JP2008514031A - 高出力iii族発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
Description
発光ダイオード(LED)は、順方向にバイアスすると光子を放出するpn接合部間半導体ダイオードである。つまり、発光ダイオードは、半導体材料における電子の移動に基づいて光を生成する。したがって、LEDは蒸気も燐光体も不要である(しかし、これらと共に用いることはできる)。これらは、殆どの半導体系デバイスの望ましい特性を共有しており、その中には、高効率(その発光は殆ど又は全く熱を含まない)、高信頼性、及び超寿命が含まれる。例えば、典型的なLEDの平均稼働時間は、約100,000及び1,000,000時間の間であり、これは、LEDの半減期は控えめでも50,000時間程度であることを意味する。
加えて、これら及び他の技術が、消費者又はその他の個人的使用のためのディスプレイの一層の大型化に拍車をかけている。その例には、プラズマ系及び液晶(「LCD」)テレビジョン画面が含まれ、従来の技術と比較すると、画面が非常に大きくなっている。即ち、46インチのフラット・パネル・テレビジョンが21インチのCRT系テレビジョンに取って代わっている。
したがって、III族窒化物炭化珪素材料系において形成される小型LEDの出力を連続的に高めることが求められている。
本発明の前述のならびにその他の目的及び利点、更にこれらを遂行する方法は、添付図面と関連付けた以下の詳細な説明を根拠として、一層明確となろう。
即ち、このサイズのダイオードは、通常、少なくとも一辺の長さが少なくとも400ミクロンであり、一例のダイオードは、各辺が420ミクロンの正方形を形成する。
緑色周波数では、ダイオードは、530及び540ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも12ミリワットの放射束を有する。
本発明の発光ダイオードの性能を添付図面に示す。これらの図面は、この詳細な説明と合わせて、発光ダイオードについて最大限明確、端的、かつ正確な説明を当業者に提示する。
このような構造は当技術分野では周知であり、必要以上の実験を行わなくても、本発明の文脈において実用可能である。
また、本発明によるダイオードはレンズ状表面を組み込むこともできる。
緑色波長(図2における540nm付近)では、各データ点において約2〜3ミリワットの改善があり、XT300ダイオードと比較して約25パーセントの増加を表す。図2に示すように、ダイオードの放射束は、主波長が520及び540nmの間では少なくとも12mW、524及び535のnmの間では13mW、そして524及び527nmの間では15mWとなる。
更に、図3は、緑色波長(540nm付近)では、絶対的な増加が約5又は6パーセントであることを示し、これは、XT300ダイオードを根拠にして論ずると、約25パーセントの比較増を表す。
また、図5は、本発明によるダイオードは、約100,000及び200,000平方ミクロンの間の面積において、その明度向上が最大の増加を呈することも示す。
この明細書において他の箇所で注記したように、発光ダイオードの出力及び性能は、数個の関連するが同一ではないパラメータを用いることによって特徴付けることができる。図6にグラフで示す発光効率は、電気エネルギを光束に変換する際の発光ダイオードのエネルギ変換効率に等しい。LEDでは、電力(ワット単位)は、順方向電流及び順方向電圧の積である。発光効率は、したがって、ワット当たりのルーメンで表される。
つまり、図6における実線は、人の目によって観察可能な理論的最大発光効率を示す。いずれの所与の波長においても、理論的最大値は図6のプロット上における「最高」点である。
更に別の比較のために、図6は、燐化アルミニウム・インジウム・ガリウム(AlInGaP)発光ダイオードの発光効率曲線を、約570及び650nmの間の発光について一連の三角形でグラフに示す。
更にもう1つ別の比較のために、Osramからの(波長には関係ない効率に関する)「世界記録」の発光ダイオードを、約620nm、及び100ルーメン/ワットよりやや高いところに、円で示す。
したがって、別の態様では、本発明は、450〜460nm間の主波長において、発光効率が約15ルーメン/ワットである、青色発光ダイオードである。
同様の態様では、本発明は、520〜540ナノメートルの間の主波長において、発光効率が100ルーメン/ワットよりも高い緑色発光ダイオードである。
ピーク波長は、最大スペクトル・パワーにおける波長である。ピーク波長は、実用的な目的では、重要性が低い場合がある。何故なら、2つの異なる発光ダイオードが同じピーク座標を有していても、色の認知度が異なる場合があるからである。
放射束は、放射パワーとも呼ばれ、放射場(radiation field)が放射エネルギを1つの領域から他の領域に伝達する速度(dθ/dt)である。先に注記したように、シータ(θ)を放射エネルギとすると、放射パワーの単位はワットである。
EQE(%)
=(放射束)×(波長)×100/{(1240)×(駆動電流)}
意味は同一でも別の言い方で表現すると、この面積は、(i)ダイオードの最大半導体面積、又は(ii)封入されなければならない又はされることになるダイオードの基板面積のいずれよりも大きい。殆ど全ての状況において、面積(ii)は面積(i)以上となる。
Claims (40)
- 100,000平方ミクロンよりも広い面積と、約390及び540ナノメートルの間にある主波長において、20ミリアンペアの電流で少なくとも29ミリワットの放射束とを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1記載の発光ダイオードにおいて、約450及び460ナノメートルの間にある主波長において、20ミリアンペアの電流で少なくとも29ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1記載の発光ダイオードにおいて、約453ナノメートルにおける主波長において、20ミリアンペアの電流で少なくとも30ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項2記載の発光ダイオードにおいて、約200,000平方ミクロンの面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1記載の発光ダイオードにおいて、約520及び540ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも12ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1記載の発光ダイオードにおいて、約524及び535ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも13ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1記載の発光ダイオードにおいて、約524及び527ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも15ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 少なくとも100,000平方ミクロンの面積と、約390及び540ナノメートルの間にある主波長において、20ミリアンペアの電流で50パーセントよりも高い外部量子化効率とを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、約450及び460ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも53パーセントの外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、453ナノメートルにおける主波長において、少なくとも57パーセントの外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1又は8記載の発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項11記載の発光ダイオードにおいて、炭化珪素単結晶基板を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、440及び470ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、約520及び540ナノメートルの間にある主波長において、30パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、約520及び530ナノメートルの間にある主波長において、30パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、約524及び535ナノメートルの間にある主波長において、32パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項8記載の発光ダイオードにおいて、約524及び527ナノメートルの間にある主波長において、33パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 少なくとも100,000平方ミクロンの面積と、約450及び460ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも50パーセントの外部量子化効率とを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項18記載の発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項19記載の発光ダイオードにおいて、炭化珪素単結晶基板を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1、8、又は18記載の発光ダイオードにおいて、長さが少なくとも400ミクロンである少なくとも1つの辺を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項18記載の発光ダイオードにおいて、520及び540ナノメートルの間にある主波長において、20パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項18記載の発光ダイオードにおいて、524及び535ナノメートルの間にある主波長において、21パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項18記載の発光ダイオードにおいて、524及び527ナノメートルの間にある主波長において、23パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項12又は20記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板上に少なくとも1つのバッファ層を含み、該バッファ層がIII族窒化物材料系で形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項12又は25記載の発光ダイオードにおいて、供給される電流の下における再結合及び発光のためのキャリアを供給するために、III族窒化物材料系で形成された逆導電型の少なくとも2つの層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項26記載の発光ダイオードにおいて、前記発光構造は、少なくとも1つの窒化インジウム・ガリウムの層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項12又は20記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板及び前記III族発光構造に対してそれぞれオーミック・コンタクトを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項12又は20記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板はn型であり、炭化珪素の3C、4H、6H、及び15Rプロトタイプから選択したプロトタイプを有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1又は8又は18記載の発光ダイオードにおいて、150,000平方ミクロンよりも大きな面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1、8、又は18記載の発光ダイオードにおいて、175,000平方ミクロンよりも大きな面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1、8、又は18記載の発光ダイオードにおいて、約100,000及び約200,000平方ミクロンの間の面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1、8、又は18記載の発光ダイオードにおいて、3.1ボルト未満の順方向電圧を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 請求項1又は8又は18記載の発光ダイオードにおいて、3.0ボルトの順方向電圧を有することを特徴とする発光ダイオード。
- 100,000平方ミクロンの面積と、100ルーメン/ワットよりも高い発光効率とを有することを特徴とする緑色発光ダイオード。
- 請求項35記載の緑色発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする緑色発光ダイオード。
- 請求項36記載の緑色発光ダイオードにおいて、導電性炭化珪素基板を備えていることを特徴とする緑色発光ダイオード。
- 請求項35記載の緑色発光ダイオードにおいて、約520及び540ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする緑色発光ダイオード。
- 少なくとも100,000平方ミクロンの面積と、15ルーメン/ワットよりも高い発光効率とを有することを特徴とする青色発光ダイオード。
- 請求項39記載の青色発光ダイオードにおいて、約450及び460ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする青色発光ダイオード。
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