KR20100128297A - 백색 광 출력을 제공하기 위한 광대역 발광 장치 램프들 - Google Patents

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Abstract

백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프는 제1 및 제2 광대역 LED 칩들을 포함한다. 제1 LED 칩은 제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하며, 제1 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 제2 광대역 LED 칩은 제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하며, 제1 파장 범위의 파장들보다 큰 파장들을 포함하는 제2 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 제1 및 제2 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 백색 광을 제공하도록 결합된다. 관련 장치들도 설명된다.

Description

백색 광 출력을 제공하기 위한 광대역 발광 장치 램프들{BROADBAND LIGHT EMITTING DEVICE LAMPS FOR PROVIDING WHITE LIGHT OUTPUT}
<관련 특허 출원들의 상호 참조>
본 출원은 2008년 2월 15일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/029,093호로부터 우선권을 주장하며, 그 명세서는 그 전체가 본 명세서에 참고 문헌으로 포함된다.
본 발명은 반도체 발광 장치들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 발광 장치들을 포함하는 램프들에 관한 것이다.
발광 다이오드들 및 레이저 다이오드들은 충분한 전류의 인가 시에 광을 생성할 수 있는 잘 알려진 고체 상태 조명 엘리먼트들이다. 발광 다이오드들 및 레이저 다이오드들은 일반적으로 발광 장치들("LEDs")로서 지칭될 수 있다. 발광 장치들은 일반적으로 사파이어, 실리콘, 실리콘 탄화물, 갈륨 비소 등과 같은 기판 상에 성장된 에피텍셜 층에 형성된 p-n 접합을 포함한다. 일반적으로, LED에 의해 생성되는 광의 파장 분포는 p-n 접합이 제조되는 재료 및 장치의 액티브 영역을 형성하는 얇은 에피텍셜 층들의 구조에 의존한다.
통상적으로, LED 칩은 기판, 기판 상에 형성된 n형 에피텍셜 영역, 및 n형 에피텍셜 영역 상에 형성된 p형 에피텍셜 영역(또는 그 역)을 포함한다. 장치에 대한 전류의 인가를 용이하게 하기 위하여, 장치의 p형 영역(통상적으로, 노출된 p형 에피텍셜 층) 상에 애노드 콘택이 형성될 수 있고, 장치의 n형 영역(예컨데, 기판 또는 노출된 n형 에피텍셜 층) 상에 캐소드 콘택이 형성될 수 있다. 오믹(ohmic) 콘택들에 전위가 인가될 때, n형 층으로부터 전자들이 액티브 영역 내로 주입될 수 있고, p형 층으로부터 정공들이 액티브 영역 내로 주입될 수 있다. 액티브 영역 내의 전자들 및 정공들의 방사성 재결합은 광을 생성한다. 일부 LED 칩들은 n형 및 p형 층들의 접합 사이 또는 그 근처에 (다중 양자 우물 구조들로도 알려진) 다수의 발광 영역들 또는 액티브 층들을 갖는 액티브 영역을 포함한다.
LED들은 예를 들어 전통적인 백열 및/또는 형광 조명을 위한 대체물로서 조명/조광 응용들에 사용될 수 있다. 따라서, 조명에 의해 조명되는 물체들이 더 자연스럽게 보일 수 있도록 비교적 높은 컬러 렌더링 인덱스(CRI)를 갖는 백색 광을 생성하는 조명 소스를 제공하는 것이 종종 바람직하다. 광원의 컬러 렌더링 인덱스는 광범위한 컬러들을 정확하게 조명하기 위한 광원에 의해 생성되는 광의 능력의 객관적인 척도이다. 컬러 렌더링 인덱스는 단색 소스들에 대해 본질적으로 0으로부터 백열 소스들에 대해 거의 100까지의 범위이다. 대안으로, 높은 CRI 인덱스를 갖는 광원과 크게 다를 수 있지만, 맞춤화된 스펙트럼을 여전히 필요로 할 수 있는 광원을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 특정 광원의 색도는 소스의 "컬러 포인트"로서 지칭될 수 있다. 백색 광원에 대해, 색도는 소스의 "백색 포인트"로서 지칭될 수 있다. 백색 광원의 백색 포인트는 주어진 온도로 가열된 흑체 방사체에 의해 방출되는 광의 컬러에 대응하는 색도 포인트들의 자취를 따라 떨어질 수 있다. 따라서, 백색 포인트는 가열된 흑체 방사체가 백색 광원의 컬러 또는 색조와 매칭되는 온도인 광원의 상관된 컬러 온도(CCT)에 의해 식별될 수 있다. 통상적으로, 백색 광은 약 4000 내지 8000K의 CCT를 갖는다. 4000의 CCT를 갖는 백색 광은 황색을 갖는다. 8000K의 CCT를 갖는 백색 광은 더 청색이며, "차가운 백색"으로 지칭될 수 있다. "따뜻한 백색"은 더 적색인 약 2600K 내지 6000K의 CCT를 갖는 백색 광을 기술하는 데 사용될 수 있다.
단일 컬러 LED로부터의 광은 형광체와 같은 파장 변환 재료로 LED를 둘러쌈으로써 백색 광을 제공하는 데 사용될 수 있다. 본 명세서에서, "형광체"라는 용어는 흡수와 재방출 사이의 지연에 관계없이 그리고 관련된 파장들에 관계없이 하나의 파장 범위의 광을 흡수하고 다른 파장 범위의 광을 재방출하는 임의의 재료들을 지칭하는 데 사용될 수 있다. 광의 일부는 또한 형광체를 통과하고, 및/또는 하향 변환을 거의 또는 전혀 겪지 않은 입사광과 본질적으로 동일한 파장으로 형광체로부터 재방출될 수 있다. 따라서, "형광체"라는 용어는 본 명세서에서 때때로 형광 및/또는 인광이라고 하는 재료들을 지칭하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 형광체들은 보다 짧은 파장들을 갖는 광을 흡수하고, 보다 긴 파장들을 갖는 광을 재방출한다. 따라서, LED에 의해 제1 파장으로 방출되는 광의 일부 또는 전부는 형광체 입자들에 의해 흡수될 수 있으며, 형광체 입자들은 그에 응답하여 제2 파장의 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 단일 청색 발광 LED는 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)과 같은 황색 형광체로 둘러싸일 수 있다. 청색 광과 황색 광의 조합인 결과적인 광은 관찰자에게 백색으로 보일 수 있다. 구체적으로, 황색 광을 생성하기 위하여, 약 2.66 전자 볼트(eV)의 청색 광자가 황색 형광체에 의해 흡수될 수 있고, 약 2.11eV의 황색 광자가 방출될 수 있다. 따라서, 약 0.55eV의 평균 에너지가 아마도 비방사성 프로세스들을 통해 손실될 수 있다. 따라서, 황색 형광체에 의해 둘러싸인 청색 LED는 청색에서 황색으로의 변환을 통해 상당한 양의 에너지를 잃을 수 있다. 또한, 컬러 렌더링을 향상시키기 위해 적색 형광체가 포함되는 경우, 에너지 손실은 훨씬 더 커서, 효율이 훨씬 더 크게 감소할 수 있다.
또한, 다수의 상이한 컬러의 LED들에 의해 방출되는 광은 원하는 강도 및/또는 컬러의 백색 광을 생성하도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색 방출 LED들이 동시에 활성화될 때, 결과적인 결합된 광은 컴포넌트 적색, 녹색 및 청색 소스들의 상대적 강도들에 따라 백색 또는 거의 백색으로 보일 수 있다. (형광체 변환의 결여에 적어도 부분적으로 기인하여) 그러한 램프들을 이용하여 매우 높은 발광 효율을 달성하는 것이 가능할 수 있지만, 각각의 LED로부터 방출되는 광의 제한된 스펙트럼 분포로 인해 컬러 렌더링이 열악할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프는 제1 및 제2 광대역 LED 칩들을 포함한다. 제1 광대역 LED 칩은 제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하며, 제1 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 제2 광대역 LED 칩은 제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을를 각각 포함하며, 제1 파장 범위의 파장들보다 큰 파장들을 포함하는 제2 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 광대역 LED 칩들 중 적어도 하나에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 분포는 약 35 나노미터(nm)보다 큰 반치전폭(full width at half maximum: FWHM)을 가질 수 있다.
다른 실시예들에서, 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의할 수 있으며, 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의할 수 있다. 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 램프는 제3 광대역 LED 칩을 더 포함할 수 있다. 제3 광대역 LED 칩은 제3 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함할 수 있다. 제3 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제3 반도체 화합물을 각각 포함할 수 있으며, 제2 파장 범위의 파장들보다 큰 파장들을 포함하는 제3 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성될 수 있다. 제3 반도체 화합물은 제3 스펙트럼 분포를 갖는 광을 방출할 수 있으며, 제1, 제2 및 제3 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합될 수 있다.
다른 실시예들에서, 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의할 수 있고, 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의할 수 있고, 제3 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제3 파장 범위에 걸치는 제3 스펙트럼 분포를 정의할 수 있다. 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않을 수 있다. 제2 및 제3 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 제2 및 제3 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의할 수 있고, 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의할 수 있다. 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 작지 않을 수 있다.
다른 실시예들에서, 램프는 제1 및/또는 제2 LED 칩에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고, 제1 및 제2 파장 범위들 사이의 제3 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 재방출하도록 구성되는 광 변환 재료를 더 포함할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 LED 칩들 및 광 변환 재료에 의해 방출되는 광은 백색 광을 제공하도록 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프는 청색, 녹색 및 적색 광대역 LED 칩들을 포함한다. 청색 광대역 LED 칩은 제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하며, 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하며, 청색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 녹색 광대역 LED 칩은 제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하며, 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하며, 녹색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 적색 광대역 LED 칩은 제3 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하며, 제3 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제3 반도체 화합물을 각각 포함하며, 적색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 제3 반도체 화합물은 제2 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 가지며, 제2 반도체 화합물은 제1 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 갖는다. 청색, 녹색 및 적색 광대역 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 양호한 컬러 렌더링을 갖는 백색 광의 외관을 제공하도록 결합된다.
본 발명의 추가 실시예들에 따르면, 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프는 청색 및 적색 광대역 LED 칩들 및 광 변환 재료를 포함한다. 청색 광대역 LED 칩은 제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하며, 청색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 적색 광대역 LED 칩은 제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함한다. 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하며, 적색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 광 변환 재료는 청색 및/또는 적색 LED 칩들에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고, 녹색 파장 범위에 걸치는 광을 재방출하도록 구성된다. 제2 반도체 화합물은 제1 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 갖는다. 청색 및 적색 LED 칩들 및 광 변환 재료에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합된다.
도 1A는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프를 나타내는 평면도이다.
도 1B는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프들에서 사용하기 위한 LED 칩을 나타내는 단면도이다.
도 1C는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 LED 램프를 나타내는 평면도이다.
도 2A-2C는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프들의 다중 양자 우물 구조들을 나타내는 단면도들 및 대응하는 에너지 도면들이다.
도 3A-3C는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 LED 램프들의 다중 양자 우물 구조들을 나타내는 단면도들 및 대응하는 에너지 도면들이다.
도 4A-4D는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 발광 장치 램프들의 예시적인 스펙트럼 방출 특성들을 나타내는 그래프들이다.
도 5A는 본 발명의 추가 실시예들에 따른 발광 장치 램프의 평면도이다.
도 5B는 본 발명의 추가 실시예들에 따른 발광 장치 램프들의 예시적인 스펙트럼 방출 특성들을 나타내는 그래프이다.
이제, 본 발명은 본 발명의 실시예들을 도시하는 첨부 도면들을 참조하여 더 충분하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명되는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시를 철저하고 완전하게 하기 위해 제공되며, 이 분야의 전문가들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 도면들에서, 층들 및 영역들의 크기 및 상대적 크기들은 명료화를 위해 과장될 수 있다. 전반적으로 동일 번호들은 동일 엘리먼트들을 지칭한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 엘리먼트가 다른 엘리먼트 "상에" 있는 것으로 언급될 때, 이 엘리먼트는 다른 엘리먼트 상에 직접 위치하거나, 중간 엘리먼트들이 존재할 수도 있다. 표면과 같은 엘리먼트의 일부가 "내측"인 것으로 언급되는 경우, 이 부분은 엘리먼트의 다른 부분들보다 장치의 외측으로부터 더 멀다는 것을 이해할 것이다. 더구나, 본 명세서에서 "아래" 또는 "위"와 같은 상대적 용어들은 도면들에 도시된 바와 같이 기판 또는 베이스 층에 대해 하나의 층 또는 영역의 다른 층 또는 영역에 대한 관계를 설명하는 데 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면들에 도시된 방위에 더하여 장치의 상이한 방위들을 포함하는 것을 의도한다는 것을 이해할 것이다. 마지막으로, "직접"이라는 용어는 중간 엘리먼트들이 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, "및/또는"이라는 용어는 나열된 관련 아이템들 중 하나 이상의 임의 및 모든 조합들을 포함한다.
제1, 제2 등의 용어들은 본 명세서에서 다양한 엘리먼트들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 엘리먼트들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 그러한 용어들에 의해 한정되지 않아야 한다는 것도 이해할 것이다. 그러한 용어들은 단지 하나의 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하는 데에 사용된다. 따라서, 아래 설명되는 제1 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 가르침들로부터 벗어나지 않고 제2 엘리먼트, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 본 명세서에서 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도면들인 단면도, 사시도 및/또는 평면도를 참조하여 설명된다. 따라서, 예를 들어 제조 기술들 및/또는 허용 한계들의 결과인 도면들의 형상들로부터의 변화들이 예상될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 여기서 도시되는 영역들의 특정 형상들로 한정되는 것으로 해석되어야 하는 것이 아니라, 예를 들어 제조로부터 발생하는 형상들의 변화들을 포함하여야 한다. 예를 들어, 직사각형으로 도시되거나 설명되는 영역들은 통상적으로 정상적인 제조 허용 한계들로 인해 둥글거나 곡선인 특징들을 가질 것이다. 따라서, 도면들에 도시된 영역들은 사실상 개략적이며, 이들의 형상들은 장치의 영역의 정확한 형상을 도시하는 것을 의도하지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 (기술적, 과학적 용어들을 포함하는) 모든 용어들은 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전들에서 정의되는 것들과 같은 용어들은 관련 분야 및 본 명세서와 관련하여 그들의 의미와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 그렇게 정의되지 않는 한은 이상적인 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, "반도체 발광 장치" 및/또는 "LED"라는 용어는 실리콘, 실리콘 탄화물, 질화물 화합물들 및/또는 다른 반도체 재료들을 포함할 수 있는 하나 이상의 반도체 층을 포함하는 발광 다이오드, 레이저 다이오드 및/또는 다른 반도체 장치를 포함할 수 있다. 질화물 화합물들의 예들은 GaN, AlN, InN, Al0.1Ga0.9N, Al0 .2In0 .1Ga0 .7N 및 In0 .1Ga0 .9N을 포함할 수 있다. 더 일반적으로, 이하에서 표기법 (Al, In, Ga)N은 질화물 화합물 AlxInyGa1 -x- yN을 나타내는 데 사용되며, 여기서 0≤x≤1, 0≤y≤1 및 x + y ≤ 1이다. 발광 장치는 사파이어, 실리콘, 실리콘 탄화물, 게르마늄, 갈륨 질화물 및/또는 다른 마이크로 전자 기판들과 같은 기판을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 발광 장치는 금속 및/또는 다른 도전성 층들을 포함할 수 있는 하나 이상의 콘택 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 자외선, 청색, 청록색, 녹색, 황갈색 및/또는 적색 LED들이 제공될 수 있다. 반도체 발광 장치들의 설계 및 제조는 이 분야의 기술자들에게 잘 알려져 있으며, 여기에 상세히 설명될 필요가 없다.
본 명세서에서 사용될 때, "반치전폭"이라는 용어는 스펙트럼 분포의 그의 최대 값의 약 절반에서의 폭(나노미터 단위)을 지칭할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용될 때, "반치반폭"이라는 용어는 분포의 그의 최대 값의 절반에서의 폭(나노미터 단위)의 절반에 대응하는 값을 지칭할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은, 적색, 녹색 및 청색 LED들을 포함하는 전통적인 LED 램프들에서 컴포넌트 LED들의 스펙트럼 전력 분포가 비교적 좁을 수 있다는 이해로부터 출발할 수 있다. 통상적으로, 상용 LED들은 좁은 반치전폭(FWHM)을 갖는데, 예를 들어 적색 LED들은 17-18nm의 FWHM을 가질 수 있고, 황색 LED들은 12-15nm의 FWHM을 가질 수 있고, 청색 LED들은 18-20nm의 FWHM을 가질 수 있으며, 녹색 LED들은 35-36nm의 FWHM을 가질 수 있다. 상용 녹색 LED에서 발견되는 보통보다 큰 FWHM은 녹색 LED 양자 우물들에서 인듐(In)의 양 및 응집의 제어로부터 발생하는 어려움들의 결과일 수 있다. 이러한 LED들의 좁은 스펙트럼 폭으로 인해, 그러한 광에 의해 조명되는 물체들은 적색, 녹색 및 청색과 같은 다수의 컬러가 사용될 때에도 광의 제한된 스펙트럼으로 인해 자연스런 컬러링을 갖는 것으로 보이지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들은 적색, 청색, 보라색, 황색 및 황갈색 파장 범위들에 걸쳐 약 20nm보다 큰 각각의 스펙트럼 출력들을 갖고, 녹색 파장 범위에 걸쳐 약 35nm보다 큰 스펙트럼 출력들을 갖는 복수의 "광대역" LED 칩(본 명세서에서 "광대역 LED들"이라고도 함)을 포함하는 LED 램프들을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일부 실시예들은 향상된 컬러 렌더링을 제공하기 위해 맞춤화된 스펙트럼 출력들을 갖는 3개의 광대역 LED 칩들을 포함하는 LED 램프들을 제공한다. 일부 실시예들에서, 광대역 LED 칩들 중 하나 이상은 약 35 나노미터(nm)보다 큰 반치전폭(FWHM)을 갖는 스펙트럼 분포를 가질 수 있다. 광대역 LED들의 재료들 및/또는 화학량론들은 더 큰 에너지 효율을 가지면서 휘도, 성능, CRI 및/또는 전체 스펙트럼 분포에 있어서 백열 전구들과 같은 전통적인 광원들에 필적하는 백색 광 출력을 제공하도록 선택될 수 있다.
도 1A는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프를 나타낸다. 이제, 도 1A를 참조하면, 다중 칩 LED 램프(100)는 제1, 제2 및 제3 다이 실장 영역들(102a, 102b, 102c)을 포함하는 공통 기판 또는 서브마운트(101)를 포함한다. 다이 실장 영역들(102a, 102b, 102c)은 광대역 LED 칩을 수용하도록 각각 구성된다. 본 명세서에서 사용될 때, "광대역 LED" 또는 "광대역 LED 칩"은 전통적인 LED에 비해 넓은, 즉 녹색 LED들에 대해 약 30-35nm보다 크고, 적색, 청색, 보라색, 황색, 황갈색 및 다른 컬러의 LED들에 대해 약 20nm보다 큰 스펙트럼 폭을 갖는 광을 방출하도록 구성되는 LED 칩을 지칭한다. 예를 들어, 적색 또는 청색 또는 황갈색 LED는 (각각) 적색 또는 청색 또는 황갈색 상에 중심을 갖거나 중심 파장을 갖는 스펙트럼 분포로 방출할 수 있지만, 각각의 스펙트럼 분포들은 20nm 또는 25nm 또는 30nm 또는 40nm 또는 50nm 또는 75nm 또는 그 이상의 반치전폭을 가질 수 있다. 마찬가지로, 녹색 LED는 녹색 상에 중심을 갖는 전체 폭을 갖지만, 35nm 또는 40nm 또는 50nm 또는 75nm 또는 그 이상의 반치전폭을 갖는 스펙트럼 분포로 발광할 수 있다. 광대역 LED에 의해 방출되는 광은 전통적인 LED들의 광 출력에서 통상적으로 관측되는 가우스형 피크 형상과 상당히 다른 스펙트럼 형상을 가질 수 있다. 스펙트럼은 예를 들어 "톱-해트(top-hat)" 또는 실질적으로 균일한 분포, 라플라스 형상(LaPlace-shaped)의 분포, 2 정점(bimodal) 분포, 톱니 분포, 다정점 분포, 및/또는 (가우스를 포함하는) 이러한 분포들 중 둘 이상의 합성인 분포를 가질 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 광대역 LED는 약 50nm보다 큰 파장 범위에 걸치는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 광대역 LED는 약 75-100nm보다 큰 파장 범위에 걸치는 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
도 1A를 계속 참조하면, 제1, 제2 및 제3 광대역 LED 칩들(103a, 103b, 103c)이 각각 서브마운트(101)의 다이 실장 영역들(102a, 102b, 102c) 상에 실장된다. 예를 들어, 제1 광대역 LED 칩(103a)은 청색 파장 범위(즉, 약 410-495nm 사이)의 광을 방출하도록 구성되는 청색 LED 칩일 수 있고, 제2 LED 칩(103b)은 녹색 파장 범위(즉, 약 495-590nm 사이)의 광을 방출하도록 구성되는 녹색 LED 칩일 수 있고, 제3 LED 칩(103c)은 적색 파장 범위(즉, 약 600-720nm 사이)의 광을 방출하도록 구성되는 적색 LED 칩일 수 있다. 따라서, 제1, 제2 및 제3 광대역 LED 칩들(103a, 103b, 103c)에 의해 방출되는 광은 백색 광을 제공하도록 결합된다. 제1, 제2 및 제3 광대역 LED 칩들(103a, 103b, 103c)은 비교적 높은 효율로 비교적 높은 CRI의 백색 광 출력을 제공하도록 선택되는 상이한 재료들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 녹색 LED 칩(103b)은 청색 LED 칩(103a)에 사용되는 반도체 화합물의 대역 갭보다 좁은 대역 갭을 갖는 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 적색 LED 칩(103c)은 녹색 LED 칩(103b)에 사용되는 반도체 화합물의 대역 갭보다 좁은 대역 갭을 갖는 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 또한, LED 램프(100)는 형광체와 같은 광 변환 재료를 포함하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 형광체가 사용되지 않으므로, LED 램프(100)는 흡수, 재방출 및/또는 비방사성 재결합과 연관된 에너지 손실을 수반하지 않을 수 있다.
위에서는 LED 칩들(103a, 103b, 103c)에 의해 방출되는 광의 특정 컬러들과 관련하여 설명되었지만, 백색 광 출력을 제공하기 위하여 상이한 컬러의 광대역 LED 칩들의 다른 조합들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예컨대, 일부 실시예들에서, LED 칩들(103a, 103b, 103c)은 청록색, 황색 및 자홍색 LED 칩들일 수 있다.
도 1B는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 광대역 LED 칩을 나타내는 단면도이다. 도 1B에 도시된 바와 같이, LED 칩(103)은 p형 클래딩 층(108)과 n형 클래딩 층(109) 사이에 샌드위칭된 액티브 영역(105)을 포함한다. LED 칩(103)은 또한 p형 클래딩 층(108) 상의 p형 콘택 층(111) 및 n형 클래딩 층(109) 상의 n형 콘택 층(112)을 포함한다. 콘택 층들(111 및/또는 112)은 클래딩 층과 다른 도핑된 반도체일 수 있으며, 클래딩 층 앞에서 전하를 확산하도록 동작할 수 있다. 액티브 영역(105)은 복수의 교호하는 액티브 층들(106, 106') 및 장벽 층들(107, 107', 107")을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 액티브 층들(106, 106')은 각각 상이한 화학량론들 또는 상대 농도들의 원소들의 반도체 화합물을 포함하며, 따라서 선택된 파장 범위에 걸치는 상이한 방출 파장들의 광을 방출하도록 각각 구성된다. 예를 들어, LED 칩(103)이 청색 LED 칩인 경우, 액티브 층들(106, 106')은 갈륨 질화물(GaN) 층들일 수 있으며, 각각의 층은 청색 파장 범위(예를 들어, 약 410-510nm)에 걸치는 상이한 파장들의 광을 방출하도록 구성되는 상이한 농도들의 갈륨 및/또는 질화물을 포함할 수 있다. 마찬가지로, LED 칩(103)이 녹색 LED 칩인 경우, 액티브 층들(106, 106')은 녹색 파장 범위(예를 들어, 약 495-590nm)에 걸치는 상이한 파장들의 광을 방출하도록 구성되는 상이한 농도들의 인듐, 갈륨 및/또는 질화물을 각각 포함하는 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 층들일 수 있다. 또한, LED 칩(103)이 적색 LED 칩인 경우, 액티브 층들(106, 106')은 적색 파장 범위(예를 들어, 약 600-720nm)에 걸치는 상이한 파장들의 광을 방출하도록 구성되는 상이한 농도들의 알루미늄, 갈륨, 인듐 및/또는 인화물을 각각 포함하는 알루미늄 갈륨 인듐 인화물(AlGaInP) 층들일 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 액티브 층들(106, 106')은 원하는 파장 범위의 방출 파장들을 제공하기 위해 상이한 두께들로 형성될 수 있다.
따라서, 액티브 층들(106, 106')은 복수의 상이한 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 상이한 두께들 및/또는 조성들을 가질 수 있다. 화학량론은 층마다 뿐만이 아니라, 특정 층 내에서도 변할 수 있다. 따라서, 오믹 콘택들(126, 128)에 전위가 인가될 때, 액티브 층들(106, 106') 각각 내의 전자들 및 정공들의 방사성 재결합은 상이한 파장들의 광 방출을 제공한다. 즉, 층들(106a, 106a')의 화학량론들 및/또는 폭들은 원하는 스펙트럼 출력을 얻도록 조정될 수 있다. LED 칩(103)은 기판(110), 클래딩 층들(108, 109)과 콘택들(126,128) 사이의 하나 이상의 캡핑 층(도시되지 않음) 및/또는 다중 양자 우물 액티브 영역(105)의 최종 양자 우물 층들(107", 107)과 클래딩 층들(108 및/또는 109) 사이의 하나 이상의 제한 층들(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 제한 층은 인접하는 클래딩 층과 액티브 영역(105)의 조성 사이의 전이를 제공하도록 구성되는 균일한 또는 단계적인 반도체 합금 조성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제한 층들은 액티브 영역(105) 내의 더 효율적인 재결합을 촉진하도록 캐리어들(즉, 전자들 및 정공들)을 제한하기 위해 클래딩 층들(109, 108)과 장벽 층들(107, 107") 각각의 대역 갭 에너지 사이의 대역 갭 에너지를 제공할 수 있다. 또한, 클래딩 층들(108 및/또는 109)의 화학량론들은 인접하는 장벽 층들(107", 107) 사이의 대역 갭 에너지들의 차이를 줄이도록 변경될 수 있다.
도 1B에는 액티브 영역(105) 내의 특정 수의 층들과 관련하여 도시되지만, 액티브 영역(105)의 층들의 수, 두께들 및/또는 층들의 조성들은 상이한 응용들에서 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 2개의 액티브 층(106, 106')만을 포함하는 것으로 도시되지만, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 광대역 LED 칩들은 유사한 및/또는 상이한 화학량론들을 갖는 추가적인 액티브 층들을 포함할 수 있으며, 이러한 층들의 수, 두께 및/또는 조성들은 원하는 스펙트럼 출력을 제공하도록 선택될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 즉, 광대역 LED들의 스펙트럼 출력은 액티브 영역(105)의 양자 우물들의 특성들을 조정함으로써 튜닝될 수 있다. 각각의 광대역 LED의 스펙트럼 출력의 폭은 약 100nm 이하일 수 있으므로, 화학량론의 변형들은 비교적 높은 효율로 제조될 수 있다. 더욱이, 장벽 층들(107 및/또는 107")은 일부 실시예들에서 인접하는 클래딩 층들(109 및/또는 108) 내에 각각 포함될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1C는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 LED 램프를 나타내며, 원하는 광 스펙트럼 분포의 형성을 용이하게 하기 위해 램프 내의 LED들이 변경될 수 있는 일부 방법들을 나타낸다. 구체적으로, 도 1C는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 광대역 LED들을 포함하는 LED 램프가 특정 컬러의 하나보다 많은 LED를 사용할 수 있고, 크기가 다른 LED 칩들을 사용할 수 있고, 및/또는 상이한 형상들을 갖는 LED 칩들을 사용할 수 있음을 보여준다. 이제, 도 1C를 참조하면, 다중 칩 LED 램프(150)는 제1, 제2, 제3 및 제4 다이 실장 영역들(152a, 152b, 152c, 152d)을 포함하는 공통 기판 또는 서브마운트(151)를 포함한다. 다이 실장 영역들(152a, 152b, 152c, 152d)은 광대역 LED 칩을 수용하도록 각각 구성된다.
도 1C를 계속 참조하면, 제1, 제2, 제3 및 제4 광대역 LED 칩들(153a, 153b, 153c, 153d)이 각각 서브마운트(151)의 다이 실장 영역들(152a, 152b, 152c, 152d) 상에 실장된다. 예를 들어, 제1 및 제1 광대역 LED 칩(153a)은 제2 LED 칩(153d)(C1)과 실질적으로 유사한 컬러 범위(C1)의 광을 방출할 수 있다. 제3 LED 칩(153c)은 상이한 양 및/또는 특성의 광(C2)을 방출하기 위해 다른 칩들보다 크거나 또는 작을 수 있다. 제4 LED 칩(153c)은 제3 컬러 강도 및/또는 특성의 광(C3)을 방출하도록 상이한 형상을 가질 수 있다. 광의 3개 컬러(C1, C2, C3)의 조합들은 백색 광 또는 다른 원하는 컬러 분포를 제공하도록 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 2A-2C는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 광대역 LED 칩들 및 대응하는 에너지 대역 도면들을 나타낸다. 이제, 도 2A를 참조하면, 제1 LED 칩(203a)은 p형 클래딩 층(208a)과 n형 클래딩 층(209a) 사이에 제공되는 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 기반 액티브 영역(205a)을 포함한다. InGaN 기반 액티브 영역(205a)은 복수의 교호하는 액티브 층들(206a, 206a', 206a") 및 장벽 층들(207a, 207a', 207a", 207a"')을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 일부 실시예들에서, LED 칩(203a)은 도 1A의 LED 칩(103a)에 대응할 수 있다.
액티브 영역들(206a, 206a', 206a")은 광대역 청색 LED를 제공하도록 선택되는 상이한 상대 농도들의 인듐(In) 및 갈륨(Ga)을 각각 포함한다. 예를 들어, 액티브 층(206)은 InxGa1 - xN을 포함할 수 있으며, 여기서 평균 인듐 농도 x는 약 440nm 내지 500nm의 광에 대응하는 0.12≤x≤0.19의 범위 내에 있을 수 있다. 구체적으로, 액티브 층(206a)은 평균 인듐 농도 x가 약 0.13인 InxGa1 - xN을 포함할 수 있고, 액티브 층(206a')은 평균 인듐 농도 y가 약 0.15인 InyGa1 - yN을 포함할 수 있으며, 액티브 층(206a")은 평균 인듐 농도 z가 약 0.17인 GazN1 -z를 포함할 수 있다. 인듐 갈륨 질화물 액티브 층들(206a, 206a', 206a")은 예를 들어 약 1nm 내지 100nm의 동일 및/또는 상이한 두께들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인듐 및/또는 갈륨 농도는 또한 하나 이상의 층 내에서 계단식 및/또는 연속적인 단계를 제공하기 위하여 액티브 층들(206a, 206a', 206a") 중 하나 이상의 액티브 층의 두께에 걸쳐 변할 수 있다. 인듐 갈륨 질화물 액티브 층들(206a, 206a', 206a")의 상대 농도들 및/또는 두께들은 LED 칩(203a)이 청색 파장 범위(예를 들어, 약 440nm 내지 약 500nm)에 걸치는 복수의 상이한 파장의 광을 방출하도록 선택된다. 위의 예에서 제공되는 인듐 농도들은 근사적이고 예시적이며, 따라서 원하는 농도를 얻기 위해 양자 우물들 각각 내에서 조정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
구체적으로, 도 2A의 에너지 대역 도면에 도시된 바와 같이, LED 칩(203a)의 다중 양자 우물 구조(205a)는 다양한 화학량론의 InGaN 액티브 양자 우물 층들(206a, 206a', 206a")을 포함한다. 전도 대역 에지(211a) 및 가전자 대역 에지(212a)의 에너지 레벨들은 개략적으로 도시되며, 이 레벨들은 장벽 층들(207a, 207a', 207a", 207a"')을 형성하는 데 사용되는 재료와 연관된다. 광대역 청색 LED(203a)에 대해, 장벽 층들(207a, 207a', 207a", 207a"')은 GaN으로 형성된다. 양자 우물 액티브 층들(206a, 206a', 206a") 내의 인듐 및 갈륨의 상대 농도들은 복수의 상이한 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택된다. 따라서, 양자 우물 액티브 층들(206a, 206a', 206a") 내의 전자들 및 정공들은 양자 우물들(206a, 206a', 206a")에 의해 정의되는 상이한 대역 갭들(각각 E1blue, E2blue, E3blue)과 일치하는 에너지를 갖는 광을 재결합하고 방출한다. 상이한 대역 갭들은 통합된 광대역 청색 출력 광(215a)을 제공하도록 부가적으로 결합되는, 청색 파장 범위 내의 상이한 평균 방출 파장들(λ1a, λ2a, λ3a)의 광을 제공한다. 양자 우물 층들(206a, 206a', 206a") 내의 인듐 및 갈륨의 상대 농도들은 약 465nm의 중심 파장을 갖는 약 30nm보다 큰 파장 범위에 걸치는 출력 광(215a)을 제공하도록 선택될 수 있다. 타겟 방출 파장의 광을 방출하기 위하여 특정 양자 우물 액티브 층이 타겟 인듐 농도를 갖도록 형성될 수 있지만, 양자 우물 내의 인듐은 균일하지 않으며, 따라서 대역 갭 및 따라서 방출 광의 에너지의 다소의 변화가 존재할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 열 스미어링(thermal smearing), 산란 등과 같은 다른 물리적 프로세스들은 타겟 파장만이 아니라 타겟 파장 근처의 파장들의 광도 방출되게끔 할 수 있다.
출력 광(215a)의 생성과 연관된 비방사성 에너지 손실 Eloss , blue은 (가전자 대역(212a)에서 전도 대역(211a) 내로 전자들을 상승시키는 데 필요한 에너지에 의해 정의되는) 입력 에너지 Eg , blue와 출력 에너지 Eout , blue 사이의 차이에 의해 표현된다. 출력 에너지 Eout , blue는 대역 갭 에너지들 E1blue, E2blue 및 E3blue의 함수이고, 일부 예들에서 평균일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 베이스 반도체 재료 GaN(약 3.65eV의 대역 갭)으로 형성되는 광대역 청색 LED 칩(203a)은 양자 우물들의 대역 갭이 약 3.0eV 내지 약 2.65eV의 범위일 때 약 0.65eV 내지 약 1.0eV의 비방사성 에너지 손실 Eloss , blue을 가질 수 있다. LED는 또한 도 2A의 LED 개략도에 도시되지 않은 추가적인 층들 또는 장치 엘리먼트들/구조들을 가질 수 있으며, 이는 위에 정의된 비방사성 에너지 손실 Eloss , blue 이외의 추가적인 에너지 손실로 이어질 수 있다.
도 2A를 계속 참조하면, GaN 장벽 층들(207a, 207a', 207a", 207a"')은 액티브 층들(206a, 206a', 206a")보다 큰 대역 갭을 제공하도록 선택된 (Al, In, Ga)N 조성들을 갖는다. 동일한 상대 농도들의 (Al, In, Ga)N을 각각 포함하는 것으로 도시되지만, 장벽 층들(207a, 207a', 207a", 207a"') 중 하나 이상은 도 3A를 참조하여 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 일부 실시예들에서 상이한 화학량론들을 가질 수 있다. 또한, 도 2A에는 (예를 들어, 제조의 편의를 위해) 실질적으로 감소된 대역 갭 에너지들을 제공하도록 선택된 화학량론들을 갖는 것으로 도시되지만, 액티브 층들에 대해, 또는 심지어 하나 이상의 액티브 층 내에서 다른 화학량론들도 이용될 수 있다.
이제, 도 2B를 참조하면, 제2 LED 칩(203b)은 p형 클래딩 층(208b)과 n형 클래딩 층(209b) 사이에 제공되는 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 기반 액티브 영역(205b)을 포함한다. 액티브 영역(205b)은 복수의 교호하는 InGaN 액티브 층들(206b, 206b', 206b") 및 장벽 층들(207b, 207b', 207b", 207b"')을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 따라서, InGaN 기반 액티브 영역(205b)은 제1 LED 칩(203a)의 InGaN 기반 액티브 영역(205a)보다 좁은 대역 갭을 갖는다. 일부 실시예들에서, LED 칩(203b)은 도 1A의 LED 칩(103b)에 대응할 수 있다.
액티브 층들(206b, 206b', 206b")은 광대역 녹색 LED를 제공하도록 선택되는 상이한 상대 농도들의 인듐 및 갈륨을 각각 포함한다. 예컨대, 액티브 층(206b)은 평균 인듐 농도 x가 약 0.20인 InxGa1 - xN을 포함할 수 있고, 액티브 층(206b')은 평균 인듐 농도 y가 약 0.22인 InyGa1 - yN을 포함할 수 있으며, 액티브 층(206b")은 평균 인듐 농도 z가 약 0.26인 InzGa1 - zN을 포함할 수 있다. 따라서, 액티브 층(206b)에 대한 타겟 평균 파장은 약 515nm이고, 액티브 층(206b')에 대한 타겟 평균 파장은 약 540nm이며, 액티브 층(206b")에 대한 타겟 평균 파장은 약 565nm이다. InGaN 액티브 층들(206b, 206b', 206b")은 예를 들어 약 1nm 내지 100nm의 동일한 및/또는 상이한 두께들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 인듐 및 갈륨 농도는 하나 이상의 층 내에서 계단식 및/또는 연속적인 단계를 제공하기 위하여 액티브 층들(206b, 206b', 206b") 중 하나 이상의 액티브 층의 두께에 걸쳐 변할 수 있다. InGaN 액티브 층들(206b, 206b', 206b")의 상대 농도들 및/또는 두께들은 LED 칩(203b)이 녹색 파장 범위(예를 들어, 약 495nm 내지 약 590nm)에 걸치는 복수의 상이한 파장의 광을 방출하도록 선택된다. 위의 예에서 제공되는 인듐 농도들은 근사적이고 예시적이며, 따라서 원하는 농도 및/또는 방출 특성들을 얻기 위해 양자 우물들 각각 내에서 조정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
구체적으로, 도 2B의 에너지 대역 도면에 도시된 바와 같이, LED 칩(203b)의 다중 양자 우물 구조(205b)는 복수의 상이한 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 다양한 화학량론의 InGaN 액티브 양자 우물 층들(206b, 206b', 206b")을 포함하며, 따라서 상이한 양자 우물 층들(206b, 206b', 206b")에 걸치는 재결합의 에너지(각각 E1green, E2green, E3green)는 녹색 파장 범위 내의 상이한 평균 방출 파장들 λ1b, λ2b 및 λ3b의 광을 제공한다. 상이한 방출 파장들 λ1b, λ2b 및 λ3b은 통합된 광대역 녹색 출력 광(215b)을 제공하도록 부가적으로 결합된다. 양자 우물 층들(206b, 206b', 206b") 내의 인듐 및 갈륨의 상대 농도들은 약 540nm의 중심 파장을 갖는 약 30nm보다 큰 파장 범위에 걸치는 출력 광(215b)을 제공하도록 선택될 수 있다.
출력 광(215b)의 생성과 연관된 비방사성 에너지 손실 Eloss , green은 (가전자 대역(212b)에서 전도 대역(211b) 내로 전자를 상승시키는 데 필요한 최소 에너지에 의해 정의될 수 있는) 입력 에너지 Eg , green와 출력 광자 에너지 Eout , green 사이의 차이에 의해 표현된다. Eout , green은 (집합적으로 Eout , green으로 지칭되는) 대역 갭 에너지들 E1green, E2green 및 E3green의 함수이다. 녹색 방출에 대한 비방사성 에너지 손실은 Eloss,green
Figure pct00001
Eg,green - Eout , green에 의해 주어진다(가열과 같은 시스템 효과들로 인해, 방정식의 양측은 대략 동일(
Figure pct00002
)할 수 있다). 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예들에 따른, (약 3.65eV의 대역 갭을 갖는) 베이스 반도체 재료 GaN으로 형성되는 광대역 녹색 LED 칩(203b)의 비방사성 에너지 손실은 양자 우물들의 대역 갭이 2.40eV에서 2.90eV의 범위일 때 약 0.95eV 내지 약 1.20eV일 것이다. 녹색 광대역 LED(203b)가 GaN 또는 AlGaN 대신에 InGaN 베이스 재료로 형성될 때, 전체 비방사 에너지 손실 Eloss , green은 청색 광대역 LED(203a)의 전체 비방사 에너지 손실 Eloss , blue에 비해 감소될 수 있다. 즉, 비방사 에너지 손실 Eloss , green은 입력 및 출력 에너지들 사이의 차이를 줄이기 위해 녹색 LED 칩(205b)에 대한 더 좁은 대역 갭의 베이스 재료를 선택함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, LED가 (약 2.81eV의 대역 갭을 갖는) In0 .12Ga0 .88N의 베이스 재료로 형성되는 경우, 비방사 에너지 손실은 515nm와 565nm 사이의 광 이미터(emitter)에 대해 약 0.41eV 내지 0.62eV이다. 본 명세서에서, 양자 우물로부터 방출되는 광이 E1green 또는 E3blue와 같은 특정 특성 에너지를 갖는 것으로 설명되지만, 이러한 에너지는 평균 에너지이며, 따라서 각각의 양자 우물로부터 방출되는 광은 평균 값 근처에 산포된 에너지들의 분포를 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 방출 에너지들의 범위는 열적 확장으로부터 및/또는 우물 화학량론들의 변화들로부터 발생할 수 있다. 따라서, 제2 LED 칩(203b)의 액티브 층들(206b, 206b', 206b")에 대해 제1 LED 칩(203a)의 그것들보다 좁은 대역 갭 베이스 재료 및/또는 화학량론들을 이용함으로써 보다 큰 에너지 효율을 달성할 수 있다.
도 2B를 계속 참조하면, InGaN 장벽 층들(207b, 207b', 207b", 207b"')은 액티브 층들(206b, 206b', 206b")보다 큰 대역 갭들을 제공하도록 선택되는 인듐 및 갈륨 조성들을 갖는다. 도 2B에는 동일한 상대 농도들의 인듐 및 갈륨을 포함하는 것으로 도시되지만, 하나 이상의 장벽 층(207b, 207b', 207b", 207b"')은 도 3B와 관련하여 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 일부 실시예들에서 상이한 상대 농도들의 인듐 및 갈륨을 가질 수 있다. 더욱이, 각각의 층의 화학량론이 변할 수 있다. 또한, 순차적으로 감소하는 대역 갭 에너지들의 InGaN 액티브 층들(206b, 206b', 206b")을 제공하기 위한 화학량론들을 갖는 것으로 도시되지만, 액티브 층들에 대해 다른 원소들 및/또는 화학량론들도 사용될 수 있다.
이제, 도 2C를 참조하면, 제3 LED 칩(203c)은 p형 클래딩 층(208c)과 n형 클래딩 층(209c) 사이에 제공되는 알루미늄 갈륨 인듐 인화물(AlGaInP) 기반 액티브 영역(205c)을 포함한다. AlGaInP 기반 액티브 영역(205c)은 복수의 교호하는 AlGaInP 액티브 층들(206c, 206c', 206c") 및 장벽 층들(207c, 207c', 207c", 207c"')을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 따라서, AlGaInP 기반 액티브 영역(205c)은 제2 LED 칩(203b)의 InGaN 기반 액티브 영역(205b)보다 좁은 대역 갭을 갖는다. 일부 실시예들에서, LED 칩(203c)은 도 1A의 LED 칩(103c)에 대응할 수 있다.
액티브 층들(206c, 206c', 206c")은 광대역 적색 LED를 제공하도록 구성되는 상이한 상대 농도들의 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐을 각각 포함한다. 예를 들어, 액티브 층(206c)은 약 625nm의 평균 방출 파장을 타겟으로 하는 AlxGayIn1 -x- yP를 포함할 수 있다. 액티브 층(206c')은 약 650nm의 평균 방출 파장을 타겟으로 하는 AlwGazIn1-w-zP를 포함할 수 있다. 액티브 층(206c")은 약 680nm의 평균 방출 파장을 타겟으로 하는 AluGavIn1 -u- vP를 포함할 수 있다. AlGaInP 액티브 층들(206c, 206c', 206c")은 예를 들어 약 1nm와 100nm 사이의 동일한 및/또는 상이한 두께들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐 농도들은 하나 이상의 층 내에서 계단식 및/또는 연속 단계를 제공하기 위해 하나 이상의 액티브 층(206c, 206c', 206c")의 두께에 걸쳐 변할 수 있다. AlGaInP 액티브 층들(206c, 206c', 206c")의 상대 농도들 및/또는 두께들은 LED 칩(203c)이 적색 파장 범위(예를 들어, 약 600nm 내지 약 720nm)에 걸치는 복수의 상이한 파장의 광을 방출하도록 선택된다.
구체적으로, 도 2C의 에너지 대역 도면에 도시된 바와 같이, LED 칩(203c)의 다중 양자 우물 구조(205c)는 복수의 상이한 평균 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 다양한 화학량론들의 AlGaInP 액티브 양자 우물 층들(206c, 206c', 206c")을 포함하여, 상이한 대역 갭들에 걸친 재결합의 에너지가 적색 파장 범위 내의 상이한 평균 방출 파장들 λ1c, λ2c 및 λ3c의 광을 제공한다. 상이한 평균 방출 파장들 λ1c, λ2c 및 λ3c은 부가적으로 결합하여 통합된 광대역 적색 출력 광(215c)을 제공한다. 양자 우물 층들(206c, 206c', 206c") 내의 알루미늄, 갈륨 및 인듐의 상대 농도들은 물론, 우물 치수들도 약 665nm의 중심 파장을 갖는 약 30nm보다 큰 파장 범위에 걸치는 출력 광(215c)을 제공하도록 선택될 수 있다.
출력 광(215c)의 생성과 연관된 비방사성 에너지 손실 Eloss , red은 (AlGaInP 장벽 영역(207c)의 에너지에 의해 정의되는) 입력 에너지 Eg , red와, (집합적으로 Eout , red로 지칭되는) 평균 대역 갭 에너지들 E1red, E2red 및 E3red을 갖는 다중 양자 우물 구조들과 일치하는 광자 에너지들 사이의 차이에 의해 표현된다. 전술한 바와 같이, 방출된 광자의 파장은 대역 갭 에너지에 반비례한다. 따라서, 적색 파장 범위의 광을 생성하기 위한 출력 에너지 Eout , red는 녹색 및 청색 파장 범위들의 광을 생성하기 위한 출력 에너지 Eout , green 및 Eout , blue보다 작다. 그러나, AlGaInP의 대역 갭 에너지 Eg , red는 예를 들어 GaN 및 InGaN으로 각각 형성된 대역 갭 에너지들 Eout , green 및 Eout,blue보다 좁으므로, 전체 비방사성 에너지 손실 Eloss , red이 감소될 수 있다. 즉, 녹색 LED 칩 액티브 영역(205b)보다 적색 LED 칩 액티브 영역(205c)에 대해 더 좁은 대역 갭 재료를 선택함으로써, 입력 및 출력 에너지들 사이의 차이가 감소될 수 있으며, 따라서 비방사성 에너지 손실 Eloss , red이 감소될 수 있다. 따라서, 더 높은 파장의 광을 방출하는 광대역 LED 칩들에서 점점 더 좁은 대역 갭들을 갖는 상이한 베이스 재료들을 사용함으로써 향상된 에너지 효율이 달성될 수 있다.
도 2C를 계속 참조하면, AlGaInP 장벽 층들(207c, 207c', 207c", 207c"')은 액티브 층들(206c, 206c', 206c")보다 큰 대역 갭을 제공하도록 선택되는 알루미늄, 갈륨 및 인듐 조성들을 갖는다. 또한, 도 2C에는 동일한 상대 농도들의 알루미늄, 갈륨 및 인듐을 포함하는 것으로 도시되지만, 하나 이상의 장벽 층(207c, 207c', 207c", 207c"')은 도 3C에 관련하여 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 일부 실시예들에서 상이한 상대 조성들의 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐을 가질 수 있다. 게다가, 순차적으로 감소하는 대역 갭 에너지들을 제공하도록 선택되는 화학량론들을 갖는 것으로 도시되지만, AlGaInP 액티브 층들에 대해 다른 화학량론들도 이용될 수 있다.
따라서, 도 2A-2C에 도시된 우물들 중 하나 이상의 우물의 수, 폭, 깊이(화학량론에 기초함), 간격, 도핑, 형상 및/또는 반도체 재료는 원하는 스펙트럼 출력을 달성하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 평균 방출 컬러를 선택하거나 또는 스펙트럼 분포를 개선하고 및/또는 효율을 변경하기 위해, 양자 우물 성장 시간을 조정하고, 성장 온도를 변경하고, 및/또는 챔버 가스들의 부분압들을 조정함으로써 양자 우물 폭이 변경될 수 있다. 가스 부분압들 및/또는 다른 성장 파라미터들을 변경함으로써 우물 화학량론들도 조정될 수 있다. 이들과 같은 변경들은 불균일한 형상(즉, 다양한 화학량론들)을 갖는 우물들을 생성하기 위해 양자 우물의 성장 동안에 이루어질 수 있다. 게다가, 양자 우물들이 형성되는 시퀀스는 성장되는 구조의 요건들에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 매우 상이한 화학량론들을 갖는 양자 우물들을 포함하는 구조가, 특정 원소의 농도가 인접하는 우물들에서 순차적으로 증가하여 순차적으로 감소하는 대역 갭들의 양자 우물들을 제공하고, 이것이 효율을 증가시키고 및/또는 최대화시키고 및/또는 재흡수를 줄일 수 있도록 성장될 수 있다.
또한, 도 2A-2C에는 3개의 개별 칩(203a, 203b, 203c) 내에 포함되는 것으로 도시되지만, GaN, InGaN 및/또는 AlGaInP 다중 양자 우물 액티브 영역들(205a, 205b 및/또는 205c)은 공통 기판 상에 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, GaN 기반 다중 양자 우물 구조, InGaN 기반 다중 양자 우물 구조 및 AlGaInP 기반 다중 양자 우물 구조는 단일 기판 상에 형성될 수 있으며, 그 조합이 백색 광으로서 인식되도록 결합되는 청색, 녹색 및 적색 파장 범위들에 걸치는 광을 각각 방출할 수 있다.
도 3A-3C는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광대역 LED 칩들 및 대응하는 에너지 대역 도면들이다. 도 3A-3C의 광대역 LED 칩들에서, 장벽 층들 및/또는 양자 우물 액티브 층들 중 하나 이상의 화학량론들은 성능을 지원하도록 변경된다.
구체적으로, 이제 도 3A를 참조하면, 청색 LED 칩(303a)은 p형 클래딩 층(308a)과 n형 클래딩 층(309a) 사이에 갈륨 질화물(GaN) 기반 액티브 영역(305a)을 포함한다. GaN 기반 액티브 층(305a)은 복수의 교호하는 InGaN 액티브 층들(306a, 306a', 306a") 및 GaN 장벽 층들(307a, 307a', 307a", 307a"')을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 일부 실시예들에서, LED 칩(303a)은 도 1A의 LED 칩(103a)에 대응할 수 있다. 또한, 액티브 층들(306a, 306a', 306a")은 청색 출력 광(315a)을 제공하기 위해 도 2A의 LED 칩(203a)의 액티브 층들(206a, 206a', 206a")과 유사하게 구성될 수 있다. 그러나, 양자 우물 액티브 영역들(306a, 306a', 306a")을 둘러싸는 영역들은 다양한 화학량론들을 가지며, 따라서 서로에 대해 상이한 형상을 갖는다. 구체적으로, 장벽 층들(307a, 307a', 307a", 307a"')은 복수의 순차적으로 감소하는 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 갈륨 대 질화물의 상이한 비율들을 갖는다. 갈륨 농도들은 또한 계단식 및/또는 연속적인 단계를 제공하기 위하여 액티브 층들(306a, 306a', 306a") 사이에서 장벽 층들(307a', 307a")의 두께에 걸쳐 변할 수 있는 반면, 클래딩 층들(309a, 308a)에 인접하는 장벽 층들(307a, 307a"')은 일정한 갈륨 농도들을 가질 수 있다. 따라서, 장벽 층들(307a, 307a', 307a", 307a"')의 상대 농도들은 청색 파장 범위(예를 들어, 약 410nm 내지 약 495nm)에 걸치는 광 방출의 향상된 효율을 제공하기 위해 재결합을 유도 및/또는 향상시키도록 선택될 수 있다.
마찬가지로, 이제 도 3B를 참조하면, 녹색 LED 칩(303b)은 p형 클래딩 층(308b)과 n형 클래딩 층(309b) 사이에 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 기반 액티브 영역(305b)을 포함한다. InGaN 기반 액티브 층(305b)은 복수의 교호하는 InGaN 액티브 층들(306b, 306b') 및 InGaN 장벽 층들(307b, 307b', 307b")을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 일부 실시예들에서, LED 칩(303b)은 도 1A의 LED 칩(103b)에 대응할 수 있다. 또한, 액티브 층들(306b, 306b')은 녹색 출력 광(315b)을 제공하기 위해 도 2B의 LED 칩(203b)의 액티브 층들(206b, 206b')과 유사하게 구성될 수 있다. 그러나, 장벽 층들(307b, 307b', 307b")은 복수의 순차적으로 감소하는 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 인듐 및 갈륨의 상이한 비율들을 갖는다. 또한, 인듐 및/또는 갈륨 농도는 계단식 및/또는 연속적인 단계를 제공하기 위하여 장벽 층(307b')의 두께에 걸쳐 변할 수 있는 반면, 클래딩 층들(309b, 308b)에 인접하는 장벽 층들(307b, 307b")은 일정한 농도들을 가질 수 있다. 따라서, 장벽 층들(307b, 307b', 307b")의 상대 농도들은 녹색 파장 범위(예를 들어, 약 495nm 내지 약 590nm)에 걸치는 광 방출의 향상된 효율을 제공하기 위해 재결합을 유도 및/또는 향상시키도록 선택될 수 있다.
또한, 이제 도 3C를 참조하면, 적색 LED 칩(303c)은 p형 클래딩 층(308c)과 n형 클래딩 층(309c) 사이에 알루미늄 갈륨 인듐 인화물(AlGaInP) 기반 액티브 영역(305c)을 포함한다. InGaN 기반 액티브 층(305c)은 복수의 교호하는 AlGaInP 액티브 층들(306c, 306c', 306c") 및 AlGaInP 장벽 층들(307c, 307c', 307c", 307c"')을 포함하는 다중 양자 우물 구조이다. 일부 실시예들에서, LED 칩(303c)은 도 1A의 LED 칩(103c)에 대응할 수 있다. 그러나, 액티브 층들(306c, 306c', 306c")은 적색 출력 광(315c)을 제공하기 위해 복수의 상이한 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐의 상이한 비율들을 가질 수 있다. 구체적으로, 서로에 대해 상이한 형상들의 양자 우물 구조들을 제공하기 위하여, 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐 농도들은 액티브 층들(306c', 306c")의 두께에 걸쳐 변할 수 있는 반면, 액티브 층(306c)은 일정한 농도를 가질 수 있다. 또한, 장벽 층들(307c, 307c', 307c", 307c"')은 복수의 상이한 대역 갭 에너지를 정의하도록 선택되는 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐의 상이한 비율들을 갖는다. 알루미늄, 갈륨 및/또는 인듐 농도들은 계단식 및/또는 연속적인 단계를 제공하기 위하여 장벽 층(307c")의 두께에 걸쳐 변할 수 있는 반면, 장벽 층들(307c, 307c', 307c"')은 일정한 농도들을 가질 수 있다. 따라서, 장벽 층들(307c, 307c', 307c", 307c"') 및/또는 액티브 층들(306c, 306c', 306c")의 상대 농도들은 적색 파장 범위(예를 들어, 약 600nm 내지 약 720nm)에 걸치는 광 방출의 보다 높은 효율을 제공하기 위해 재결합을 유도 및/또는 향상시키도록 선택될 수 있다.
도 4A-4D는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 발광 장치 램프들의 예시적인 스펙트럼 방출 특성들을 나타내는 그래프들이다. 도 4A는 도 1A, 2A 및 3A의 LED 칩들(103a, 203a, 303a)과 같은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 청색 광대역 LED 칩의 예시적인 스펙트럼 출력을 나타낸다. 도 4A에 도시된 바와 같이, 청색 LED 칩에 의해 방출되는 광은 다중 양자 우물 청색 광대역 LED 칩의 액티브 층들에 의해 제공되는 상이한 협대역 방출 파장들(416a)의 조합의 결과로서 청색 파장 범위(예를 들어, 약 410nm-495nm)에 걸치는 비대칭 스펙트럼 분포(415a)를 정의한다. 스펙트럼 분포(415a)는 약 465nm의 파장(본 명세서에서 "중심 파장"이라고도 함)에 중심을 갖는 반면, 스펙트럼 분포(415a)의 피크 파장(420a)은 청색 파장 범위의 끝을 향해, 예를 들어 약 480nm에서 발생한다.
도 4B는 도 1A, 2B 및 3B의 LED 칩들(103b, 203b, 303b)과 같은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 녹색 광대역 LED 칩의 예시적인 스펙트럼 출력을 나타낸다. 이제, 도 4B를 참조하면, 녹색 LED 칩에 의해 방출되는 광은 다중 양자 우물 녹색 광대역 LED 칩의 액티브 층들에 의해 제공되는 상이한 협대역 방출 파장들(416b)의 조합의 결과로서 녹색 파장 범위(예를 들어, 약 495nm-590nm)에 걸치는 비대칭 스펙트럼 분포(415b)를 정의한다. 스펙트럼 분포(415b)는 약 535nm의 파장에 중심을 갖는 반면, 스펙트럼 분포(415b)의 피크 파장(420b)은 녹색 파장 범위의 끝을 향해, 예를 들어 약 560nm에서 발생한다.
도 4C는 도 1A, 2C 및 3C의 LED 칩들(103c, 203c 및/또는 303c)과 같은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적색 광대역 LED 칩의 예시적인 스펙트럼 출력을 나타낸다. 도 4C에 도시된 바와 같이, 적색 LED 칩에 의해 방출되는 광은 다중 양자 우물 적색 광대역 LED 칩의 액티브 층들에 의해 제공되는 상이한 협대역 방출 파장들(416c)의 조합의 결과로서 적색 파장 범위(예를 들어, 약 600nm-720nm)에 걸치는 비대칭 스펙트럼 분포(415c)를 정의한다. 스펙트럼 분포(415c)는 약 665nm의 파장에 중심을 갖는 반면, 스펙트럼 분포(415c)의 피크 파장(420c)은 적색 파장 범위의 끝을 향해, 예를 들어 약 690nm에서 발생한다.
도 4D는 도 1A의 LED 램프(100)와 같은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 청색, 녹색 및 적색 광대역 LED 칩들을 포함하는 LED 램프의 결합된 스펙트럼 출력을 나타낸다. 이제, 도 4D를 참조하면, 청색, 녹색 및 적색 광대역 LED들의 스펙트럼 분포들(415a, 415b, 415c)은 예를 들어 태양광의 스펙트럼 분포에 가까운 전체적인 스펙트럼 분포(400)를 제공하도록 결합된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 개별 LED들의 방출 스펙트럼들의 형상은 청색, 녹색 및/또는 적색 광대역 LED 칩들의 액티브 층들의 화학량론들 및/또는 재료 조성들을 조정함으로써 다른 원하는 스펙트럼 출력들을 제공하도록 변경될 수 있다. 또한, 액티브 층들의 상대 농도들은 예를 들어 열 효과들, 증가된 전류 밀도 등의 영향을 고려하여 특정 동작 조건들 하에서 최적의 스펙트럼을 생성하도록 설계될 수 있다. (도 4D에 465nm, 535nm 및 665nm로 각각 표시된) 인접하는 스펙트럼 분포들(415a, 415b, 415c)의 중심 파장들은 일부 실시예들에서 대응하는 반치반폭 값들의 합보다 작게 이격될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스펙트럼 분포(400) 내의 임의 파장으로 방출되는 에너지(또는 광자들의 수)는 청색, 녹색 또는 적색 LED 칩 중 어느 하나에 의해 개별적으로 다른 파장으로 방출되는 에너지(또는 양자들의 수)의 약 125%를 초과하지 않을 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프들을 형광체와 같은 광 변환 재료들을 포함하지 않으므로, 동작 효율이 향상될 수 있다.
도 5A 및 5B는 본 발명의 추가 실시예들에 따른 LED 램프들 및 대응하는 스펙트럼 출력을 나타낸다. 이제, 도 5A를 참조하면, 다중 칩 LED 램프(500)는 제1 및 제2 다이 실장 영역들(502a, 502b)을 포함하는 공통 기판 또는 서브마운트(501)를 포함한다. 다이 실장 영역들(502a, 502b)은 각각 광대역 LED 칩을 수용하도록 구성된다. 제1 및 제2 광대역 LED 칩들(503a, 503b)은 서브마운트(501)의 다이 실장 영역들(502a, 502b) 상에 각각 실장된다. 형광체와 같은 광 변환 재료(506)는 광대역 LED 칩들(503a, 503b) 중 적어도 하나에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고 상이한 파장의 광을 재방출하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광 변환 재료(506)는 제1 및 제2 광대역 LED 칩들(503a, 503b)에 의해 방출되는 광의 파장 범위들 사이의 파장 범위에 걸치는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 광 변환 재료(506)는 다중 칩 LED 램프(500)에 걸쳐 두께 또는 조성이 상이할 수 있음이 인식된다. 일 실시예에서, LED(503a)는 파장 λabsorb ,B에서 흡수하고 λemit ,B에서 방출하도록 구성되는 광 변환 재료(506)를 익사이팅시킬(excite) 수 있는 반면, LED(503b)는 파장 λabsorb ,R에서 흡수하고 λemit ,R에서 방출하도록 구성되는 광 변환 재료(506)를 익사이팅시킬 수 있다. 이러한 설명 예에서, 분포 λemit ,B는 λemit ,R과 오버랩되거나 오버랩되지 않을 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5A에 도시된 바와 같이, 제1 광대역 LED 칩(503a)은 청색 파장 범위(즉, 약 410-495nm 사이)의 광을 방출하도록 구성되는 청색 LED 칩이며, 제2 LED 칩(503b)은 적색 파장 범위(즉, 약 600-720nm 사이)의 광을 방출하도록 구성되는 적색 LED 칩이다. 예를 들어, 제1 LED 칩(503a)은 도 2A의 LED 칩(203a)과 같이 청색 파장 범위의 광대역 광 출력을 제공하도록 구성되는 GaN 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함할 수 있다. 또한, 제2 LED 칩(503b)은 도 2C의 LED 칩(203c)과 같이 적색 파장 범위의 광대역 광 출력을 제공하도록 구성되는 AlGaInP 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함할 수 있다.
도 5A를 계속 참조하면, 광 변환 재료(506)는 광대역 LED 칩들(503a, 503b)에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고 녹색 파장 범위(즉, 약 495-590nm 사이)의 광을 재방출하도록 구성되는 LuAG(란타나이드 + YAG)와 같은 녹색 형광체이다. 광 변환 재료(506)는 많은 상이한 기술들을 이용하여 LED 칩들(503a 및/또는 503b) 중 하나 또는 양자를 적어도 부분적으로 커버하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 광 변환 재료(506)는 LED 칩들(503a 및/또는 503b)을 둘러싸는 플라스틱 쉘(shell) 내의 캡슐 재료 내에 포함될 수 있다. 추가로 및/또는 대안으로, 광 변환 재료(506)는 예를 들어 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 공개 제2006/0063289호에 설명된 바와 같이 LED 칩들(503a 및/또는 503b) 상에 직접 코팅될 수 있다. 다른 기술들에서, 광 변환 재료(506)는 스핀 코팅, 몰딩, 스크린 프린팅, 증발 및/또는 전기 영동 퇴적을 이용하여 LED 칩들(503a 및/또는 503b) 상에 코팅될 수 있다. 더구나, 광 변환 재료(506)는 다이렉트(direct) 대역 갭 반도체와 같은 반도체 재료에 의해 제공될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 광대역 LED 칩들(503a, 503b) 및 광 변환 재료(506)에 의해 방출되는 광은 백색 광을 제공하도록 결합된다.
도 5B는 도 5A의 LED 램프(500)와 같은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 청색 및 적색 광대역 LED 칩들 및 녹색 형광체를 포함하는 LED 램프의 결합된 스펙트럼 출력을 나타낸다. 이제, 도 5B를 참조하면, 청색 및 적색 광대역 LED 칩들(503a, 503b)은 각각 스펙트럼 분포들(515a, 515b)로 도시되는 바와 같이 약 100nm의 범위에 걸치는 약 465nm 및 665nm의 중심 파장을 갖는 광을 방출한다. 도 5B에 도시된 바와 같이, 중심 파장들은 스펙트럼 분포들(515a, 515b)의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크게 이격된다. 스펙트럼 분포들(515a, 515b)은 비대칭이며, 피크 파장들은 청색 및 적색 파장 범위들의 끝들을 향해 각각 발생한다. 또한, 광 변환 재료(506)는 청색 및 적색 LED 칩들(503a, 503b)로부터의 광의 적어도 일부를 흡수하고, 스펙트럼 분포(515c)로 도시된 바와 같이 약 100nm의 범위에 걸치는 약 535nm의 중심 파장을 갖는 광을 방출한다. 청색 및 적색 광대역 LED 칩들(503a, 503b) 및 녹색 광 변환 재료(506)에 의해 방출되는 광의 조합은 백색 광으로 인식되는 전체적인 스펙트럼 분포(505)를 제공하도록 결합된다.
도 5A-5B에는 특정 재료들과 관련하여 도시되지만, 비교적 높은 효율로 비교적 높은 CRI 백색 광 출력을 제공하기 위하여 제1 및 제2 광대역 LED 칩들(503a, 503b) 및/또는 광 변환 재료(506)에 대해 상이한 재료들이 선택될 수 있다. 또한, 2개의 광대역 LED 칩들 및 단일 광 변환 재료를 포함하는 것으로 도시되지만, 원하는 스펙트럼 출력을 제공하기 위해 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 램프들 내에는 추가적인 광대역 LED들 및/또는 광 변환 재료들이 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 복수의 광대역 LED 칩을 포함하는 다중 칩 램프들은 전통적인 LED 기반 램프들에 비해 비교적 높은 효율로 높은 CRI 백색 광 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 여기에 설명되는 광대역 LED 칩들은 예를 들어 금속 유기 기상 에피텍시(MOVPE), 수소화물 기상 에피텍시(HVPE), 분자빔 에피텍시(MBE) 및/또는 다른 기술들을 이용하는 적절한 기판들 상의 에피텍셜 성장을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, LED 칩들은 패터닝, 에칭 및/또는 유전체 및 금속 증착 기술들 및/또는 다른 기술들을 이용하여 제조될 수 있다.
여기에 설명되는 광대역 LED 칩들의 크기 및 설계는 예를 들어 주어진 전류에 대해 방출되는 광자들의 수와 같은 원하는 스펙트럼 출력을 제공하도록 조정 및/또는 최적화될 수 있다. 개별 광대역 LED들은 또한 구동 전류 소스에 대한 보다 양호한 매칭을 제공하도록 크기 및/또는 설계가 조정될 수 있다. 대안으로, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 다중 칩 램프 내의 각각의 광대역 LED는 별개의 전류 소스를 이용하여 익사이팅될 수 있어서, 방출되는 상대적인 광이 원하는 전체 스펙트럼 출력을 달성하도록 조정 및/또는 최적화될 수 있다.
도면들 및 명세서에서 본 발명의 전형적인 실시예들이 개시되었다. 그러나, 본 발명의 원리들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 이들 실시예에 대한 다양한 변경들 및 개량들이 이루어질 수 있다. 따라서, 특정 용어들이 사용되지만, 이들은 한정의 목적이 아니라, 단지 일반적이고 설명적인 의미로 사용되며, 본 발명의 범위는 아래의 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (35)

  1. 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프로서,
    복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 광대역 LED 칩
    을 포함하고,
    상기 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 반도체 화합물을 각각 포함하고, 백색 광의 외관을 제공하도록 결합되는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성되는 다중 칩 LED 램프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 분포는 약 35 나노미터(nm)보다 큰 반치전폭(FWHM)을 갖는 다중 칩 LED 램프.
  3. 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프로서,
    제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 제1 광대역 LED 칩 ― 상기 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하고, 제1 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―; 및
    제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 제2 광대역 LED 칩 ― 상기 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하고, 상기 제1 파장 범위의 파장들보다 큰 파장들을 포함하는 제2 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―
    을 포함하고,
    상기 제2 반도체 화합물은 상기 제1 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 가지며, 상기 제1 및 제2 광대역 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합되는 다중 칩 LED 램프.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광대역 LED 칩들 중 적어도 하나에 의해 방출되는 광의 스펙트럼 분포는 약 35 나노미터(nm)보다 큰 반치전폭(FWHM)을 갖는 다중 칩 LED 램프.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실은 상기 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실보다 작은 다중 칩 LED 램프.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의하고, 상기 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의하며, 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않은 다중 칩 LED 램프.
  7. 제3항에 있어서,
    제3 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 제3 광대역 LED 칩 ― 상기 제3 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제3 반도체 화합물을 각각 포함하고, 상기 제2 파장 범위의 파장들보다 큰 파장들을 포함하는 제3 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―
    을 더 포함하고,
    상기 제3 반도체 화합물은 상기 제2 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 가지며, 상기 제1, 제2 및 제3 광대역 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합되는 다중 칩 LED 램프.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제3 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실은 상기 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실보다 작은 다중 칩 LED 램프.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의하고, 상기 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의하고, 상기 제3 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제3 파장 범위에 걸치는 제3 스펙트럼 분포를 정의하며, 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않고, 상기 제2 및 제3 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 상기 제2 및 제3 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 크지 않은 다중 칩 LED 램프.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 파장 범위는 청색 광에 대응하고, 상기 제2 파장 범위는 녹색 광에 대응하며, 상기 제3 파장 범위는 적색 광에 대응하는 다중 칩 LED 램프.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1, 제2 및 제3 파장 범위들 각각은 약 30 나노미터(nm)보다 큰 다중 칩 LED 램프.
  12. 제3항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제1 및/또는 제2 파장 범위에 걸치는 비대칭 스펙트럼 분포를 정의하는 다중 칩 LED 램프.
  13. 제3항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 파장 범위 내의 파장에서 방출되는 광과 연관된 에너지는 상기 제1 및 제2 광대역 LED 칩들 중 하나에 의해 상기 제1 및/또는 제2 파장 범위 내의 다른 파장에서 방출되는 광과 연관된 에너지의 약 125%보다 크지 않은 다중 칩 LED 램프.
  14. 제3항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 파장 범위 내의 파장에서 방출되는 광자들의 수는 상기 제1 및 제2 광대역 LED 칩들 중 하나에 의해 상기 제1 및/또는 제2 파장 범위 내의 다른 파장에서 방출되는 광자들의 수의 약 125%보다 크지 않은 다중 칩 LED 램프.
  15. 제3항에 있어서, 상기 램프는 광 변환 재료를 포함하지 않는 다중 칩 LED 램프.
  16. 제3항에 있어서, 상기 제1 및/또는 제2 복수의 장벽 층은 캐리어들의 재결합을 강화시키기 위해 각각의 제1 및/또는 제2 복수의 액티브 층의 상대 농도들에 기초하여 단계적 농도들(graded concentrations)의 각각의 원소들의 상기 제1 및/또는 제2 반도체 화합물들을 각각 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  17. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반도체 화합물들은 상이한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물들을 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  18. 제3항에 있어서, 상기 제1 반도체 화합물은 GaN을 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수의 제1 액티브 층은 In0 .13Ga0 .87N의 제1 층, In0.15Ga0.85N의 제2 층 및 In0 .17Ga0 .83N의 제3 층을 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  20. 제3항에 있어서, 상기 제2 반도체 화합물은 InGaN을 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  21. 제20항에 있어서, 상기 복수의 제2 액티브 층은 InxGa1 - xN의 제1 층 및 InyGa1-yN의 제2 층을 포함하고, x와 y는 동일하지 않은 다중 칩 LED 램프.
  22. 제20항에 있어서, 상기 복수의 제2 액티브 층은 In0 .20Ga0 .80N의 제1 층, In0.22Ga0.78N의 제2 층 및 In0 .26Ga0 .74N의 제3 층을 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  23. 제7항에 있어서, 상기 제3 반도체 화합물은 AlGaInP를 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  24. 제23항에 있어서, 상기 복수의 제3 액티브 층은 AlxGayIn1 -x- yP의 제1 층 및 AlwGazIn1-w-zP의 제2 층을 포함하고, x와 w는 동일하지 않고, y와 z는 동일하지 않은 다중 칩 LED 램프.
  25. 제3항에 있어서, 상기 제1 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제1 파장 범위에 걸치는 제1 스펙트럼 분포를 정의하고, 상기 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 제2 파장 범위에 걸치는 제2 스펙트럼 분포를 정의하며, 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 중심 파장들 사이의 간격은 상기 제1 및 제2 스펙트럼 분포들의 각각의 반치반폭 값들의 합보다 작지 않은 다중 칩 LED 램프.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 및/또는 제2 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고, 상기 제1 및 제2 파장 범위들 사이의 제3 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 재방출하도록 구성되는 광 변환 재료를 더 포함하여, 상기 제1 및 제2 광대역 LED 칩들 및 상기 광 변환 재료에 의해 방출되는 광을 결합하여 상기 백색 광을 제공하는 다중 칩 LED 램프.
  27. 제27항에 있어서, 상기 광 변환 재료는 상기 제1 및/또는 제2 광대역 LED 칩 상에 바로 위치하지 않은 다중 칩 LED 램프.
  28. 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프로서,
    제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 청색 광대역 LED 칩 ― 상기 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하고, 청색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―;
    제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 녹색 광대역 LED 칩 ― 상기 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하고, 녹색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―; 및
    제3 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 적색 광대역 LED 칩 ― 상기 제3 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제3 반도체 화합물을 각각 포함하고, 적색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―
    을 포함하고,
    상기 제3 반도체 화합물은 상기 제2 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 갖고, 상기 제2 반도체 화합물은 상기 제1 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 가지며, 상기 청색, 녹색 및 적색 LED 칩들에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합되는 다중 칩 LED 램프.
  29. 제28항에 있어서, 상기 녹색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실은 상기 청색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실보다 작고, 상기 적색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실은 상기 녹색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 비방사성 에너지 손실보다 작은 다중 칩 LED 램프.
  30. 제28항에 있어서, 상기 청색, 녹색 및/또는 적색 LED 칩에 의해 방출되는 광은 상기 각각의 파장 범위들에 걸치는 비대칭 스펙트럼 분포를 정의하는 다중 칩 LED 램프.
  31. 제28항에 있어서, 상기 램프는 광 변환 재료를 포함하지 않는 다중 칩 LED 램프.
  32. 제28항에 있어서, 상기 제1 반도체 화합물은 GaN을 포함하고, 상기 제2 반도체 화합물은 InGaN을 포함하며, 상기 제3 반도체 화합물은 AlGaInP를 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  33. 백색 광을 제공하기 위한 다중 칩 발광 장치(LED) 램프로서,
    제1 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 청색 광대역 LED 칩 ― 상기 제1 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제1 반도체 화합물을 각각 포함하고, 청색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―;
    제2 복수의 교호하는 액티브 및 장벽 층들을 포함하는 다중 양자 우물 액티브 영역을 포함하는 적색 광대역 LED 칩 ― 상기 제2 복수의 액티브 층은 상이한 상대 농도들의 적어도 2개의 원소의 제2 반도체 화합물을 각각 포함하고, 적색 파장 범위에 걸치는 복수의 상이한 방출 파장의 광을 방출하도록 각각 구성됨 ―; 및
    상기 청색 및/또는 적색 광대역 LED 칩에 의해 방출되는 광의 적어도 일부를 흡수하고, 녹색 파장 범위에 걸치는 광을 재방출하도록 구성되는 광 변환 재료
    를 포함하고,
    상기 제2 반도체 화합물은 상기 제1 반도체 화합물보다 좁은 대역 갭을 가지며, 상기 청색 및 적색 LED 칩들 및 상기 광 변환 재료에 의해 방출되는 광은 백색 광의 외관을 제공하도록 결합되는 다중 칩 LED 램프.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1 반도체 화합물은 GaN을 포함하고, 상기 제2 반도체 화합물은 AlGaInP를 포함하는 다중 칩 LED 램프.
  35. 제33항 있어서, 상기 제1 반도체 화합물의 대역 갭과 상기 청색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 에너지 사이의 차이는 상기 제2 반도체 화합물의 대역 갭과 상기 적색 LED 칩에 의해 방출되는 광과 연관된 에너지 사이의 차이보다 작은 다중 칩 LED 램프.
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