JP2005079583A - 広域スペクトルＡｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ発光ダイオードおよび固体白色発光デバイス - Google Patents

広域スペクトルＡｌ（１−ｘ−ｙ）ＩｎｙＧａｘＮ発光ダイオードおよび固体白色発光デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】基板、バッファー層、Ｎ型クラッド層、少なくとも１つの量子ドット放出層およびＰ型クラッド層を備える広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDを提供すること。
【解決手段】基板；該基板の上に配置されたバッファー層；該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層を備える、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED。
【選択図】なし

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)および固体白色発光デバイスに関し、より詳しくは、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDおよび固体白色発光デバイスに関する。
近年の窒化物発光デバイスの急速な発展は、移動電話、表示器およびアウトドア用ディスプレイパネルに使用されるバックライトなどの高輝度LEDの高い需要をもたらしている。発光効率における有効な増強に加え、白色光源として利用するための高輝度LEDの使用に高い関心と期待がよせられている。現在、白色光源として利用するために高輝度LEDを用いた構造としては、以下のものが挙げられる。
第１の構造は、日亜化学工業株式会社により開発されたものであり、この場合では、黄色蛍光粉末（YAG: Ce; Y3Al5O12: Ce3+）を青色LEDに添加して混色白色光を発生させる（特許文献１参照）。かかる構造は、市販の白色発光デバイスの中で最も安価な白色発光デバイスを提供する。しかしながら、青色後光効果、信頼性低下および蛍光粉末の光変換効率の低さ、ならびに単一LEDの使用による発光効率の限界のため、かかる構造では、高彩度、高光度、高信頼性を有し、種々の色温度調節が可能な白色発光デバイスを得ることができない。
第２の構造は、最近開発され、前述の白色光源の低い演色評価数（CRI）を改善することが目的とされた。この場合では、高いCRI数を有する白色光源を得るために、紫外線Ａ波（UVA）を励起して赤、緑および青の蛍光粉末を作製した（特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。かかる構造は、RGB蛍光粉末の混合物の信頼性が低いという欠点を伴う。また、UVAの励起により得られる光源は混色光源として利用することができず、そのため、さらに低い光度がもたらされる。さらに、かかる構造は、パッケージング工程中における樹脂の劣化およびUVAの漏れという安全性の問題を克服する必要がある。
第３の構造は、原価高のものであり、高輝度を得るために複数の発光デバイスを一緒にした構造であり、これにより良好なCRIを有する白色光源を得る（特許文献５参照）。しかしながら、かかる構造で得られる市販のパッケージは、580nmより大きい波長の赤‐橙‐黄色光AlGaInP LEDおよび窒化物青色LEDを含むものに限定される。このため、かかる構造の欠点としては、多数のチップのパッケージングに伴う原価高、および熱安定性、駆動電圧および材質信頼性などの異なる特性を有する２つのLEDのパッケージングに伴う困難が挙げられる。
また、異なる周波帯を有する複数の量子井戸を単一のチップに使用して直接白色光を発生させることも示唆されている（特許文献６参照）。しかしながら、かかるデバイスの製造方法およびかかるデバイスの発光効率は、商業的な白色光の性能に対する要求を満たすことができない。さらなる代替法は、AlGaInPを励起するためのAl(1-x-y)InyGaxN青色光チップを、黄色光を発生させるために使用し、次いで、これを混色して白色光源を得ることである。しかしながら、黄色光の低光度および狭帯域幅は、乏しいライティング効果をもたらす。さらに別の代替法は、ZnSeを発光用物質として使用することである（特許文献７参照）。しかしながら、その信頼性、彩度、光度は、Al(1-x-y)InyGaxNタイプの白色発光デバイスに劣る。
米国特許第6,069,440号明細書 米国特許第6,592,780号明細書 米国特許第6,580,097号明細書 米国特許第6,596,195号明細書 米国特許第6,563,139号明細書 特開2001-028458号公報 米国特許第6,337,536号明細書
したがって、上記欠点を解決することができる、新規なLEDおよび固体白色発光デバイスが必要とされている。
したがって、本発明の目的は、基板、バッファー層、Ｎ型クラッド層、少なくとも１つの量子ドット放出層およびＰ型クラッド層を備える広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDを提供することである。バッファー層は基板上に配置される。Ｎ型クラッド層は、バッファー層上に配置され、電子を提供する機能を果たす。量子ドット放出層はＮ型クラッド層上に配置される。量子ドット放出層は、量子ドット放出層の発光波長のFWHM（半値全幅）が増大するような、複数の量子ドットを一様でない特性分布で含む。Ｐ型クラッド層は、量子ドット放出層上に配置され、正孔を提供する機能を果たす。
具体的には、本発明の要旨は、以下の通りである：
〔１〕基板；
該基板の上に配置されたバッファー層；
該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
を備える、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED；
〔２〕量子ドットが量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように種々の寸法である、前記〔１〕記載のLED；
〔３〕量子ドットのインジウム含有量が量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、前記〔１〕記載のLED；
〔４〕量子ドットのインジウム含有量が量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、前記〔２〕記載のLED；
〔５〕量子ドット放出層が、第一バリア層および第二バリア層をさらに含み、該第一バリア層が量子ドットの下に配置され、該第二バリア層が量子ドットの上に配置され、該第一バリア層および該第二バリア層がそれぞれ量子ドットのエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する、前記〔１〕記載のLED；
〔６〕複数の量子ドット放出層を備え、該量子ドット放出層のそれぞれが量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように複数の量子ドットおよび一様でない特性を有する、前記〔１〕記載のLED；
〔７〕量子ドット放出層の量子ドットが量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように種々の寸法である、前記〔６〕記載のLED；
〔８〕量子ドット放出層の量子ドットのインジウム含有量が量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、前記〔６〕記載のLED；
〔９〕量子ドット放出層の量子ドットのインジウム含有量が量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、前記〔７〕記載のLED；
〔１０〕量子ドット放出層がそれぞれ、第一バリア層および第二バリア層をさらに備え、該第一バリア層が量子ドットの下に配置され、該第二バリア層が量子ドットの上に配置され、該第一バリア層および該第二バリア層がそれぞれ量子ドットのエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する、前記〔６〕記載のLED；
〔１１〕２つの隣接するバリア層が、単一のバリア層になるように該２つの隣接するバリア層の内の１つを省くように同一の層状構造である、前記〔１０〕記載のLED；
〔１２〕第一バリア層または第二バリア層の層状構造の含有量割合が操作され、その結果、該第一バリア層または該第二バリア層が種々の含有量割合の複数のバリア層を含む、前記〔１０〕記載のLED；
〔１３〕Al(1-x-y)InyGaxN青色LED；および
白色光を生じるように青色光と青色補色光を混合するためにAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDと共にパッケージされる広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
を備える固体白色発光デバイスであって、該広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが
基板；
基板；
該基板の上に配置されたバッファー層；
該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
を備える、固体白色発光デバイス；
〔１４〕広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが20〜150nmの範囲内にあるFWHMを有する、前記〔１３〕記載の固体白色発光デバイス；
〔１５〕広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが最大光度で530〜600nmの範囲内にある発光波長を有する、前記〔１３〕記載の固体白色発光デバイス；
〔１６〕Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが
基板；
該基板の上に配置されたバッファー層；
該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
を備える、前記〔１３〕記載の固体白色発光デバイス；
〔１７〕Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが最大光度で400〜500nmの範囲内にある発光波長を有する、前記〔１６〕記載の固体白色発光デバイス；
〔１８〕Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが20〜100nmの範囲内にあるFWHMを有する、前記〔１６〕記載の固体白色発光デバイス；
〔１９〕白色光を生じるように青色光および青色補色光と赤色蛍光粉末を混合するためにAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDと共にパッケージされる赤色蛍光粉末をさらに備える、前記〔１３〕記載の固体白色発光デバイス；
〔２０〕UVA LED；
青色光蛍光粉末；
白色光を生じるように青色光蛍光粉末および青色補色光を混合するために該UVA LEDおよび青色光蛍光粉末と共にパッケージされる広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
を備える、固体白色発光デバイスであって、該広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが
基板；
量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層；
該基板の上に配置されたバッファー層；
該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
を備える、固体白色発光デバイス；ならびに
〔２１〕白色光を生じるように赤色蛍光粉末、青色光蛍光粉末および青色補色光を混合するために広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED、UVA LEDおよび青色光蛍光粉末と共にパッケージされる赤色蛍光粉末をさらに備える、前記〔２０〕記載の固体白色発光デバイス。
本発明によれば、基板、バッファー層、Ｎ型クラッド層、少なくとも１つの量子ドット放出層およびＰ型クラッド層を備える広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDが提供され得る。したがって、本発明の固体白色発光デバイスは、携帯用電気製品の白色バックライト、車両用照明器具、造園用照明器具、装飾用照明器具および手持ち式照明器具などの市販品に利用可能な白色発光デバイスとして利用するため、または代替利用するために提供され得る。
発明の概要
広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN 黄色LEDは、このように、本発明のLED層状構造で構成され得、530〜600nmの範囲内に含まれる最大光度での発光波長および20〜150nmの範囲のFWHMを有する。Al(1-x-y)InyGaxN 青色LEDを用いてパッケージングし、固体白色発光デバイスを形成した後、青色光を黄色光と混色すると、高CRI数、高光度を有し、種々の色温度調節が可能な白色光が発生し得る。広域スペクトル発光帯域幅は、人間の目が感じやすい可視スペクトルに及ぶため、本発明は、白色光の光度をかなり増強する。また、広域スペクトルの分布は、CRI数をさらに増大させ、種々の色温度調節を増強する。
パッケージング工程において、本発明の固体白色発光デバイスにより提供される青色LEDおよび黄色LEDは、ともにAl(1-x-y)InyGaxNで構成されるため、これらは、パッケージングコストをかなり削減し、パッケージングされたデバイスの信頼性を向上するための、類似した駆動電圧、熱安定性、信頼性およびESDインピーダンス特性を有する。
したがって、本発明の固体白色発光デバイスは、携帯用電気製品の白色バックライト、車両用照明器具、造園用照明器具、装飾用照明器具および手持ち式照明器具などの市販品に利用可能な白色発光デバイスとして利用するため、または代替利用するために提供され得る。
これらおよび他の変形例および利点は、以下の本発明の好ましい態様の詳細な説明および図面からさらに明らかとなろう。
発明の詳細な説明
本発明の態様によるLEDおよび固体白色発光デバイスの態様を説明するために添付した図面を参考にする。図面において、同一または類似の部品は、同一または類似の参照番号で識別する。また、図面は、例示目的のみのものであり、示された層状構造の大きさおよび比率は、実際の層状構造の大きさと異なり得る。
図１は、本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED １０の第１態様の層状構造を示す。広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED １０は、基板１１、バッファー層１２、Ｎ型クラッド層１３、量子ドット放出層１４およびＰ型クラッド層１５を備える。Al(1-x-y)InyGaxN LED １０は、外部電源に接続される２つの電極１６、１７をさらに備える。バッファー層１２は基板１１上に配置される。Ｎ型クラッド層１３は、バッファー層１２上に配置され、電子を提供する機能を果たす。Ｐ型クラッド層１５は、量子ドット放出層１４上に配置され、正孔を提供する機能を果たす。バッファー層１２、Ｎ型クラッド層１３およびＰ型クラッド層１５はすべて、Al(1-x-y)InyGaxNで構成される層状である。
量子ドット放出層１４はＮ型クラッド層１３上に配置される。量子ドット放出層１４は、異なる大きさの複数の量子ドット１４１、１４２および１４３を含む。例えば、量子ドット１４１は最大の大きさであり、量子ドット１４２は中間、量子ドット１４３は最小であり、量子ドット放出層１４の発光波長のFWHMが増大するような量子ドットの一様でない特性分布をもたらす。
量子ドット放出層１４は、第一バリア層１４４および第二バリア層１４５をさらに備える。第一バリア層１４４は量子ドットの下に配置され、第二バリア層１４５は量子ドットの上に配置される。第一バリア層１４４および第二バリア層１４５は、ともにAl(1-x-y)InyGaxNで構成される層状である。第一バリア層１４４および第二バリア層１４５のそれぞれは、量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する。
通常、第一エネルギーバンドギャップ１４４は、さらにＮ型クラッド層１３上に配置され、Ｐ型クラッド層１５は第二バリア層１４５上に配置される。あるいはまた、第一バリア層１４４は、Ｎ型クラッド層１３の一部となるようにＮ型クラッド層１３と同じ層状構造にあってもよい。同様に、第二バリア層１４５は、Ｐ型クラッド層１５の一部となるようにＰ型クラッド層１５と同じ層状構造にあってもよい。
過去において、LEDでは、たいてい、その波長を変調するために量子井戸が使用される。非対称結晶質であるAl(1-x-y)InyGaxNは、C軸に沿って非対称性であるため、かなりのピエゾ効果を誘導する。したがって、量子井戸内のインジウム含量および井戸の厚みを増加すると波長の増加がもたらされるが、かかる手段はまた、発光効率をかなり低下させる。したがって、Al(1-x-y)InyGaxNで構成される発光層に従来の量子井戸発光層を導入する際に、量子井戸内のインジウム含量または井戸の幅を増加することにより発光帯域幅を540nmを超えるまで増加すると、発光効率がかなり減少するという欠点が観察される。したがって、本発明は、長波長下でのAl(1-x-y)InyGaxN LEDの発光効率の増加において、量子ドット放出層のエピタクシー構造を提供する。
量子ドットは、格子不整合により形成される三次元の島を利用して、三次元空間内でキャリア境界として機能する。Al(1-x-y)InyGaxNの理論波長は、遠UVAから赤色光までのスペクトルに及ぶため、および量子ドット放出層の発光波長のFWHMは、量子ドットの大きさまたは量子ドット内のインジウム含量により操作され得るため、量子ドットの大きさまたは量子ドット内のインジウム含量の調節は、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED １０が得られるような量子ドットの一様でない特性分布を得るために、量子ドットを操作することができる。かかるLEDで構成される黄色LEDは、530〜600nmの範囲内に含まれる最大光度での発光波長、および20〜150nmの範囲内に含まれるFWHMを有する。
図７に関して、広域スペクトルを伴うLEDを特徴とするため、最大光度（が１）での発光波長が585nmであり、FWHM（半値全幅、すなわち、強度0.5での波長帯域幅）が90nm（540〜630nmの帯域幅）となるような黄色光を発生させるために、本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED １０が提供され得る。本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED １０は、量子ドットの一様でない特性分布をもたらすように操作され得るため、広域スペクトルを伴うLEDを特徴とするような最大光度およびFWHMに発光波長を変調し得る。
上記のように、量子ドット放出層の発光波長のFWHMは、量子ドットの大きさまたは量子ドット内のインジウム含量により操作され得る。本発明の第１態様では、１層の量子ドット放出層状構造を採用しているが、本発明は、１層の量子ドット放出層状構造の採用に限定されない。図２は、本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED ２０の第２態様の層状構造を示す。図２では、第１態様のものと同一の構造である部分は、同じ参照番号で示しており、特に記載されていなければ、同じ機能を果たす。
本発明の第２態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED ２０は、３つの量子ドット放出層２１、２２、２３を含み、量子ドット放出層のそれぞれは、複数の量子ドットを有する。第１量子ドット放出層２１は、複数の量子ドット２１１、２１２を含み、第２量子ドット放出層２２は、複数の量子ドット２２１、２２２を含み、第３量子ドット放出層２３は、複数の量子ドット２３１、２３２を含む。このLEDは、１つの層内の量子ドットの大きさは同じであるが、異なる層内の量子ドットの大きさは異なるように設計される。すなわち、第３量子ドット放出層２３の複数の量子ドット２３１、２３２は同じ大きさであるが、第３量子ドット放出層２３の複数の量子ドット２３１、２３２は、第２量子ドット放出層２２の量子ドット２２１、２２２の大きさよりも大きい。
第１量子ドット放出層２１に例示されるように、量子ドット放出層２１は、第一バリア層２１３および第二バリア層２１４をさらに備える。第一バリア層２１３は量子ドット２１１、２１２の下に配置され、第二バリア層２１４は量子ドット２１１、２１２の上に配置される。第一バリア層２１３および第二バリア層２１４は、ともにAl(1-x-y)InyGaxNで構成される層状である。第一バリア層２１３および第二バリア層２１４のそれぞれは、量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する。
第２量子ドット放出層２２もまた、第一バリア層２２３および第二バリア層２２４を備える。第２量子ドット放出層２２の第一バリア層２２３は、第１量子ドット放出層２１の第二バリア層２１４の上に配置される。第２量子ドット放出層２２の第一バリア層２２３および第１量子ドット放出層２１の第二バリア層２１４は、ともにAl(1-x-y)InyGaxNで構成される層状であるため、第２量子ドット放出層２２の第一バリア層２２３または第１量子ドット放出層２１の第二バリア層２１４のいずれかを省いてもよく、その結果、第１量子ドット放出層２１の量子ドット２１１、２１２と、第２量子ドット放出層２２の量子ドット２２１、２２２との間にはバリア層が１層だけ配置される。
したがって、多数の量子ドット放出層を有する層状構造では、２つの隣接する量子ドット放出層は、両者間に１つまたは２つのバリア層を伴って配置され得る。また、バリア層の層状構造は、異なる割合のAl(1-x-y)InyGaxN含量を有するように操作され得、その結果、２つの隣接する量子ドット放出層は、両者間に２層以上のバリア層を伴って配置され得る。バリア層のそれぞれが、量子ドットのエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する限り、２つの隣接する量子ドット放出層は、両者間に１層より多いバリア層を伴って配置され得る。
本発明の第２態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED ２０は、多数の量子ドット放出層を有する構造を採用しており、この場合、異なる量子ドット放出層の量子ドットの大きさは互いに異なっており、多数の量子ドット放出層の一様でない特性分布をもたらし、それによりLED ２０の発光波長のFWHMを増加するのと同じ効果が達成される。
図３は、本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED ３０の第３態様の層状構造を示す。本発明の第３態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED ３０は、３つの量子ドット放出層３１、３２、３３を含む。量子ドット放出層のそれぞれは、複数の量子ドットを有する。第１量子ドット放出層３１は、複数の量子ドット３１１、３１２を含み、第２量子ドット放出層３２は、複数の量子ドット３２１、３２２を含み、第３量子ドット放出層３３は、複数の量子ドット３３１、３３２を含む。すべての量子ドットの大きさは同じであるが、異なる量子ドット放出層の量子ドット内または個々の各量子ドット内のインジウム含量は異なる。例えば、第１量子ドット放出層３１の複数の量子ドット３１１、３１２は３０％のインジウム含量を含み、第２量子ドット放出層３２の複数の量子ドット３２１、３２２は４０％のインジウム含量を含み、第３量子ドット放出層３３の複数の量子ドット３３１、３３２は５０％のインジウム含量を含む。まとめると、異なる量子ドット放出層の量子ドット内の異なるインジウム含量は、異なる量子ドット放出層の量子ドットの一様でない特性分布をもたらし、したがって、LED ３０の発光波長のFWHMを増加することができる。
第一の量子ドット放出層３１により例示されるように、量子ドット放出層３１はさらに、第一バリア層３１３および第二バリア層３１４を備える。第一バリア層３１３は、量子ドット３１１、３１２の下に配置され；第二バリア層３１４は、量子ドット３１１、３１２の上に配置される。第一バリア層３１３および第二バリア層３１４は共にAl(1-x-y)InyGaxN製の層状である。バリア層３１３および第二バリア層３１４はそれぞれ、量子ドット３１１、３１２のエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する。
図３は、本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED４０についての第四態様の層状構造を示す。本発明の第四態様のAl(1-x-y)InyGaxN LED４０は、３つの量子ドット放出層４１、４２、４３を備える。量子ドット放出層はそれぞれ複数の量子ドットを含む。第一量子ドット放出層４１により例示されるように、第一量子ドット放出層４１は、種々の寸法の複数の量子ドット４１１、４１２、４１３を含む。例えば、量子ドット４１１の寸法は量子ドット４１２の寸法よりも大きく；量子ドット４１２の寸法は量子ドット４１３の寸法よりも大きい。この態様において、種々の量子ドット放出層の量子ドットの寸法は、多数の量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように互いに異なり、それによりLED４０の発光波長のFWHMを増加するのと同じ効果を達成する。
第一の量子ドット放出層４１により例示されるように、量子ドット放出層４１はさらに、第一バリア層４１４および第二バリア層４１５を備える。第一バリア層４１４は、量子ドット４１１、４１２、４１３の下に配置され；第二バリア層４１５は、量子ドット４１１、４１２、４１３の上に配置される。第一バリア層４１４および第二バリア層４１５は共にAl(1-x-y)InyGaxN製の層状である。第一バリア層４１４および第二バリア層４１５はそれぞれ、量子ドット４１１、４１２、４１３のエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する。
上記第一〜第四態様において、量子ドットの寸法を変更する基準または量子ドット中のインジウム含有量を変更する基準のいずれかは、量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように提供され、それにより発光波長のFWHMを増加する効果を達成する。しかしながら、本発明によれば、量子ドット内のインジウム含有量はまた、量子ドットの寸法が互いに異なる（例えば、図１、２および４に示した態様）と共に異なり得る。例えば、種々の寸法の量子ドットを有する図２に示した態様において、第一量子ドット放出層２１の複数の量子ドット２１１、２１２は、４０％のインジウム含有量を含み得；第二量子ドット放出層２２の複数の量子ドット２３１、２３２は、４５のインジウム含有量を含み得；第三量子ドット放出層２３の複数の量子ドット２３１、２３２は、７０％のインジウム含有量を含み得る。このように、量子ドットの寸法および量子ドット内のインジウム含有量の両者は、同時に操作され得る。
本発明の広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDは、最大光度で530〜600nmの範囲内にある発光波長を有する黄色LEDの作製において提供され得る。これはまた、最大光度で400〜500nmの範囲内にある発光波長を有する青色LEDの作製において提供され得る。
図５に関して、本発明の固体白色発光デバイス５０は、第一PCB５１、第二PCB５２、Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４を備える。Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４は、第一PCB５１の上に配置される。Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４へ第一PCB５１により供給される陽電子は、陽外部電源に電気的に接続される。Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４へ第二PCB５２により供給される陰電子は、陰外部電源に電気的に接続される。
Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４を一緒にパッケージすることによる、青色光と青色補色光との混合が白色光を生じ得る。上記第一〜第四態様において記載したような広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４の層状構造において、発光波長は、量子ドットの寸法または量子ドット内のインジウム含有量を調整して量子ドットの一様でない特性の分布を操作することにより増加する。従って、本発明の固体白色発光デバイス５０は、高いCRI数、高い光度で白色光を生ずることが可能であり、種々の色温度調整が可能である。
広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４は、最大光度で530〜600nmの範囲内にある発光波長を有し、20〜150nmの範囲内のFWHMを有する黄色光を照らす。広域スペクトル発光バンド幅はヒトの目が感知しやすい可視スペクトルを含むので、本発明の固体白色発光デバイス５０を構成する２つのLED５３、５４は、白色光の光度を有意に向上する。LED５４の広域スペクトルの分布はまた、さらにCRI数を増加する。
パッケージング工程において、本発明の固体白色発光デバイス５０により提供されるAl(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４は共に、Al(1-x-y)InyGaxN製であるので、これらは、パッケージングコストを有意に減少し、Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４を共にパッケージする間のパッケージされたデバイスの信頼性を改善するための類似の駆動電圧、熱安定性、信頼性およびESDインピーダンス特性を有する。
従って、本発明の固体白色発光デバイスは、商業マーケットで入手可能な白色発光デバイス（例えば、携帯電子製品の白色バックライト、車両照明、景観照明、装飾照明、およびハンドヘルド照明装置）として利用するかまたはそれを置き換えるように提供され得る。
ある態様が図７に示され、ここで、曲線７１はAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDの光度およびバンド幅分布を示し、曲線７２は広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDの光度およびバンド幅分布を示す。示されるように、最大光度（0.6）でのAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDの発光波長は460nmであり、そのFWHM（半値全幅、すなわち、0.3の光度での波長バンド幅）は20nm（450〜470nm）である。Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDは、広域スペクトルを特徴としない。広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDは黄色光を生ずる際に利用され、広域スペクトルを有するLEDを特徴とするように、最大光度（1）での発光波長が585nmであり、そのFWHM（半値全幅、すなわち、0.5の光度での波長バンド幅）が90nm（540〜630nmのバンド幅）であるように操作され得る。Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN黄色LEDを一緒にパッケージすることにより、青色光と黄色光との混合が白色光を生ずる。
図７に示される態様において、Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDの光度（0.6）は、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN黄色LEDの光度（1）よりも小さく、その結果、青色光と黄色光との混合により生ずる白色光は、暖色温度の一つである。従って、白色光は、Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN黄色LEDの最大光度のスケールおよび割合を操作することにより暖色温度、冷色温度または一般的な日光色温度の状態に調整され得る。
図８において、曲線８１は、国際照明委員会（CIE）を示し、曲線８２は黒体軌跡（black body locus）を示す。青色光の最大光度で460nmの発光波長および黄色光の最大光度で585nmの発光波長をしめす２点を繋いだ直線８３は、黒体軌跡曲線８２を値2000Kと3000Kとの間で横切り、これは、上記態様に記載した固体白色発光デバイスが暖色温度の白色光を生じ得ることを証明する。しかしながら、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN黄色LEDの発光波長は最大光度で530〜600nmの範囲内にあるので、本発明は、白色光の種々の色温度（例えば、暖色温度または冷色温度（10000Kより大きな黒体軌跡を有する）の状態）への調整を可能にする。
示されるように、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN黄色LEDのFWHMは90nm（540〜630nm）であり、Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDのFWHMは20nm（450〜470nm）である。直線８４は540nmおよび470nmの波長を示す２点を繋ぐことによりプロットされ得、直線８５は630nmおよび450nmの波長を示す２点を繋ぐことによりプロットされ得る。直線８４と直線８５により境界をつけられた領域は広範な白色光領域を示し、これは、本発明の固体白色発光デバイスが優れたCRIを有する白色光を生じ得ることを証明している。
最初の先行構造に記載した白色発光デバイスと比較する場合、最初の先行白色発光デバイスは青色LEDと黄色蛍光粉末を混合して、白色光を生ずる。曲線９１に関しては国際照明委員会（CIE）を示し、曲線９２は黒体軌跡を示す。先行白色発光デバイスにおける青色LEDの最大光度での発光波長は460nmである。黄色蛍光粉末の最大光度での発光波長は560nmである。これらの２つの波長を示す２点を繋いだ直線９３は10000K付近で黒体軌跡曲線９２を横切り、これは、先行白色発光デバイスが暖色温度の白色光を生ずることを証明している。さらに、先行白色発光デバイスは、単に暖色温度の白色光を生じ得るが、その構造的な制限によって暖温度の白色光を生ずるように調整することはできない。
白色光効果を向上するために、Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３は、第一〜第四態様に記載したような層状構造をとり得、最大光度での青色LEDの発光波長を400〜500nmの範囲内にし、そのFWHMを20〜100nmの範囲内にし得る。Al(1-x-y)InyGaxN青色LED５３および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED５４は共に、広域スペクトルを特徴とするが、本発明の固体白色発光デバイスは、色温度のよりよい調整を可能にし、より高い色彩度を提供する。
図６概略図は、本発明の固体白色発光デバイス６０を示す。固体白色発光デバイス６０は、Al(1-x-y)InyGaxN青色LED６１、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED６２、第一電極６４および第二電極６５を備える。Al(1-x-y)InyGaxN青色LED６１および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED６２は、第一電極６４が据え付けられたPCBの上にパッケージされる。生じる白色光効果を向上するために、蛍光粉末６３が、パッケージングプロセス中に装填され得る。蛍光粉末６３は赤色蛍光粉末、緑色粉末またはその混合物であり得る。従って、青色光および青色補色光との赤色または緑色蛍光粉末の混合は、白色光を生ずる。本発明の固体白色発光デバイス６０を構成する２つのLED６１、６２は白色光の光度をさらに向上し、高いCRI数を有する固体白色発光デバイス６０を特徴とする。
さらに、本発明の固体白色発光デバイスは、赤色、青色および緑色LEDを一緒にパッケージすることにより作製され得、その結果、緑色光と青色光、赤色光の混合により、白色光を生ずる。固体白色発光デバイスは、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色LED、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN赤色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN緑色LEDを備える。広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN緑色、青色および赤色LEDはそれぞれ第一〜第四態様に記載のような層状構造をとり、広域スペクトルを有するLEDを特徴とする。
最大光度での広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN赤色LEDの発光波長は、560〜650nmの範囲内にある。最大光度での広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN緑色LEDの発光波長は、490〜560nmの範囲内にある。最大光度での広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDの発光波長は、400〜490nmの範囲内にある。広域スペクトル赤色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN緑色LEDの両方のFWHMは20〜150nmの範囲にある。Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDのFWHMは20〜100nmの範囲にある。上記赤色、青色および緑色LEDを一緒にパッケージすることにより作製される固体白色発光デバイスは、色温度およびCRIの調整を可能にしながら、白色発光デバイスの光度を改善する。
あるいは、本発明の固体白色発光デバイスは、UVA LED、青色光蛍光粉末および広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDを一緒にパッケージすることにより作製され得、その結果、青色補色光と青色光蛍光粉末の混合により、白色光を生ずる。広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDの付加は、全光度を向上し、それにより単一のUVA LEDを実行する先行技術で見られた不十分な光度の欠点を除去する。さらに、第一〜第四態様に記載された層状構造をとる広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDは、広域スペクトルを有する白色発光デバイスを特徴とし、色温度およびCRIの調整を可能にする。
上記態様において、青色光蛍光粉末に加えて、赤色蛍光粉末、緑色蛍光粉末またはその混合物がさらに添加され得、その結果、青色光蛍光粉末および青色補色との赤色または緑色蛍光粉末の混合は、色温度およびCRIの調整をさらに可能にするように白色光を生ずる。
本発明がその趣旨から逸脱することなく他の形態で具体化され得ることが理解される。従って、本実施例および態様は、全ての点において限定的ではなく、例示として意図されるべきであり、本発明は本明細書に示される詳細に限定されない。
図１は、本発明の第１態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDの層状構造を示す概略図である。 図２は、本発明の第２態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDの層状構造を示す概略図である。 図３は、本発明の第３態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDの層状構造を示す概略図である。 図４は、本発明の第４態様による広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LEDの層状構造を示す概略図である。 図５は、本発明の固体白色発光デバイスの層状構造を示す概略図である。 図６は、パッケージング後の本発明の固体白色発光デバイスの層状構造全体を示す概略図である。 図７は、本発明の固体白色発光デバイスの光度および帯域幅分布を示すグラフである。 図８は、本発明の固体白色発光デバイスにより得られた白色光スペクトルを示すグラフである。 図９は、従来の固体白色発光デバイスにより得られた白色光スペクトルを示すグラフである。
符号の説明
１０ 第一態様広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED
１１ 基板
１２ バッファー層
１３ Ｎ型クラッド層
１４ 量子ドット放出層
１４１、１４２、１４３ 量子ドット
１４４ 第一バリア層
１４５ 第二バリア層
１５ Ｐ型クラッド層
１６、１７ 電極
２０ 第二態様広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED
２１ 第一量子ドット放出層
２１３ 第一バリア層
２１４ 第二バリア層
２２ 第二量子ドット放出層
２２３ 第一バリア層
２２４ 第二バリア層
２３ 第三量子ドット放出層
２１１、２１２、２２２、２３１、２３２ 量子ドット
３０ 第三態様広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED
３１ 第一量子ドット放出層
３１３ 第一バリア層
３１４ 第二バリア層
３２ 第二量子ドット放出層
３３ 第三量子ドット放出層
３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２ 量子ドット
４０ 第四態様広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED
４１ 第一量子ドット放出層
４１４ 第一バリア層
４１５ 第二バリア層
４２ 第二量子ドット放出層
４３ 第三量子ドット放出層
４１１、４１２、４１３ 量子ドット
５０ 固体白色発光デバイス
５１ 第一ＰＣＢ
５２ 第二ＰＣＢ
５３ Al(1-x-y)InyGaxN青色LED
５４ 広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
６０ 固体白色発光デバイス
６１ Al(1-x-y)InyGaxN青色LED
６２ 広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
６３ 蛍光粉末
６４ 第一電極
６５ 第二電極

Claims (21)

  1. 基板；
    該基板の上に配置されたバッファー層；
    該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
    該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
    該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
    を備える、広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN LED。
  2. 量子ドットが量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように種々の寸法である、請求項１記載のLED。
  3. 量子ドットのインジウム含有量が量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、請求項１記載のLED。
  4. 量子ドットのインジウム含有量が量子ドットの一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、請求項２記載のLED。
  5. 量子ドット放出層が、第一バリア層および第二バリア層をさらに含み、該第一バリア層が量子ドットの下に配置され、該第二バリア層が量子ドットの上に配置され、該第一バリア層および該第二バリア層がそれぞれ量子ドットのエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する、請求項１記載のLED。
  6. 複数の量子ドット放出層を備え、該量子ドット放出層のそれぞれが量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように複数の量子ドットおよび一様でない特性を有する、請求項１記載のLED。
  7. 量子ドット放出層の量子ドットが量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように種々の寸法である、請求項６記載のLED。
  8. 量子ドット放出層の量子ドットのインジウム含有量が量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、請求項６記載のLED。
  9. 量子ドット放出層の量子ドットのインジウム含有量が量子ドット放出層の一様でない特性の分布を生ずるように異なっている、請求項７記載のLED。
  10. 量子ドット放出層がそれぞれ、第一バリア層および第二バリア層をさらに備え、該第一バリア層が量子ドットの下に配置され、該第二バリア層が量子ドットの上に配置され、該第一バリア層および該第二バリア層がそれぞれ量子ドットのエネルギーバンドギャップより大きなエネルギーバンドギャップを有する、請求項６記載のLED。
  11. ２つの隣接するバリア層が、単一のバリア層になるように該２つの隣接するバリア層の内の１つを省くように同一の層状構造である、請求項１０記載のLED。
  12. 第一バリア層または第二バリア層の層状構造の含有量割合が操作され、その結果、該第一バリア層または該第二バリア層が種々の含有量割合の複数のバリア層を含む、請求項１０記載のLED。
  13. Al(1-x-y)InyGaxN青色LED；および
    白色光を生じるように青色光と青色補色光を混合するためにAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDと共にパッケージされる広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
    を備える固体白色発光デバイスであって、該広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが
    基板；
    基板；
    該基板の上に配置されたバッファー層；
    該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
    該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
    該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
    を備える、固体白色発光デバイス。
  14. 広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが20〜150nmの範囲内にあるFWHMを有する、請求項１３記載の固体白色発光デバイス。
  15. 広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが最大光度で530〜600nmの範囲内にある発光波長を有する、請求項１３記載の固体白色発光デバイス。
  16. Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが
    基板；
    該基板の上に配置されたバッファー層；
    該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
    該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
    該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
    を備える、請求項１３記載の固体白色発光デバイス。
  17. Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが最大光度で400〜500nmの範囲内にある発光波長を有する、請求項１６記載の固体白色発光デバイス。
  18. Al(1-x-y)InyGaxN青色LEDが20〜100nmの範囲内にあるFWHMを有する、請求項１６記載の固体白色発光デバイス。
  19. 白色光を生じるように青色光および青色補色光と赤色蛍光粉末を混合するためにAl(1-x-y)InyGaxN青色LEDおよび広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDと共にパッケージされる赤色蛍光粉末をさらに備える、請求項１３記載の固体白色発光デバイス。
  20. UVA LED；
    青色光蛍光粉末；
    白色光を生じるように青色光蛍光粉末および青色補色光を混合するために該UVA LEDおよび青色光蛍光粉末と共にパッケージされる広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED
    を備える、固体白色発光デバイスであって、該広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LEDが
    基板；
    量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層；
    該基板の上に配置されたバッファー層；
    該バッファー層の上に配置されたＮ型クラッド層；
    該Ｎ型クラッド層の上に配置された少なくとも１つの量子ドット放出層であって、該量子ドット放出層が量子ドット放出層の発光波長のFWHMを増加するように一様でない特性の分布で複数の量子ドットを含有する、量子ドット放出層；および
    該量子ドット放出層の上に配置されたＰ型クラッド層
    を備える、固体白色発光デバイス。
  21. 白色光を生じるように赤色蛍光粉末、青色光蛍光粉末および青色補色光を混合するために広域スペクトルAl(1-x-y)InyGaxN青色補色LED、UVA LEDおよび青色光蛍光粉末と共にパッケージされる赤色蛍光粉末をさらに備える、請求項２０記載の固体白色発光デバイス。
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