JP2008523615A - 多色、広帯域または「白色」発光用の適合型短波長ｌｅｄ - Google Patents

多色、広帯域または「白色」発光用の適合型短波長ｌｅｄ Download PDF

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Abstract

短波長ＬＥＤおよび再発光半導体構造を備え、再発光半導体構造がｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの電位井戸を備える適合型ＬＥＤが提供される。電位井戸は一般的に、量子井戸である。適合型ＬＥＤは、白色光ＬＥＤであってもよく、または近白色光ＬＥＤであってもよい。再発光半導体構造は、電位井戸の周囲または近くにまたは直に隣接する吸収層をさらに備えてもよい。さらに、本発明による適合型ＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ装置および照明装置が提供される。

Description

本発明は、発光の一部をより長い波長に変換するために再発光半導体構造を加えることによって、白色光または近白色光として見える可能性がある多色光または広帯域光を発する短波長ＬＥＤの適合に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、陽極と陰極との間を電流が通過するときに光を発する固体半導体デバイスである。従来のＬＥＤは、１つのｐｎ接合を含む。ｐｎ接合は、中間の非ドープ領域を含んでもよい。この種のｐｎ接合をｐｉｎ接合と呼んでもよい。非発光半導体ダイオードのように、従来のＬＥＤは、１つの方向、すなわち、電子がｎ領域からｐ領域に移動している方向に、はるかに容易に電流を通過させる。電流がＬＥＤを通って「順」方向に通過するとき、ｎ領域からの電子は、ｐ領域からの正孔と再結合し、光の光子を発生する。従来のＬＥＤによって発せられた光は、外見上は単色である。すなわち、１つの狭帯域の波長で光を生成する。発光の波長は、電子−正孔対の再結合に関連するエネルギに対応する。最も簡単な場合には、そのエネルギは、再結合が生じる半導体のほぼバンドギャップエネルギである。
従来のＬＥＤは、電子および正孔の両方を高濃度に捕捉するｐｎ接合に１つ以上の量子井戸をさらに含んでもよく、それによって、光を生成する再結合を強化する。複数の研究者は、白色光または人間の眼の３色認識では白く見える光を発するＬＥＤデバイスを作製しようと試みている。
一部の研究者は、ｐｎ接合の中に多数の量子井戸を有し、多数の量子井戸が異なる波長で光を発することを意図するＬＥＤを成し遂げたといわれる設計または作製に関して報告している。以下の参考文献は、そのような技術に関連していると思われる。米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，３０３，４０４号明細書、米国特許第６，５０４，１７１号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、ダミラノ（Ｄａｍｉｌａｎｏ）ら著、「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第４０巻（２００１年）、Ｌ９１８〜Ｌ９２０頁、山田（Ｙａｍａｄａ）ら著、「Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ Ｈｉｇｈ−Ｌｕｍｉｎｏｕｓ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＩｎＧａＮ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第４１巻（２００２年）、Ｌ２４６〜Ｌ２４８頁、ダルマッソ（Ｄａｌｍａｓｓｏ）ら著、「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ ＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ」、ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１９２、第１号、１３９〜１４３頁（２００３年）。
一部の研究者は、２つの従来のＬＥＤを結合し、１つのデバイスにおいて異なる波長で光を独立に発することを意図するＬＥＤデバイスを成し遂げたといわれる設計または作製に関して報告している。以下の参考文献は、そのような技術に関連していると思われる。米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、米国特許出願公開第２００２／００４１１４８ Ａ１号明細書、米国特許出願公開第２００２／０１３４９８９ Ａ１号明細書、ルオ（Ｌｕｏ）ら著、「Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｏｒ ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｆｕｌｌ−ｃｏｌｏｒ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｅｒｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒｓ、第７７巻、第２６号、４２５９〜４２６１頁（２０００年）。
一部の研究者は、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）などの化学蛍光体を有する従来のＬＥＤ素子を結合し、ＬＥＤ素子によって発せられた光の一部を吸収し、より長い波長の光を再発光することを意図するＬＥＤデバイスを成し遂げたといわれる設計または作製に関して報告している。米国特許第５，９９８，９２５号明細書および米国特許第６，７３４，４６７号明細書は、そのような技術に関連していると思われる。
一部の研究者は、ＬＥＤ素子によって発せられる光の一部を吸収し、より長い波長の光を再発光することを意図し、基板における蛍光中心を形成するためにＩ、Ａｌ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＧａまたはＩｎでｎドープされたＺｎＳｅ基板上で成長したＬＥＤを成し遂げたといわれる設計または作製に関して報告している。米国特許出願第６，３３７，５３６号明細書および特開２００４−７２０４７号公報は、そのような技術に関連していると思われる。
簡単に言えば、本発明は、短波長ＬＥＤおよび再発光半導体構造を備え、再発光半導体構造がｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの電位井戸を備える適合型ＬＥＤを提供する。電位井戸は一般的に、量子井戸である。一実施形態において、再発光半導体構造は、電位井戸に対して近くにまたは直に隣接する吸収層をさらに備える。一実施形態において、再発光半導体構造は、第１の電位井戸の遷移エネルギに等しくない第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第２の電位井戸をさらに備える。一実施形態において、短波長ＬＥＤは、紫外光ＬＥＤである。そのような一実施形態において、再発光半導体構造は、青色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第１の電位井戸と、緑色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第２の電位井戸と、赤色波長光に対応する第３の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第３の電位井戸とを備える。一実施形態において、短波長ＬＥＤは、可視光ＬＥＤであり、一般的には、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは紫色ＬＥＤであり、さらに一般的には、緑色ＬＥＤまたは青色ＬＥＤであり、最も一般的には青色ＬＥＤである。そのような一実施形態において、再発光半導体構造は、黄色波長光または緑色波長光、さらに一般的には緑色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、橙色波長光または赤色波長光、さらに一般的には赤色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える。
別の態様において、本発明は、本発明による適合型ＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ装置を提供する。
別の態様において、本発明は、本発明による適合型ＬＥＤを備える照明装置を提供する。
本願明細書では、
半導体デバイスにおける層の積層に関して、「直に隣接する」とは、次の層が介在層がなく、連続的に続くことを意味し、「近くに隣接する」とは、次の層が１層または少数の介在層を経て連続的に続くことを意味し、「周囲の」とは、前および後の両方に連続的に続くことを意味する。
「電位井戸」とは、周囲の層より低い伝導帯エネルギまたは周囲の層より高い価電子帯エネルギ、あるいはその両方のエネルギを有する半導体デバイスにおける半導体の層を意味し、
「量子井戸」とは、量子化効果により、井戸における電子−正孔対の遷移エネルギを上昇するほど十分に薄く、一般的に厚さが１００ｎｍ以下である電位井戸を意味し、
「遷移エネルギ」とは、電子−正孔再結合エネルギを意味し、
「格子整合される」とは、基板上のエピタキシャル膜などの２つの結晶質材料に関して、分離しているものと考えたときに各材料が格子定数を有し、これらの格子定数が実質的に等しく、一般的に互いの差が０．２％以下であり、さらに一般的に互いの差が０．１％以下であり、最も一般的には互いの差が０．０１％以下であることを意味し、
「擬似格子整合」とは、エピタキシャル膜および基板などの所与の厚さの第１の結晶層および第２の結晶層に関し、分離しているものと考えたときに各層が格子定数を有し、これらの格子定数は、所与の厚さの第１の層が、不整合の欠点を実質的に持たずに、層の平面で第２の層の格子間隔を採用することができるほど十分に類似であることを意味する。
ｎドープ半導体領域およびｐドープ半導体領域を備える本願明細書に記載される本発明の任意の実施形態に関して、他の実施形態は、本願明細書に開示されるように、ｎドーピングがｐドーピングと置換されることおよびその逆であると見なすべきであることを理解すべきである。
「電位井戸」、「第１の電位井戸」、「第２の電位井戸」および「第３の電位井戸」のそれぞれが本願明細書に列挙されている場合には、１つの電位井戸が設けられてもよく、または類似の特性を一般的に共有する多数の電位井戸が設けられてもよいことを理解すべきである。同様に、「量子井戸」、「第１の量子井戸」、「第２の量子井戸」および「第３の量子井戸」のそれぞれが本願明細書に列挙されている場合には、１つの量子井戸が設けられてもよく、または類似の特性を一般的に共有する多数の量子井戸が設けられてもよいことを理解すべきである。
本発明の一定の実施形態の利点は、多色光、白色光または近白色光を発することができるＬＥＤデバイスを提供することである。
本発明は、短波長ＬＥＤおよび再発光半導体構造を備え、再発光半導体構造がｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの電位井戸を備える適合型ＬＥＤを提供する。電位井戸は一般的に、量子井戸である。通常の動作において、短波長ＬＥＤは電流に応じて光子を発し、再発光半導体構造は短波長ＬＥＤから発せられた光子の一部の吸収に応じて光子を発する。一実施形態において、再発光半導体構造は、電位井戸に対して近くにまたは直に隣接する吸収層をさらに備える。吸収層は一般的に、短波長ＬＥＤによって発せられる光子のエネルギ以下であり、再発光半導体構造の電位井戸の遷移エネルギを超えるバンドギャップエネルギを有する。通常の動作において、吸収層は、短波長ＬＥＤから発せられる光子の吸収を助ける。一実施形態において、再発光半導体構造は、第１の電位井戸の遷移エネルギに等しくない第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸をさらに備える。一実施形態において、短波長ＬＥＤは、紫外光ＬＥＤである。そのような一実施形態において、再発光半導体構造は青色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第１の電位井戸と、緑色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第２の電位井戸と、赤色波長光に対応する第３の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置していない少なくとも１つの第３の電位井戸とを備える。一実施形態において、短波長ＬＥＤは、可視光ＬＥＤであり、一般的には、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは紫色ＬＥＤであり、さらに一般的には、緑色ＬＥＤまたは青色ＬＥＤであり、最も一般的には青色ＬＥＤである。そのような一実施形態において、再発光半導体構造は、黄色波長光または緑色波長光、さらに一般的には緑色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、橙色波長光または赤色波長光、さらに一般的には赤色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える。再発光半導体構造は、さらなる電位井戸およびさらなる吸収層を備えてもよい。
本発明による適合型ＬＥＤは、ＳｉまたはＧｅ（発光層内以外）などの第ＩＶ族元素、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂなどのＩＩＩ−Ｖ化合物およびその合金、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳなどのＩＩ−ＶＩ化合物およびその合金、または上記の任意の合金からなる任意の適切な半導体から構成されてもよい。適切である場合には、半導体は、任意の適切な方法または任意の適切なドーパントの混入によってｎドープまたはｐドープされてもよい。代表的な一実施形態において、短波長ＬＥＤはＩＩＩ−Ｖ半導体デバイスであり、再発光半導体構造はＩＩ−ＶＩ半導体デバイスである。
本発明の一実施形態において、適合型ＬＥＤの構成要素の種々の層の組成は、以下の検討事項に照らして選択される。各層は一般的に、基板に対して整合されるその層または格子に関して与えられる厚さで基板に擬似格子整合されることになる。あるいは、各層は、直に隣接する層に擬似格子整合されてもよく、または格子整合されてもよい。電位井戸層の材料および厚さは一般的に、量子井戸から発せられる光の波長に対応する所望の遷移エネルギを提供するように選択される。たとえば、図３の４６０ｎｍ、５４０ｎｍおよび６３０ｎｍと印された点は、ＩｎＰ基板（５．８６８７オングストロームまたは０．５８６８７ｎｍ）および４６０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）および６３０ｎｍ（赤色）の波長に対応するバンドギャップエネルギに関して、それに近い格子定数を有するＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を表す。電位井戸層が、量子化により井戸におけるバルクバンドギャップエネルギを超えて遷移エネルギが上昇するほど十分に薄い場合には、電位井戸を量子井戸と見なしてもよい。各量子井戸層の厚さは量子井戸における量子化エネルギの量を決定することになり、量子化エネルギの量は、量子井戸における遷移エネルギを決定するためにバルクバンドギャップエネルギに加えられる。したがって、各量子井戸に関連する波長は、量子井戸層の厚さを調整することによって同調させることができる。一般的には、量子井戸層の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍであり、さらに一般的には、２ｎｍ〜３５ｎｍである。一般的に、量子化エネルギは、バンドギャップエネルギのみに基づいて予測されるエネルギに比べて２０ｎｍ〜５０ｎｍの波長の減少に変形する。発光層における歪みはまた、電位井戸および量子井戸に関する遷移エネルギを変化させる可能性があり、擬似格子整合層間の格子定数の不完全な整合から生じる歪みが含まれる。
歪みのあるまたは歪みのない電位井戸または量子井戸の遷移エネルギを計算するための技術は、当業界では周知であり、たとえば、ヘルベルト・クレーマー（Ｈｅｒｂｅｒｔ Ｋｒｏｅｍｅｒ）著、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ」（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ，Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，１９９４年）、５４〜６３頁およびゾリ（Ｚｏｒｙ）編、「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒｓ」（Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９９３年）、７２〜７９頁に記載されている。
赤外光帯、可視光帯、紫外光帯における波長をはじめとする任意の適切な発光波長を選択してもよい。本発明の一実施形態において、発光波長は、適合型ＬＥＤによって発せられる光の結合された出力が白色または近白色、パステルカラー、マゼンタ、シアンなどをはじめとする２色、３色またはそれ以上の単色光源の組合せによって生成することができる任意の色の外観を生成するように選択される。他の実施形態において、本発明による適合型ＬＥＤは、赤外波長または紫外波長および可視波長でデバイスが動作中であることを示すものとして光を発する。一般的に、短波長ＬＥＤは最短波長の光子を発し、その結果、短波長ＬＥＤから発せられた光子は再発光半導体構造における電位井戸を駆動するのに十分なエネルギを有する。
図１は、本発明の一実施形態による適合型ＬＥＤの概略図である。適合型ＬＥＤ５０は、短波長ＬＥＤ２０および再発光半導体構造１０を含む。再発光半導体構造１０は、接着剤または溶接材料、圧力、熱またはそれらの組合せの使用をはじめとする任意の適切な方法によって、短波長ＬＥＤ２０の発光面に取り付けられてもよい。示された実施形態において、適合型ＬＥＤ５０は、ヘッダ４０にフリップチップ実装される。ハンダ接点２７および２８は、ＬＥＤ電極２５とヘッダトレース４２との間の電気接点およびＬＥＤ電極２６とヘッダトレース４３との間の電気接点をそれぞれ維持する。短波長ＬＥＤ２０は一般的に、紫外波長ＬＥＤまたは可視波長ＬＥＤである。短波長ＬＥＤ２０が可視波長ＬＥＤである場合には、短波長ＬＥＤ２０は一般的に、緑色波長ＬＥＤ、青色波長ＬＥＤまたは紫色波長ＬＥＤであり、最も一般的には、青色波長ＬＥＤまたは紫色波長ＬＥＤである。短波長ＬＥＤ２０は、任意の適切な構成要素を備えていてもよい。示された実施形態において、短波長ＬＥＤ２０は、電気接点２５および２６、透明なベース層２１および機能層２２、２３および２４を備える。機能層２２、２３および２４は、任意の適切なＬＥＤ構造を表してもよいが、一般的にｐｎ接合を表し、１つ以上の量子井戸を備えうるｐドープ半導体２２およびｎドープ半導体２４および発光領域２３を含む。本発明による再発光半導体構造１０は、短波長ＬＥＤ２０の発光面に実装される。示された実施形態において、再発光半導体構造１０は、赤色量子井戸層１２、緑色量子井戸層１４および中間層１１、１３および１５を備える。本発明の一実施形態において、中間層１１、１３および１５は、以下に述べるように、支持層および吸収層を含む。代表的な一実施形態において、短波長ＬＥＤ２０は青色発光ＧａＮに基づくＬＥＤなどのＩＩＩ−Ｖ半導体デバイスであり、再発光半導体構造１０はＩＩ−ＶＩ半導体デバイスである。
図２は、本発明の一実施形態による再発光半導体構造における半導体の伝導帯および価電子帯を表すバンド図である。層厚は、一定の比率で表されていない。表Ｉは、この実施形態における層１〜９の組成およびその組成に関するバンドギャップエネルギ（Ｅg）を示す。この構造は、ＩｎＰ基板上で成長させてもよい。
Figure 2008523615
層３は１つの電位井戸を表し、厚さが約１０ｎｍの赤色発光量子井戸である。層７は１つの電位井戸を表し、厚さが約１０ｎｍの緑色発光量子井戸である。層２、４、６および８は吸収層を表し、各厚さが約１０００ｎｍである。層１、５および９は、支持層を表す。支持層は一般的に、量子井戸３、７および短波長ＬＥＤ２０から発せられた光に対して実質的に透明であるように選択される。あるいは、デバイスは、吸収層および／または支持層によって隔てられる多数の赤色発光または緑色発光の電位井戸または量子井戸を備えていてもよい。
理論によって束縛されるものではないが、図１に示される本発明の実施形態は、以下の原理に基づいて動作する。電流が電極２５と電極２６との間を通過するとき、短波長光子が短波長ＬＥＤ２０から発せられる。短波長ＬＥＤ２０の発光面の方向に進む光子は、再発光半導体構造１０に入射する。再発光半導体構造１０を通過する光子は、吸収されて、緑色波長光子として緑色発光量子井戸７から再発光されてもよく、赤色波長光子として赤色発光量子井戸３から再発光されてもよい。短波長光子の吸収は、光子の発光によって、量子井戸で次に再結合しうる電子−正孔対を生成する。デバイスから発せられる青色波長光、緑色波長光および赤色波長光の多色の組合せにより、白色または近白色のように見える可能性がある。デバイスから発せられる青色波長光、緑色波長光および赤色波長光の強度は、各タイプの量子井戸の数の操作、フィルタまたは反射層の利用、吸収層の厚さおよび組成の操作をはじめとする任意の適切な方法でバランスをとってもよい。図４は、本発明によるデバイスの一実施形態から発せられる光のスペクトルを表す。
再び図２によって表される実施形態を参照すると、吸収層２、４、６および８は、短波長ＬＥＤ２０から発せられる光子のエネルギと量子井戸３および７の遷移エネルギとの間の中間である吸収層に関するバンドギャップエネルギを選択することによって、短波長ＬＥＤ２０から発せられる光子を吸収するように適合されてもよい。吸収層２、４、６および８における光子の吸収によって生成される電子−正孔対は一般的に、光子の付随発光と再結合する前に、量子井戸３および７によって捕捉される。電子および／または正孔を電位井戸に流し込むまたは向かわせるように、吸収層は、その厚さのすべてまたは一部に関して組成に勾配を任意に有してもよい。
短波長ＬＥＤ２０が可視波長ＬＥＤである場合には、再発光半導体構造１０の層１１〜１５は、短波長ＬＥＤから発せられる光に対して部分的に透明であってもよい。ベクトルＢは、再発光半導体構造１０を通過する青色波長光子を表す。ベクトルＲは、短波長ＬＥＤ２０から発せられた青色波長光子の吸収後、赤色量子井戸層１２から発せられた赤色波長光子を表す。ベクトルＧは、短波長ＬＥＤ２０から発せられた青色波長光子の吸収後、緑色量子井戸層１４から発せられた緑色波長光子を表す。あるいは、短波長ＬＥＤ２０が紫外波長ＬＥＤである場合には、再発光半導体構造１０の層１１〜１５は、短波長ＬＥＤ２０から発せられた光の大部分または実質的にまたは完全にすべての部分を遮断してもよい。その結果、適合型ＬＥＤ５０から発せられた光の大部分または実質的にまたは完全にすべての部分は、再発光半導体構造１０から再発光される光である。短波長ＬＥＤ２０が紫外波長ＬＥＤである場合には、再発光半導体構造１０は、赤色発光量子井戸、緑色発光量子井戸および青色発光量子井戸を含んでもよい。
本発明による適合型ＬＥＤは、導電性材料、半導電性材料または非導電性材料からなるさらなる層を備えてもよい。短波長ＬＥＤへの電流の供給路を提供するために、電気接点層を追加してもよい。電流が再発光半導体構造も通過するように電気接点層を配置してもよく、または電流が再発光半導体構造を通過しないように電気接点層を配置してもよい。適合型ＬＥＤによって発せられる光の光波長のバランスを変更または補正するために、光フィルタリング層を追加してもよい。輝度および効率を向上するために、ミラーまたは反射体を備える層を追加してもよい。
一実施形態において、本発明による適合型ＬＥＤは、白色ＬＥＤまたは近白色ＬＥＤであり、青色帯、緑色帯、黄色帯および赤色帯の４つの基本波長で光を発する。一実施形態において、本発明による適合型ＬＥＤは、白色ＬＥＤまたは近白色ＬＥＤであり、青色帯および黄色帯の２つの基本波長で光を発する。
本発明による適合型ＬＥＤは、抵抗、ダイオード、ツェナーダイオード、従来のＬＥＤ、コンデンサ、トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ、フォトトランジスタ、光検出器、ＳＣＲ、サイリスタ、トライアック（登録商標）、電圧調整器および他の回路素子などの能動構成要素または受動構成要素を含むさらなる半導体素子を備えてもよい。本発明による適合型ＬＥＤは、集積回路を備えてもよい。本発明による適合型ＬＥＤは、ディスプレイパネルまたは照明パネルを備えてもよい。
本発明による適合型ＬＥＤを構成する短波長ＬＥＤおよび再発光半導体構造は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、化学気相蒸着法、液相エピタキシ、気相エピタキシを含みうる任意の適切な方法によって、作製されてもよい。本発明による適合型ＬＥＤの素子は、基板を含んでもよい。本発明の手法において、任意の適切な基板を用いてもよい。一般的な基板材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣおよびＺｎＳｅが挙げられる。基板は、ｎドープ、ｐドープまたは半絶縁型であってもよい。これらは、任意の適切な方法または任意の適切なドーパントの混入によって、実現されうる。あるいは、本発明による適合型ＬＥＤの素子は、基板を備えていなくてもよい。一実施形態において、本発明による適合型ＬＥＤの素子は、基板上に形成され、次に基板から隔てられてもよい。本発明による適合型ＬＥＤの素子は、接着剤または溶接材料、圧力、熱またはそれらの組合せの使用をはじめとする任意の適切な方法によって、共に接合されてもよい。一実施形態において、再発光半導体構造は、基板上に形成され、短波長ＬＥＤに接合され、次に、その基板が物理的方法、化学的方法またはエネルギに基づく方法によって除去される。一般的に、形成される接合は、透明である。接合方法は、界面接合または端部接合を含みうる。任意に、屈折率整合層または間隙空間を含んでもよい。
本発明による適合型ＬＥＤは、大型または小型のスクリーンビデオモニタ、コンピュータモニタまたはディスプレイ、テレビ、電話装置、電話装置ディスプレイ、携帯情報端末または携帯情報端末ディスプレイ、ページャまたはページャディスプレイ、計算機または計算機ディスプレイ、ゲームまたはゲームディスプレイ、おもちゃまたはおもちゃのディスプレイ、大型または小型の家庭電化製品、または大型または小型の家庭電化製品のディスプレイ、自動車の計器盤または自動車の計器盤のディスプレイ、自動車内装部品または自動車内装部品のディスプレイ、船舶計器盤または船舶計器盤のディスプレイ、船舶内装部品または船舶内装部品のディスプレイ、航空機計器盤または航空機計器盤のディスプレイ、航空機内装部品または航空機内装部品のディスプレイ、交通制御装置または交通制御装置のディスプレイ、広告用ディスプレイ、看板または類似物などのグラフィックディスプレイ装置の構成要素または重要な構成要素であってもよい。
本発明による適合型ＬＥＤは、そのようなディスプレイに対するバックライトとして、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または類似のディスプレイの構成要素または重要な構成要素であってもよい。一実施形態において、本発明による半導体デバイスは、本発明による半導体デバイスによって発せられた色をＬＣＤディスプレイのカラーフィルタに整合させることによって、液晶ディスプレイ用のバックライトを用いるのに特に適している。
本発明による適合型ＬＥＤは、自立式または内蔵式の照明器具またはランプ、景観照明器具または建築照明器具、手持ち式ランプまたは車両装着ランプ、自動車の前照灯または尾灯、自動車内装部品の照明器具、自動車または自動車以外の信号装置、道路照明装置、交通制御信号装置、船舶のランプまたは信号装置または内装部品の照明器具、航空機のランプまたは信号装置または内装部品の照明器具、大型または小型の家庭電化製品または大型または小型の家庭電化製品ランプまたは類似物、または赤外光線、可視光線または紫外光線の光源として用いられる任意の装置または構成要素などの照明装置の構成要素または重要な構成要素であってもよい。
本発明の種々の変更および変形は、本発明の範囲および原理を逸脱することなく、当業者には明白となるであろう。本発明は、上記に記載された例示の実施形態に過度に制限するわけではないことを理解すべきである。
本発明の一実施形態によるＬＥＤの概略図である。 本発明の一実施形態による構造における半導体の伝導帯および価電子帯のフラットバンド図である。層厚は、正確な比率で表されていない。 種々のＩＩ−ＶＩ二元化合物およびその合金に関する格子定数およびバンドギャップエネルギを示すグラフである。 本発明の一実施形態によるデバイスから発せられる光のスペクトルを表すグラフである。

Claims (42)

  1. 短波長ＬＥＤおよび再発光半導体構造を備え、前記再発光半導体構造がｐｎ接合内部に位置しない電位井戸を含む、適合型ＬＥＤ。
  2. 前記再発光半導体構造が、前記少なくとも１つの電位井戸の少なくとも１つに対して近くに隣接する吸収層をさらに備える、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  3. 前記再発光半導体構造が、前記少なくとも１つの電位井戸の少なくとも１つに対して直に隣接する吸収層をさらに備える、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  4. 前記再発光半導体構造が、第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、前記第１の遷移エネルギに等しくない第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  5. 前記短波長ＬＥＤが紫外光ＬＥＤである、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  6. 前記短波長ＬＥＤが、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤまたは紫色ＬＥＤである、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  7. 前記短波長ＬＥＤが青色ＬＥＤである、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  8. 前記再発光半導体構造が、青色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、緑色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸と、赤色波長光に対応する第３の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第３の電位井戸とを備える、請求項５に記載の適合型ＬＥＤ。
  9. 前記再発光半導体構造が、黄色波長光または緑色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、橙色波長光または赤色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える、請求項６に記載の適合型ＬＥＤ。
  10. 前記再発光半導体構造が、黄色波長光または緑色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、橙色波長光または赤色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える、請求項７に記載の適合型ＬＥＤ。
  11. 前記再発光半導体構造が、緑色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、赤色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える、請求項７に記載の適合型ＬＥＤ。
  12. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  13. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項２に記載の適合型ＬＥＤ。
  14. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項３に記載の適合型ＬＥＤ。
  15. 前記少なくとも１つの第１の電位井戸が第１の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第２の電位井戸が第２の量子井戸を含む、請求項４に記載の適合型ＬＥＤ。
  16. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項５に記載の適合型ＬＥＤ。
  17. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項６に記載の適合型ＬＥＤ。
  18. 前記少なくとも１つの電位井戸が量子井戸を含む、請求項７に記載の適合型ＬＥＤ。
  19. 前記少なくとも１つの第１の電位井戸が第１の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第２の電位井戸が第２の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第３の電位井戸が第３の量子井戸を含む、請求項８に記載の適合型ＬＥＤ。
  20. 前記少なくとも１つの第１の電位井戸が第１の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第２の電位井戸が第２の量子井戸を含む、請求項９に記載の適合型ＬＥＤ。
  21. 前記少なくとも１つの第１の電位井戸が第１の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第２の電位井戸が第２の量子井戸を含む、請求項１０に記載の適合型ＬＥＤ。
  22. 前記少なくとも１つの第１の電位井戸が第１の量子井戸を含み、前記少なくとも１つの第２の電位井戸が第２の量子井戸を含む、請求項１１に記載の適合型ＬＥＤ。
  23. 請求項１に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  24. 請求項１に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  25. 請求項２に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  26. 請求項２に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  27. 請求項６に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  28. 請求項６に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  29. 請求項１０に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  30. 請求項１０に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  31. 請求項１２に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  32. 請求項１２に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  33. 請求項１３に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  34. 請求項１３に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  35. 請求項１７に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  36. 請求項１７に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  37. 請求項２１に記載の適合型ＬＥＤを備える、グラフィックディスプレイ装置。
  38. 請求項２１に記載の適合型ＬＥＤを備える、照明装置。
  39. 前記再発光半導体構造が、黄色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸を備える、請求項７に記載の適合型ＬＥＤ。
  40. 前記再発光半導体構造が、青色波長光に対応する第１の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第１の電位井戸と、黄色波長光に対応する第２の遷移エネルギを有し、ｐｎ接合内部に位置しない少なくとも１つの第２の電位井戸とを備える、請求項５に記載の適合型ＬＥＤ。
  41. 前記短波長ＬＥＤがＩＩＩ−Ｖ半導体を備え、前記再発光半導体構造がＩＩ−ＶＩ半導体を備える、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
  42. 前記短波長ＬＥＤがＧａＮ半導体を備え、前記再発光半導体構造がＩＩ−ＶＩ半導体を備える、請求項１に記載の適合型ＬＥＤ。
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