると、例示的な実施形態において、フロア25の直径は約0.064インチ(0.163cm)であり、開口26の直径は約0.124インチ(0.315cm)であり、カップ22の深さは約0.030インチ(0.76cm)であり、壁27は、45度の角度で配向されている。ヘッダ24の外寸はあまり重要ではない。なぜならば、蛍光体層は、カップ22の中でほぼ維持されているからである。しかしながら、T039トランジスタ型ヘッダは、くぼんだカップ22を担持するために充分であることが分かった。チップ21の適切な配置を獲得するために、フロア25は、0.001の平面度を有するべきであり、全ての寸法の公差は、0.005インチ(0.013cm)以内であるべきである。鉄−ニッケル−コバルトの合金、例えば、Kovar(登録商標)は、(限定するわけではないが)ヘッダのための例示的な材料である。
2 and 3 illustrate the top surface and cross-section of the
図4および図5は、本発明に従ったランプのさらなる断面概略図である。図4は、概略的に44で示されているスラグ型のパッケージを図示している。カプセル用材は、図1にさらに詳細に示されているものと同じ3つの部分を形成することが理解されるが、カプセル用材は単一の部分45として示されている。ダイオードは、やはり概略的に21で示されており、カップは概略的に22で示され、ヘッダは24で示されている。図4はまた、リードワイヤ40および41を図示している。
4 and 5 are further cross-sectional schematic views of a lamp according to the present invention. FIG. 4 illustrates a slag type package, indicated generally at 44. While the encapsulant is understood to form the same three parts as shown in greater detail in FIG. 1, the encapsulant is shown as a
図5は、概略的に47に示され、カプセル用材50がヘッダカップを完全に囲まれているカップ型パッケージを図示しており、該ヘッダカップは、区別の目的のために51で示されている。また理解されるべきは、カプセル用材50は3つの部分で形成されており、カップ内の第1の部分はダイオード21を覆っており、第2の部分はカップの残りの部分を満たし、蛍光体と混合しており、第3の部分はレンズを形成するということである。図1および図4と同じように、図5はまた、電気リードワイヤ40および41を図示している。
FIG. 5 schematically illustrates a cup-type package, indicated generally at 47, in which the encapsulating
図6〜図10は、本発明に従ったダイオードおよびランプの一部の性能特性を図示している。図6、図7および図8は、本発明に従った高効率のXT290ベースの白色ランプに関するデータを描き、図9および図10は、本発明に従ったXB900ベースの白色ランプに関する同様なデータを描いている。 6-10 illustrate some performance characteristics of diodes and lamps according to the present invention. 6, 7 and 8 depict data for a high efficiency XT290 based white lamp according to the present invention, and FIGS. 9 and 10 depict similar data for an XB900 based white lamp according to the present invention. I'm drawing.
図6は、共通の横座標に対する2つの異なる縦座標を描いている。左側の縦座標は1ワット当たりのルーメンで有効性(効率)を示し、白い(open)四角形と接続線でプロットされている。右側の縦座標は、ルーメンで測定された出力束を示し、黒いダイヤモンド形と接続線でプロットされている。それぞれの線は、異なる2つの縦座標に対して描かれているので、図6の線の明確な収束は特に意味を有しない。 FIG. 6 depicts two different ordinates for a common abscissa. The left ordinate shows effectiveness (efficiency) in lumens per watt, plotted with open squares and connecting lines. The ordinate on the right shows the output flux measured in lumens, plotted with black diamond shapes and connecting lines. Since each line is drawn for two different ordinates, the clear convergence of the lines in FIG. 6 has no particular meaning.
図7は、本発明に従った複数の白色発光ランプの発光のグラフであり、CIEのカラーチャート(図11および図12)からのx軸およびy軸を使用して描かれている。ランプの全ては、1ワット当たり75ルーメンの効率を有し、黒体曲線と比較して示されている。 FIG. 7 is a graph of the emission of a plurality of white light-emitting lamps according to the present invention, drawn using the x and y axes from the CIE color chart (FIGS. 11 and 12). All of the lamps have an efficiency of 75 lumens per watt and are shown compared to the blackbody curve.
先に示したように、図8は、本発明に従ったランプに関する、ナノメートル(nm)単位の波長に対する任意の単位での強度に関するグラフである。図8は、ダイオードの455ナノメートルに特性的な鋭いピークを有する発光、および約500〜700nmの間の周波数範囲にわたる蛍光体の比較的幅の広い発光を図示している。 As indicated above, FIG. 8 is a graph of intensity in arbitrary units versus wavelength in nanometers (nm) for a lamp according to the present invention. FIG. 8 illustrates the emission of the diode with a characteristic sharp peak at 455 nanometers and the relatively broad emission of the phosphor over the frequency range between about 500-700 nm.
図9は、図6と同様のグラフであるが、XB900を使用するランプから獲得されたものである点で異なる。図9も、偶発的に、ルーメン(濃い四角形)および1ワット当たりのルーメン(黒いダイヤモンド形)を同じ軸で描いている。従って、2つのグラフの交差も、偶然である。 FIG. 9 is a graph similar to FIG. 6 except that it is obtained from a lamp using XB900. FIG. 9 also accidentally depicts lumens (dark squares) and lumens per watt (black diamond shape) on the same axis. Therefore, the intersection of two graphs is also a coincidence.
図10は、図7と同様のグラフであるが、より大きいフットプリントのXB900ダイオードを使用している点で異なる。図10も、CIE座標の点および黒体曲線との比較で、本発明に従ったランプからの白色光の出力を比較する。 FIG. 10 is a graph similar to FIG. 7, except that a larger footprint XB900 diode is used. FIG. 10 also compares the white light output from the lamp according to the invention in comparison with the CIE coordinate point and the blackbody curve.
図11(Luminal Path Corporation、www.photo.net)および図12(Graphics、FS Hill)は、図11上に重ねられた黒体放射曲線を有するCIEカラーチャートの代表的なバージョンである。図12は、グラフィックの観点から有用である。なぜならば、様々な色が、影の付けられたエリアよりも、線と文字によって描かれているからである。 FIG. 11 (Luminal Path Corporation, www.photo.net) and FIG. 12 (Graphics, FS Hill) are representative versions of a CIE color chart with blackbody radiation curves superimposed on FIG. FIG. 12 is useful from a graphic point of view. This is because various colors are drawn with lines and characters rather than shaded areas.
さらに別の局面において、本発明は高効率の白色発光半導体ベースのランプを形成する方法である。この局面において、該方法は、カップ形状のくぼみをヘッダの中に形成することにより、電気的接点と反射性の背景構造を提供することを包含する。高周波数の範囲内(紫外線、紫、青)で発光する高周波発光ダイオードは、くぼみの中に配置され、絶縁されたリードに電気的に接触する。 In yet another aspect, the present invention is a method of forming a high efficiency white light emitting semiconductor based lamp. In this aspect, the method includes providing an electrical contact and a reflective background structure by forming a cup-shaped recess in the header. A high frequency light emitting diode emitting in the high frequency range (ultraviolet, purple, blue) is placed in the recess and makes electrical contact with the insulated leads.
次に、くぼんだカップは、チップを覆うには充分であるが、カップは満たさない量の、(澄んだ/透明な/適切な)カプセル化材料(通常、無色であり、ほとんどの可視周波数に対して実質的に透過性がある)で部分的に満たされている。部分的に満たされたカプセル化材料は硬化され、それに続き、カップの残りが、カプセル化材料とダイオードによって生成された周波数に対して応答する蛍光体との混合物で満たされる。これは、ダイオードとの直接的な接触から蛍光体を分離し、それにより動作中の蛍光性の光のダイオードによる吸収を最小化する。カップ内の残りのカプセル化材料は硬化され、それに続き、カプセル化材料の三次元幾何形状の固体レンズが、カップ内の硬化された材料上で形成される。次に、レンズ材料が硬化されて、完成したランプを形成する。 Second, the recessed cup is sufficient to cover the chip, but the cup does not fill the (clear / transparent / suitable) encapsulant (usually colorless and at most visible frequencies) Partly filled). The partially filled encapsulant material is cured, followed by filling the remainder of the cup with a mixture of encapsulant material and phosphor that responds to the frequency generated by the diode. This separates the phosphor from direct contact with the diode, thereby minimizing absorption of the fluorescent light during operation by the diode. The remaining encapsulated material in the cup is cured, followed by the formation of a three-dimensional geometric solid lens of encapsulated material on the cured material in the cup. The lens material is then cured to form the finished lamp.
本発明のデバイスの局面におけるように、カップ内に配置されるダイオードは、好適には、少なくとも導電性シリコンカーバイド基板およびIII族の窒化物の少なくとも1つの活性部分を垂直な方向で含む。 As in the device aspect of the present invention, the diode disposed in the cup preferably includes at least a conductive silicon carbide substrate and at least one active portion of a group III nitride in a vertical direction.
用語「垂直」は、本明細書において、発光ダイオードに関しては従来的な意味で使用され、デバイスへの抵抗性接点がデバイスの反対側の端に配置され得るということを意味する。導電性のシリコンカーバイド基板の有用性は、発光ダイオードの実用に概ねより適した垂直な配置を可能にし、さらに、垂直な配置は、サファイア(Al2O3)のような非導電性の基板上で形成される同様なダイオードにも必要とされている。非導電性の基板を使用するときに、ダイオードのp型およびn型の部分へのそれぞれの抵抗性接点は、一部のタイプの互いに横に並んだ配置にされるべきであり、その結果として、ダイオードのフットプリントは増加する。そして、他の不利な点に加えて、フットプリントを増加させることは、単位面積あたりのダイオードの出力を減少させる。 The term “vertical” is used herein in the conventional sense with respect to light emitting diodes, meaning that a resistive contact to the device may be located at the opposite end of the device. The usefulness of the conductive silicon carbide substrate allows a vertical arrangement that is generally more suitable for practical use of light emitting diodes, and the vertical arrangement is on a nonconductive substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ). There is also a need for similar diodes formed in When using a non-conductive substrate, the respective resistive contacts to the p-type and n-type portions of the diode should be placed side-by-side in some type, and as a result The diode footprint increases. And, in addition to other disadvantages, increasing the footprint reduces the output of the diode per unit area.
光の抽出を強化するために、本発明の方法の局面は、III族の窒化物層とは反対側にあるシリコンカーバイド基板の表面をエッチングすることを組み込んでおり、該方法は、水性エッチングを使用して基板の損傷した部分を取り除くことにより、その結果としてのダイオードおよびランプからの光の抽出を増加させる。 In order to enhance light extraction, an aspect of the method of the present invention incorporates etching the surface of the silicon carbide substrate opposite the Group III nitride layer, the method comprising aqueous etching. Use to remove the damaged portion of the substrate, thereby increasing the extraction of light from the resulting diodes and lamps.
各ステップにおいてカプセル化に使用される樹脂は、好適には、エポキシ樹脂であり、エポキシ樹脂は、1.0よりも大きい屈折率、さらに好適には、1.5よりも大きい屈折率を有する。概ね光学分野、特に、発光ダイオードおよびランプに詳しい当業者には公知であるように、レンズ材料は空気よりも大きい屈折率を有するので、ダイオードが空気に接する場合よりも、レンズはダイオードからより多くの光を抽出する。 The resin used for encapsulation in each step is preferably an epoxy resin, and the epoxy resin has a refractive index greater than 1.0, more preferably a refractive index greater than 1.5. As is generally known to those skilled in the optical field, particularly those familiar with light emitting diodes and lamps, the lens material has a refractive index greater than air, so that the lens is more from the diode than if the diode is in contact with air. Extract the light.
レンズ構造はまた、同一出願人による米国特許第6,791,119号において述べられている方法で改変され得る。
所望されるか、または必要である場合に、カプセル用材は、同一出願人による同時係属の米国特許出願公開第2004/0227149号において記述されている方法で設置され、かつその材料で形成され得る。
The lens structure can also be modified in the manner described in commonly assigned US Pat. No. 6,791,119.
If desired or necessary, the capsule material may be installed and formed of the material described in co-pending US Patent Application Publication No. 2004/0227149 by the same applicant.
本発明に従ったランプのダイオード部分はまた、同一出願人による米国特許第6,614,056号において述べられている改良型電流拡散構造を組み込み得る。
本発明の主要な構成要素は、青色(455〜465nm)LEDチップの性能であり、青色LEDチップのウォールプラグ効率(wall plug efficiency)(外部量子効率と電圧の組み合わせ)は、本明細書で述べられている白色ランプの性能を達成するために充分に高くなければならない。20mAで動作する300μx300μのチップに関しては、一般的な外部量子効率および電圧は、それぞれ44%および3.1Vである。350mAで動作する900μx900μのチップに関しては、一般的な外部量子効率および電圧は、それぞれ31%および3.2Vである。両方の場合において、データは、パッケージされた(カプセル化された)チップに関するものである。
The diode portion of the lamp according to the present invention may also incorporate the improved current spreading structure described in commonly assigned US Pat. No. 6,614,056.
The main component of the present invention is the performance of the blue (455-465 nm) LED chip, and the wall plug efficiency (combination of external quantum efficiency and voltage) of the blue LED chip is described herein. It must be high enough to achieve the performance of the white lamp that is being used. For a 300
本明細書において言及される場合に、LEDのウォールプラグ効率は、LEDの注入効率(デバイスの光生成領域において再結合するキャリアの数に対するデバイスに注入されたキャリアの数の割合)と、LEDの発光効率(電子ホールの再結合の全体の数に対する発光現象に至った電子ホールの再結合の割合)と、LEDの抽出効率(形成された光子全体の数に対するLEDから抽出された光子の割合)との結果である。デバイスのウォールプラグ効率はまた、デバイスの中を通される電気的なワット数に対するデバイスから出力される光学的なワット数の割合として定義される。 As referred to herein, the wall plug efficiency of an LED is the LED injection efficiency (ratio of the number of carriers injected into the device relative to the number of carriers recombined in the device's light generation region) and the LED's Luminous efficiency (ratio of recombination of electron holes that led to the light emission phenomenon relative to the total number of recombination of electron holes) and extraction efficiency of LED (ratio of photons extracted from LED to the total number of photons formed) Is the result. The wall plug efficiency of a device is also defined as the ratio of the optical wattage output from the device to the electrical wattage passed through the device.
(実験)
XT290チップは、銀メッキされたT039ヘッダ上に設置された。カップ形状のくぼみは機械加工されてヘッダの基部となり、チップはくぼみの基部の中央に配置された。ワイヤが絶縁されたリードに結合されたあとに、カップは澄んだカプセル化材料で部分的に満たされており、該澄んだカプセル化材料は、チップを覆うが、カップを満たしてはいない。OS1600(Henkel LocTite Corporation、Rocky Hill Connecticut)の澄んだエポキシが、カプセル化のために使用され、そのエポキシの反射率は、約1.5であった。第1の硬化の後で、カップの残りの部分は、Ce:YAG蛍光体(PhosphorTech Corporation Lithia Springs、GA 30122)とOS1600エポキシとの混合物で満たされており、第2の硬化へと続く。Ce:YAG蛍光体の濃度は、黒体曲線に近い色点を生じるように選ばれた。次に、ヘッダは、チップを下に向けて、より多くOS1600エポキシで満たされた半球形のモールドの中に配置され、次に、第3かつ最後の硬化へと続く。完成したランプは、10インチの球形である点で特徴付けられ(Labsphere)、該完成したランプは、NIST由来の光源に対応させている。20mAの駆動電流において、ランプの光束は5ルーメンを上回り、1ワット当たり75ルーメン以上の効率を有する。
(Experiment)
The XT290 chip was placed on a silver plated T039 header. The cup-shaped depression was machined to become the base of the header, and the chip was placed in the center of the depression base. After the wire is bonded to the insulated lead, the cup is partially filled with a clear encapsulant that covers the chip but does not fill the cup. A clear epoxy of OS 1600 (Henkel LocTite Corporation, Rocky Hill Connecticut) was used for encapsulation, and the epoxy reflectivity was about 1.5. After the first cure, the remaining portion of the cup is filled with a mixture of Ce: YAG phosphor (PhosphorTech Corporation Lithia Springs, GA 30122) and OS 1600 epoxy, and continues to the second cure. The concentration of Ce: YAG phosphor was chosen to produce a color point close to a blackbody curve. The header is then placed with the chip facing down in a hemispherical mold filled with more OS1600 epoxy, and then continues to the third and final cure. The completed lamp is characterized by being a 10 inch sphere (Labsphere), and the completed lamp corresponds to a light source derived from NIST. At a drive current of 20 mA, the luminous flux of the lamp exceeds 5 lumens and has an efficiency of 75 lumens or more per watt.
第2のテストにおいて、XB900チップは、銀メッキされたT039ヘッダ上に設置された。カップ形状のくぼみは機械加工されてヘッダの基部となり、チップはくぼみの基部の中央に配置された。ワイヤが絶縁されたリードに結合されたあとに、カップは澄んだカプセル化材料で部分的に満たされており、該澄んだカプセル化材料は、チップを覆うが、カップを満たしてはいない。OS1600の澄んだエポキシが、カプセル化のために使用された。第1の硬化の後で、カップの残りの部分は、Ce:YAG蛍光体とOS1600エポキシとの混合物で満たされており、第2の硬化へと続く。次に、ヘッダは、チップを下に向けて、より多くOS1600エポキシで満たされた半球形のモールドの中に配置され、次に、第3かつ最後の硬化へと続く。Ce:YAG蛍光体の濃度は、黒体曲線に近い色点を生じるように選ばれた。次に、ヘッダは、チップを下に向けて、より多くOS1600エポキシで満たされた半球形のモールドの中に配置され、次に、第3かつ最後の硬化へと続く。完成したランプは、10インチの完全な球形である点で特徴付けられる。350mAの駆動電流において、ランプの光束は60ルーメンを上回り、1ワット当たり50ルーメン以上の効率を有する。 In the second test, the XB900 chip was placed on a silver plated T039 header. The cup-shaped depression was machined to become the base of the header, and the chip was placed in the center of the depression base. After the wire is bonded to the insulated lead, the cup is partially filled with a clear encapsulant that covers the chip but does not fill the cup. OS1600 clear epoxy was used for encapsulation. After the first cure, the remaining portion of the cup is filled with a mixture of Ce: YAG phosphor and OS1600 epoxy and continues to the second cure. The header is then placed with the chip facing down in a hemispherical mold filled with more OS1600 epoxy, and then continues to the third and final cure. The concentration of Ce: YAG phosphor was chosen to produce a color point close to a blackbody curve. The header is then placed with the chip facing down in a hemispherical mold filled with more OS1600 epoxy, and then continues to the third and final cure. The finished lamp is characterized in that it is a 10 inch perfect sphere. At a drive current of 350 mA, the luminous flux of the lamp exceeds 60 lumens and has an efficiency of 50 lumens or more per watt.
第3のテストにおいて、XT290チップは、標準的な5mmのリードフレームのカップの中に設置された。蛍光体およびカプセル化材料が、同じ方法で上記のヘッダランプに加えられた。第2の硬化に続き、リードフレームが、弾丸形状のモールド内に配置され、澄んだカプセル用材を用いてオーバーモールドされた。そのようなランプの光束効率は、1ワット当たり75ルーメンを上回った。 In the third test, the XT290 chip was placed in a standard 5 mm leadframe cup. The phosphor and encapsulating material were added to the header lamp in the same way. Following the second cure, the lead frame was placed in a bullet shaped mold and overmolded with a clear encapsulant. The luminous efficiency of such a lamp exceeded 75 lumens per watt.
図面および明細書において、本発明の好適な実施形態が述べられており、特定の用語が使用されているが、それらは概略的かつ記述的な意味のみで使用されており、限定の目的で使用されてなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲において定義される。 In the drawings and specification, preferred embodiments of the invention are described, and specific terms are used, but they are used in a schematic and descriptive sense only and are used for limiting purposes. Rather, the scope of the invention is defined in the claims.
Claims (35)
該ダイオードは、電気的接触のための導電性シリコンカーバイド基板と、
該ダイオードを横切る電流の適用下で所望の周波数の光子を生成するための、該シリコンカーバイド基板上のIII族の窒化物の活性部分とを備え、
該ヘッダは、該ダイオードを支持し、該ダイオードおよび該活性部分に電気的接触を提供するための反射カップを備え、
該カプセル用材は、蛍光体を含み、該蛍光体が該ダイオードによって発せられる周波数によって励起されるときに、応答周波数を生成するために該カプセル用材の少なくとも一部分に存在する、発光ダイオード、カプセル用材、およびヘッダと、
20ミリアンペアの駆動電流において、1ワット当たり少なくとも75ルーメンの出力と
を備えている白色発光ソリッドステートランプ。 A light emitting diode, a capsule material, and a header,
The diode includes a conductive silicon carbide substrate for electrical contact;
An active portion of a group III nitride on the silicon carbide substrate for generating photons of a desired frequency under application of current across the diode;
The header includes a reflective cup for supporting the diode and providing electrical contact to the diode and the active portion;
The encapsulant includes a phosphor, and the phosphor is present in at least a portion of the encapsulant to generate a response frequency when excited by the frequency emitted by the diode; And a header,
A white light emitting solid state lamp having an output of at least 75 lumens per watt at a drive current of 20 milliamps.
該基板上の少なくとも1つのp型のIII族の窒化物層と、
垂直な方向にある該基板上の少なくとも1つのn型のIII族の窒化物層と
を備えている、請求項1に記載のソリッドステートランプ。 A conductive silicon carbide substrate having a single polytype;
At least one p-type group III nitride layer on the substrate;
The solid-state lamp of claim 1, comprising: at least one n-type group III-nitride layer on the substrate in a vertical direction.
電磁スペクトルの紫外線、青および紫の部分から選択されたスペクトルの部分で発光する発光ダイオードと、
該ダイオードを支持しているくぼんだヘッダであって、該くぼみは、該くぼみ内の該ダイオードからの光の抽出を最大化する形状を有する、くぼんだヘッダと、
該くぼみ内で該ダイオードを覆い、該ダイオードを覆うために必要な範囲だけ該くぼみを満たしているカプセル化樹脂の第1の部分と、
該カプセル化樹脂と蛍光体との混合物で形成され、該くぼみの残りの部分を満たし、それにより該蛍光体含有部分を該ダイオードから充分に分離することにより、そうでなければ抽出されることができる蛍光体からの光のダイオードによる吸収を最小化する第2の部分と、
該ランプからの該光の抽出を増加させ、かつ、最大化するための、該カプセル化樹脂で形成された該満たされたくぼみ上のレンズと
を備えている、白色発光ダイオードベースのランプ。 A white light emitting diode based lamp,
A light emitting diode that emits in a portion of the spectrum selected from the ultraviolet, blue and violet portions of the electromagnetic spectrum;
A recessed header supporting the diode, the recess having a shape that maximizes light extraction from the diode in the recess;
A first portion of encapsulating resin that covers the diode within the recess and fills the recess to the extent necessary to cover the diode;
Formed by a mixture of the encapsulating resin and phosphor, filling the remaining part of the well, thereby sufficiently separating the phosphor-containing part from the diode, otherwise extracted. A second portion that minimizes absorption by the diode of light from the possible phosphor;
A white light emitting diode based lamp comprising: a lens on the filled indentation formed of the encapsulating resin to increase and maximize the extraction of the light from the lamp.
導電性ヘッダと、
該ヘッダ上の発光ダイオードであって、シリコンカーバイド基板と、少なくとも1つの窒化インジウムガリウムの活性層と、該基板および該活性層に対して垂直な方向にあり、該ヘッダと電気的に接触している該活性層に抵抗性接触している抵抗性接点とを備えている、発光ダイオードと、
該ダイオードと該ヘッダの少なくとも一部分を覆っているカプセル用材と、
該ダイオードからの発光に応答して可視光を発する、該カプセル用材内の蛍光体と
を備え、
該パッケージされたダイオードは、350mAの動作電流において、1ワット当たり少なくとも57ルーメンの白色光を示す、パッケージされた発光ダイオードランプ。 A packaged light emitting diode lamp,
A conductive header;
A light emitting diode on the header, wherein the substrate is in electrical contact with the silicon carbide substrate, at least one indium gallium nitride active layer, and in a direction perpendicular to the substrate and the active layer; A light emitting diode comprising a resistive contact in resistive contact with the active layer;
Encapsulant covering at least a portion of the diode and the header;
A phosphor in the capsule material that emits visible light in response to light emission from the diode, and
A packaged light emitting diode lamp wherein the packaged diode exhibits at least 57 lumens of white light per watt at an operating current of 350 mA.
導電性ヘッダと、
該ヘッダ上の発光ダイオードであって、シリコンカーバイド基板と、少なくとも1つの窒化インジウムガリウムの活性層と、該基板および該活性層に対して垂直な方向にあり、該ヘッダと電気的に接触している該活性層に抵抗性接触している抵抗性接点とを備えている、発光ダイオードと、
該ダイオードと該ヘッダの少なくとも一部分を覆っているカプセル用材と、
該ダイオードからの発光に応答して可視光を発する、該カプセル用材内の蛍光体と
を備え、
該パッケージされたダイオードは、1アンペアの動作電流において、1ワット当たり少なくとも142ルーメンの白色光を示す、パッケージされた発光ダイオードランプ。 A packaged light emitting diode lamp,
A conductive header;
A light emitting diode on the header, wherein the substrate is in electrical contact with the silicon carbide substrate, at least one indium gallium nitride active layer, and in a direction perpendicular to the substrate and the active layer; A light emitting diode comprising a resistive contact in resistive contact with the active layer;
Encapsulant covering at least a portion of the diode and the header;
A phosphor in the capsule material that emits visible light in response to light emission from the diode, and
A packaged light emitting diode lamp wherein the packaged diode exhibits at least 142 lumens of white light per watt at an ampere of operating current.
電気的接触と反射性の背景および構造とを提供するために、ヘッダの基部の中にカップ形状のくぼみを形成することと、
該くぼみ内に該ヘッダと接触して高周波発光ダイオードを配置することと、
該ダイオードを覆うには充分であるが、該カップを満たしはしない量のカプセル化材料で該くぼんだカップを部分的に満たすことと、
該部分的に満たされたカプセル化材料を硬化することと、
該カプセル化材料と該ダイオードによって生成された周波数に対して応答する蛍光体との混合物で、該くぼんだカップの残りを満たし、それにより該ダイオードとの直接的な接触から該蛍光体を分離し、それによりりん光性の光の該ダイオードによる吸収を最小化することと、
該くぼんだカップ内の残りのカプセル化材料を硬化することと、
該カップ内の該硬化された材料上でカプセル化材料の固体レンズを形成し、該ダイオードからの光の抽出を強化することと、
レンズ材料を硬化することにより、完成したランプを形成することと
を包含する、方法。 A method of forming a highly efficient white light emitting semiconductor-based lamp, the method comprising:
Forming a cup-shaped recess in the base of the header to provide electrical contact and a reflective background and structure;
Placing a high frequency light emitting diode in contact with the header in the recess;
Partially filling the recessed cup with an amount of encapsulating material sufficient to cover the diode but not fill the cup;
Curing the partially filled encapsulant;
A mixture of the encapsulating material and a phosphor responsive to the frequency generated by the diode fills the remainder of the recessed cup, thereby separating the phosphor from direct contact with the diode. Minimizing the absorption of phosphorescent light by the diode;
Curing the remaining encapsulating material in the recessed cup;
Forming a solid lens of encapsulating material on the cured material in the cup to enhance light extraction from the diode;
Forming a finished lamp by curing the lens material.
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