JP2012532453A - 調節可能な色温度を備えた白色光エレクトロルミネセンスデバイス - Google Patents

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Abstract

ソリッドステート照明デバイスには、第１のスペクトルを有する光を放射する第１の発光素子（６１２）と、第２のスペクトルを有する光を放射する第２の発光素子（６１４）とが含まれる。第１の発光素子には、第１のポンプ光を放射する第１のエレクトロルミネセンス光源（６１２ａ）と、第１のポンプ光の少なくとも一部分を第１の再発光光構成成分へと変換する第１の光変換素子（６１２ｂ）とが含まれる。第２の発光素子には、第２のポンプ光を放射する第２のエレクトロルミネセンス素子（６１４ａ）と、その第２のポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分へと変換する第２の光変換素子（６１４ｂ）とが含まれる。第１の及び／又は第２の光変換素子にはポテンシャル井戸が含まれる。第１の及び第２の発光素子によって放射された光は、合わせてデバイス出力を提供し、ある色温度範囲にわたって完全放射体軌跡に近似し、少なくとも６０、７０、又は８０の演色評価数を呈することができる。
【選択図】図６

Description

（関連出願の相互参照）
参照は次記の係属中及び／又は同時出願された米国特許出願に対して行われ、これらの内容は本明細書で開示される実施形態に組み込まれ得る：米国特許出願番号第６１／１７５，６４０号「Ｒｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（代理人整理番号第６４７５９ＵＳ００２号）（２００９年５月５日出願）；米国特許出願番号第６１／１７５，６３２号「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｉｎｄｉｕｍ−Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｉｎｄｉｕｍ Ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ」（代理人整理番号第６５４３４ＵＳ００２号）（２００９年５月５日出願）；米国特許出願番号第６１／１７５，６３６号「Ｒｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｗｉｔｈ ＬＥＤｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」（代理人整理番号第６５４３５ＵＳ００２号）（２００９年５月５日出願）；及び米国特許出願番号第６１／２２１６６４号「Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｗｉｔｈ Ｃｏｌｏｒ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｒｏｗｄｉｎｇ」（代理人整理番号第６５３３１ＵＳ００２号）（本出願と同日に出願）。
（発明の分野）
本発明は全般に、ソリッドステート半導体光源、並びに関連するデバイス、システム、及び方法に関する。
半導体デバイス、及び半導体デバイスの製造方法は、幅広く様々な種類が知られている。これらのデバイスの一部は、可視光又は近可視光（例えば、紫外線若しくは近赤外線）などの光を発するように設計されている。例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザーダイオードなどのエレクトロルミネセンスデバイスが挙げられ、これらにおいては、駆動電流又は同様の電気信号がデバイスに印加されて光を発する。発光するよう設計された半導体デバイスの別の例が、再発光半導体構成体（ＲＳＣ）である。
ＬＥＤとは異なり、ＲＳＣは発光するのに外部電子回路からの駆動電流を必要としない。その代わりにＲＳＣは、ＲＳＣの活性領域における第１波長λ１の光の吸収によって電子正孔対を生成する。この電子と孔が活性領域にあるポテンシャル井戸内で再結合し、第１波長λ１とは異なる第２波長λ２の光を発し、所望により更に、ポテンシャル井戸の数と設計機能に応じて、他の波長λ３、λ４などの光を発する。第１波長λ１の開始放射又は「ポンプ光」は典型的に、ＲＳＣに連結された青、紫、又は紫外線の発光ＬＥＤによって供給される。代表的なＲＳＣデバイス、その構成の方法、及び関連するデバイスと方法は、例えば米国特許第７，４０２，８３１号（Ｍｉｌｌｅｒら）、米国特許出願公開第ＵＳ ２００７／０２８４５６５号（Ｌｅａｔｈｅｒｄａｌｅら）、及び同第ＵＳ ２００７／０２９０１９０号（Ｈａａｓｅら）、ＰＣＴ国際公開特許ＷＯ ２００９／０４８７０４号（Ｋｅｌｌｅｙら）、並びに係属中の米国特許出願第６１／０７５，９１８号「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ」（代理人整理番号第６４３９５ＵＳ００２号）（２００８年６月２６日出願）に見出すことができ、これらは全て、参照によって本明細書に組み込まれる。
本明細書において特定の波長の光に対して言及が行われる場合、その言及は、ピーク波長がその特定の波長であるスペクトルを有する光に対してなされていると理解されるであろう。
図１はＲＳＣ １０８及びＬＥＤ １０２を組み合わせたデバイス１００の例を示す。このＬＥＤはＬＥＤ半導体層１０４の積層体を有し、これは時に、ＬＥＤ基材１０６上にあるエピ層と呼ばれる。層１０４は、ｐ型とｎ型の接合層、発光層（典型的に量子井戸を含む）、緩衝層、及びスーパーストレート層を含み得る。層１０４は、任意の結合層１１６を介してＬＥＤ基材１０６に接合されていてもよい。ＬＥＤは上表面１１２及び下表面を有し、この上表面は、上表面が平坦である場合に比べてＬＥＤからの光の取り出しが増大するように、非平坦になっている。電極１１８、１２０は、図に示すように、この上側表面及び下側表面上に設けられてもよい。これら電極を介して、好適な電源に接続されているとき、ＬＥＤは第１波長λ１の光を放射し、これは青色又は紫外線（ＵＶ）の光に対応し得る。このＬＥＤ光の一部は、ＲＳＣ １０８内に入り、そこで吸収される。
ＲＳＣ １０８は、接着層１１０を介してＬＥＤの上側表面１１２に接合される。このＲＳＣは上側表面１２２及び下側表面１２４を有し、この下側表面１２４を介して入るＬＥＤからのポンプ光を備える。ＲＳＣには、構造内の一部のバンドギャップが選択されるように工学的に操作されていて、ＬＥＤ １０２の発光したポンプ光の少なくとも一部が吸収されるような、量子井戸構造１１４も含まれる。ポンプ光の吸収によって発生した電荷担体は、より小さなバンドギャップを有する構造の一部である量子井戸に移動し、そこで担体は再結合してより長い波長の光を発生する。これは図１において示されるように、ＲＳＣ １０８内から発し、ＲＳＣから外に出る、第２波長λ２での再発光による出力光を提供する。
図２は、ＲＳＣを含む半導体層積層体２１０の例を示す。この積層体は、リン化インジウム（ＩｎＰ）ウエハ上に分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）を用いることによって成長させたものである。ＧａＩｎＡｓ緩衝層はまずＭＢＥによりＩｎＰ基板に形成されて、ＩＩ−ＶＩ形成用の表面を準備した。続いて、ＲＳＣに使用するＩＩ−Ｖ族エピタキシャル層を成長させるために、超高真空移送システムを通って別のＭＢＥチャンバへウエハを移動させた。成長させたＲＳＣの詳細は図２に示され、表１にまとめられている。表は、ＲＳＣに伴う異なる層の厚さ、材料組成、バンドギャップ、及び層の説明を記載している。ＲＳＣには８つのＣｄＺｎＳｅ量子井戸２３０が含まれ、それぞれが遷移エネルギー２．１５ｅＶを有する。各量子井戸２３０は、ＬＥＤより発光される青色光を吸収できる２．４８ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するＣｄＭｇＺｎＳｅ吸収層２３２の間に挟まれていた。ＲＳＣはまた、種々のウィンドウ、緩衝体、及びグレーディング層を含んでいた。
Figure 2012532453
この例及びその他のＲＣＳデバイスの更なる詳細は、国際公開特許ＷＯ ２００９／０４８７０４号（Ｋｅｌｌｅｙら）に見出すことができる。
本出願の具体的な利益となるのは、白色光を放射することができる光源である。一部の場合において、既知の白色光源は、青色発光ＬＥＤなどのエレクトロルミネセンスデバイスを、第１及び第２ ＲＳＣ系発光素子と組み合わせることによって構築される。この第１の発光素子には、例えば、青色光の一部を緑色光に変換し、青色光の残りを透過する、緑色発光ポテンシャル井戸が挙げられる。第２の発光素子には、第１の発光素子から受け取った緑色及び／又は青色の光の一部を赤色光に変換し、青色光及び緑色光の残りを透過する、ポテンシャル井戸が挙げられ得る。結果として得られた赤色、緑色、及び青色光の構成成分を合わせることにより、例えば、国際公開特許ＷＯ ２００８／１０９２９６号（Ｈａａｓｅ）に記述されているデバイスが、実質的に白色の光の出力を提供することができる。
一部のデバイスは、ピクセル化した配列又はアレイを用いた白色光を提供する。すなわち、それ自体では白色光を発しないような複数の個別の発光素子が、互いにごく近接して配列されることにより、全体としてピクセルを形成する。このピクセルは典型的に、観測システムの解像度限界を下回る特性寸法又はサイズを有しているため、異なる発光素子から発せられる光は、効果的に合わせられて観測システム内に入る。そのようなデバイスの一般的な配列は、３つの個別の発光素子−赤色（Ｒ）発光素子１つ、緑色（Ｇ）発光素子１つ、青色（Ｂ）発光素子１つ−のものであり、これらが１つの「ＲＧＢ」ピクセルを形成する。そのようなデバイスの開示については、再び、国際公開特許ＷＯ ２００８／１０９２９６号（Ｈａａｓｅ）が参照される。
また、本出願の利益となるのは、白色光を放射することができるだけでなく、出力の見かけの色を変更又は調節することができる光源である。例えば、ある場合には「冷たい」白色が望ましいことがあり、別の場合には「暖かい」白色が望ましいことがある。白色の所与の「色調」は、当業者には周知のように、従来のＣＩＥ色度図における（ｘ，ｙ）色座標としてプロットすることができ、色温度によって特徴付けることができる。
例えば、米国特許第７，３８７，４０５号（Ｄｕｃｈａｒｍｅら）は、調節可能な色温度を提供する照明システムについて検討している。そのような、ある照明システムは、青色発光ＬＥＤを黄色の燐光体層と組み合わせることによって構築した複数光源を利用している。青色光の一部は燐光体によって吸収され、黄色光として再発光し、また青色光の一部は燐光体層を透過する。透過した青色光は、再発光した黄色光と組み合わせられて出力ビームを生成し、これは全体として、名目上白色光として知覚される出力スペクトルを有する。燐光体層の特性及び／又はその他の設計詳細におけるデバイス間の違いにより、「冷たい」白色光を提供する幾つかのＬＥＤ／燐光体デバイスと、「暖かい」白色光を提供する他のＬＥＤ／燐光体デバイスとを用いて、出力スペクトルにおけるデバイス間の違いと、それに対応する知覚色の違いが生じる。第７，３８７，４０５号特許は、幾つかの市販ＬＥＤ／燐光体デバイスが２０，０００ケルビン温度（２０，０００Ｋ）（１９，７２７℃）の色温度を呈し、一方、他の市販ＬＥＤ／燐光体デバイスが、５７５０Ｋ（５４７７℃）を呈することを報告している。この第７，３８７，４０５号特許はまた、これらＬＥＤ／燐光体デバイス単独では、色温度の調節を行うことができず、望ましい色温度範囲のシステムを１つのデバイスだけで生成することはできないことを報告している。この第７，３８７，４０５号特許は、一実施形態を記述するよう継続され、ここにおいて、そのような２つのＬＥＤ／燐光体デバイスを、デバイスの色温度をシフトする光学的ロングパスフィルター（長波長光だけが透過できるよう着色されたガラス又はプラスチックの透明片）と組み合わせ、次に特定の第３ＬＥＤ（Ａｇｉｌｅｎｔ ＨＬＭＰ−ＥＬ １８アンバー色ＬＥＤ）をこのフィルターされたＬＥＤ／燐光体デバイスに追加して、調節可能な色温度を備えた３つのＬＥＤによる実施形態を提供する。
本出願は、とりわけ、第１の及び第２の発光素子を含むソリッドステート照明デバイスを開示する。第１の発光素子は、第１のスペクトル分布を有する光を放射するよう構成され、第２の発光素子は、第２のスペクトル分布を有する光を放射するよう構成される。第１の発光素子には、第１のポンプ光を放射する第１のエレクトロルミネセンス素子と、第１のポンプ光の少なくとも一部分を第１の再発光光構成成分へと変換する第１の光変換素子とが含まれる。第２の発光素子には、第２のポンプ光を放射する第２のエレクトロルミネセンス素子と、その第２のポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分へと変換する第２の光変換素子とが含まれる。この第１の及び第２の光変換素子のうち少なくとも１つが、第１のポテンシャル井戸を含む第１の半導体積層体を含む。第１の及び第２の発光素子は、第１の及び第２の発光素子によって放射される光が組み合わせられてデバイス出力を供給するように配置される。
好ましくは、この第１の及び第２のスペクトル分布は、標準ＣＩＥ（ｘ，ｙ）色座標図上の線分を画定する第１の及び第２の終点によって表わすことができる。この線分は、第１の発光素子によって放射された光と、第２の発光素子によって放射された光との、様々な相対量について、可能なデバイス出力の範囲を表わし得る。代表的な実施形態において、この線分はまた、少なくとも所与の範囲にわたって、「完全放射体軌跡」に近似する。当業者には、この完全放射体軌跡が、通常はケルビン温度で測定される温度範囲にわたる理想的黒体光源の色を示し、この温度は「色温度」Ｔｃと称されることを理解するであろう。よって、この線分は、例えば、３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲、又は２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲にわたって完全放射体軌跡に近似し得る。そのような色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上において、この線分は完全放射体軌跡から、０．０４未満、又は０．０２未満の距離で離れていてもよい。
更に、代表的な実施形態において、第１の及び第２の発光素子は、良好な「演色」性を呈するデバイス出力を生成する。当業者には演色評価数はなじみ深いものであり、これについては後述される。デバイス出力は、少なくとも６０、又は少なくとも７０、又は少なくとも８０の演色評価数を好ましく呈し得る。更に、そのような演色評価数の値は、デバイス出力の色温度範囲、例えば、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）、又は２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、維持され得る。
幾つかの実施形態において、第１の及び第２のポンプ光はそれぞれ、３５０〜５００ｎｍの範囲のピーク波長を呈する。例えば、これらはそれぞれに紫外線、紫色、及び／又は青色光を含み得る。幾つかの実施形態において、第１のポンプ光のピーク波長は、第２のポンプ光のピーク波長と実質的に同じであり得る。第１の及び第２のエレクトロルミネセンス光源は、一体型半導体素子の別々の部分（例えば、ＬＥＤの異なる領域、又は、電気的に別々に処理される類似の半導体デバイス）を構成し得る。あるいは、第１の及び第２のエレクトロルミネセンス光源は、個別の半導体素子を構成してもよい。
幾つかの場合において、第１の光変換素子は燐光体を含み得、第２の光変換素子は、第１のポテンシャル井戸を含む第１の半導体積層体を含み得る。他の場合において、第１の光変換素子は第１の半導体積層体を含み得、第２の光変換素子は、第２のポテンシャル井戸を含む第２の半導体積層体を含み得る。幾つかの場合において、第１のスペクトル分布はシアン色によって特性付けることができ、第２のスペクトル分布はアンバー色によって特性付けることができる。幾つかの場合において、第１のスペクトル分布は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの間にピーク放射を有する第１の発光バンドと、５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にピーク放射を有する第２の発光バンドとを含むか又はこれらから本質的になり得る。例えば、第２のスペクトル分布は、５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にピーク放射を有する第３の発光バンドと、６００ｎｍ〜７００ｎｍの間にピーク放射を有する第４の発光バンドとを含むか又はこれらから本質的になり得る。第１の及び第２のスペクトル分布は、個別又は組み合わせてのいずれであっても、互いに少なくとも１０ｎｍ離れたピーク波長を呈し得る。
関連する方法、システム、及び物品も述べられる。
本願のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。しかし、決して、上記要約は、請求された主題に関する限定として解釈されるべきでなく、主題は、手続処理の間補正することができる添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。
ＬＥＤ／ＲＳＣデバイスの組み合わせの概略側面図。 ＲＳＣを含む代表的な半導体層積層体の概略側面図。 照明デバイスを表わす線分をプロットしたＣＩＥ色度図。 図３の照明デバイスの２つの構成要素の発光スペクトルのグラフ。 図３の照明デバイスの２つの構成要素の発光スペクトルのグラフ。 別の照明デバイスを表わす線分をプロットしたＣＩＥ色度図。 図４の照明デバイスの２つの構成要素の発光スペクトルのグラフ。 図４の照明デバイスの２つの構成要素の発光スペクトルのグラフ。 図３及び４の照明デバイスについて、色温度の関数としての算出演色評価数（ＣＲＩ）のグラフ。 更なる照明デバイスの概略断面図。 更なる照明デバイスの概略断面図。 更なる照明デバイスの概略平面図。 更なる照明デバイスの概略平面図。 照明デバイスの第１の及び第２の発光素子によって放射された光の比率を自動的に調節するために使用できる回路の図。 図１０の回路におけるそれぞれのダイオードを通って流れる電流のグラフであり、印加された信号の電位又は電圧の関数として、それぞれのダイオードによって放射された光の量を表わす。 図１１ａと同様のグラフであるが、合計ダイオード電流の関数として応答がグラフ化されている。
図中、同様の参照数字は同様の構成要素を示す。
上記に要約されているように、本出願は、第１の発光素子から放射される光を、第２の発光素子から放射される光と組み合わせて、あるデバイス光学出力を提供することができる、照明デバイスを（他のものと共に）記述する。これら第１の及び第２の発光素子からの光の相対量は、デバイス光学出力の色（例えば色温度）を調節するように、調節することができる。第１の及び第２の発光素子によって放射される光のスペクトル分布（スペクトル）を賢明に選択すると、デバイス光学出力の知覚色は、所与の温度Ｔｃでの理想的黒体光源の色に近づくよう生成することができる。更に、デバイス光学出力の色に対する調節（第１の及び第２の発光素子からの光の相対量における調節を介して行われる）は、結果として得られる調節済み色が、異なる色温度Ｔｃでの黒体光源の色にも近づくよう生成することができる。
第１の及び第２の発光素子のスペクトルは、望ましい色温度特性を満足するだけでなく、良好な演色性ももたらすよう、容易に得ることができる。例えば、モデリングにより、少なくとも６０、又は少なくとも７０、又は少なくとも８０の演色評価数を得られることが示されている。更に、これらの演色評価数は、デバイス光学出力の幅広い色調節、例えば、３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）、又は２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲にわたって保持することができる。
そのようなデバイスは、ポンプ光を放射するＬＥＤ又は同様物などの好適なエレクトロルミネセンス光源と、そのポンプ光の少なくとも一部を再発光光に変換するＲＳＣ、燐光体、及び同様物などの光変換素子との組み合わせを用いて製造することができる。このデバイスと、様々な主要構成要について、下記に詳しく述べる。ただし、そのような記述に進む前に、最初に、色の見かけの特性（その調節を含む）と演色性を含む、デバイスの固有の光学特性について記述する。このためには、ＣＩＥ色度図を使用する。
当業者は、知覚色の特性付けと定量に用いられるツール又は標準に精通し、特に、Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅ ｌ’Ｅｃｌａｉｒａｇｅ（国際照明委員会、ＣＩＥ）によって定められた、有名な１９３１年ＣＩＥ色度図は周知であろう。光源又は物品の色（又は「色度」若しくは「色度座標」）は、ＣＩＥ １９３１標準表色系を用いて、ＣＩＥ色度図上の１つ以上の色度座標（ｘ，ｙ）で表現される点又は領域によって正確に測定又は特定することができる。
そのような色度図を図３に示す。当業者は、曲線３１０を上述の完全放射体軌跡として認識するであろう。図上のその他の特徴は、照明デバイスの特定の実施形態（１つ又は複数）を表わす。
具体的には、点Ｐ１及びＰ２はそれぞれ、第１の及び第２の発光素子で放射された光の色を表わす。これらの色は、Ｐ１とＰ２を結ぶ線分３１２が、かなりの部分にわたって、完全放射体軌跡３１０に密接に近似するように特に選択されている。図示されている実施形態において、３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の（完全放射体軌跡の）色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上で、線分３１２が完全放射体軌跡３１０から離れている距離は０．００５以下である。より広い、２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上で、線分３１２が完全放射体軌跡３１０から離れている距離は０．０１以下である。
読者には、線分３１２が、第１の発光素子によって放射された光（Ｐ１で表わされる）と第２の発光素子によって放射された光（Ｐ２で表わされる）との線形組み合わせからなる出力を有する照明デバイスについて、全ての可能な光学出力群を表わしていることを、念頭に置かれたい。よって例えば、Ｐ１で表わされる光とＰ２で表わされる光が等量ずつからなっている光学出力の照明デバイスは、線分３１２を二分する点によって表わされる。点Ｐ１の光の割合が増大すると、デバイス出力点は線分３１２に沿って点Ｐ１に近づく。一方、点Ｐ２の光の割合が増大すると、デバイス出力点は線分３１２に沿って点Ｐ２に近づく。よって、第１の及び第２の発光素子によって放射された光の相対量を調節することによって、デバイス出力の色を変更又は調節することができる。
ＣＩＥ色度図上のどの特定の色座標も、互いに実質的に異なり得る数多くの光学スペクトルを伴うことから、点Ｐ１、Ｐ２で表わされる色は、エレクトロルミネセンス光源と光変換素子の様々異なる組み合わせで達成することができる。そのような組み合わせは全て、本開示の範囲内である。しかしながら我々は、例えば、一方の点又はいずれかの点について正確に２つの別個のスペクトルピーク、あるいは、一方の点又はいずれかの点について正確に３つの別個のスペクトルピークなど、少数の別個のスペクトルピークの組み合わせを使用して、点Ｐ１、Ｐ２の一方又は両方を生成することが有利であることを見出した。
図示されている実施形態において、点Ｐ１で表わされる光は、２つの別個のスペクトルピークの組み合わせであり、その一方は点Ｐ１ａで表わされ、もう一方は点Ｐ１ｂで表わされる。点Ｐ１ａで表わされる光は典型的に、青色ＬＥＤで放射される光であり、そのピーク波長は約４６５ｎｍ、スペクトル幅（例えば、半値全幅（ＦＷＨＭ）値として測定される）が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば２５ｎｍである。点Ｐ１ｂで表わされる光は、黄色燐光体（例えば、セリウムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ））が青色又はその他の短波長光で励起されたときにその燐光体から再発光された光を表わす。そのような再発光光は約５５０ｎｍのピーク波長と、１５０ｎｍ、又は１００ｎｍ未満のＦＷＨＭスペクトル幅を有し得る。図３ａは、点Ｐ１、Ｐ１ａ、及びＰ１ｂの例証となるスペクトルＳ１を示す。具体的には、スペクトルＳ１は、第１のスペクトルピークＳ１ａと、（部分的に重複した）第２のスペクトルピークＳ１ｂとの混合又は組み合わせである。第１のスペクトルピークＳ１ａはピーク波長λｐと、青色ＬＥＤによって放射された典型的な青色ポンプ光のスペクトル幅とを有し、この色は点Ｐ１ａで表わされる。第２のスペクトルピークＳ１ｂはピーク波長λ１と、黄色燐光体からの典型的な再発光光のスペクトル幅とを有し、この色は点Ｐ１ｂで表わされる。好適な相対量又は比率での２つのスペクトルＳ１ａ、Ｓ１ｂの組み合わせは、結果として生じるスペクトルＳ１を生成し、この色は点Ｐ１で表わされる。図示されている実施形態において、この比率は、スペクトルピークＳ１ｂの積分強度が、スペクトルピークＳ１ａの積分強度の約２．３倍になるように選択され、これにより生じる点Ｐ１の色は名目上白色である。スペクトルＳ１を有する光は、黄色の燐光体材料の層が上に適用された青色発光エレクトロルミネセンス光源を含む第１の発光素子によって生成され、ここにおいて燐光体層は好適な薄さを有するか、あるいは、青色ポンプ光の適切な一部を透過するよう設計されている。
同様に、図示されている実施形態において、点Ｐ２で表わされる光も、２つの別個のスペクトルピークの組み合わせであり、その一方は点Ｐ２ａで表わされ、もう一方は点Ｐ２ｂで表わされる。点Ｐ２ａで表わされる光は典型的に、図１及び２に関連して記述されるような再発光半導体構成体（ＲＳＣ）の１つ以上のポテンシャル井戸によって、ＲＳＣが青色又はその他の短波長ポンプ光によって励起されたときに再発光された光である。この実施形態におけるそのようなポテンシャル井戸は、ピーク波長が約５５５ｎｍ、かつＦＷＨＭスペクトル幅が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば、１８ｎｍである緑色光を再発光するよう設計される。点Ｐ２ｂで表わされる光はまた、短波長のポンプ光で照らされたときにＲＳＣの１つ以上のポテンシャル井戸から再発光される光を表わすが、点Ｐ２ｂに関係するポテンシャル井戸は、点Ｐ２ａに関係するポテンシャル井戸とは異なる。点Ｐ２ｂに関係するポテンシャル井戸は、ピーク波長が約６２０ｎｍ、かつＦＷＨＭスペクトル幅が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば、１８ｎｍである赤色光を再発光するよう設計される。好適な相対量又は比率での２つのスペクトルＳ２ａ、Ｓ２ｂの組み合わせは、結果として生じるスペクトルＳ２を生成し、この色は点Ｐ２で表わされる。図示されている実施形態において、この比率は、スペクトルピークＳ２ｂの積分強度が、スペクトルピークＳ２ａの積分強度の約２倍になるように選択され、これにより生じる点Ｐ２の色は実質的にアンバー色である。スペクトルＳ２を有する光は、好適に設計されたＲＳＣが上に適用された青色又はその他の短波長ポンプ光発光エレクトロルミネセンス光源を含む第１の発光素子によって生成され、ここにおいてＲＳＣは、ポンプ光を実質的にブロックするよう（スペクトルＳ２において、ポンプ波長λｐで、顕著な強度がないことに注意）、かつ、スペクトルピークＳ２ａを有する光とスペクトルピークＳ２ｂを有する光とを適正な比率で放射するよう設計されている。ポンプ光を実質的にブロックするためには、ＲＳＣには、波長λｐでポンプ光源によって供給される短波長光この光はＲＳＣのどの吸収層によっても吸収されないが、ポテンシャル井戸から生じる再発光光を大いに透過する）の実質的に全てを吸収するような光フィルタリング層が含まれ得、この層は時に「シアンブロッカー」と呼ばれる。この点に関しては、同時係属中の米国特許出願第６１／１７５，６３６号「Ｒｅ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｆｏｒ Ｕｓｅ Ｗｉｔｈ ＬＥＤｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」（代理人整理番号第６５４３５ＵＳ００２号）（２００９年５月５日出願）が参照され、これは参照により本明細書に組み込まれる。完成品デバイスにおいて、そのような層は、ＲＳＣのポンプ光源に面する側とは反対側に含まれ得、すなわちこれにより、活性領域、特に活性領域のポテンシャル井戸が、ポンプ光源と光フィルタリング層（シアンブロッカー）との間に配置される。
図３ａの前述の説明において、記号λ１は図１における意味とは多少異なる意味を有している、すなわち、この記号は図３ａにおいては光変換素子からの再発光光に関連しているが、図１においてはエレクトロルミネセンスデバイスによって生成されたポンプ光に関連している。記号λ２は、図３ｂと１の両方において光変換素子からの再発光光に関連しており、これは、これら２つの図において同じ意味を有し得、あるいは多少異なる意味を有し得る。
図３ｂに示すスペクトルに類似の、２つのピーク波長を含むスペクトルを有する同時発光が可能なＲＳＣを含んだ、代表的な半導体積層体を、下記の表２に示す。この積層体には、緑色スペクトルピークを生成する緑色発光（５５５ｎｍ）量子井戸１つと、赤色スペクトルピークを生成する赤色発光（６２０ｎｍ）量子井戸１つが含まれる。緑色及び赤色のピークの相対的強度は、主として、それぞれの量子井戸に関連する吸収材層の厚さによって制御される。緑色発光量子井戸に隣接した比較的薄い吸収材層を用いることによって、より多くのポンプ光がこれらの層を通過し、赤色発光量子井戸に隣接した吸収材層に吸収される。これにより、緑色光よりも赤色光が多い放射光をもたらすことができる。緑色光の赤色光に対する比率は、光取り出し特性の存在によってもある程度影響を受ける（例えば、そのような特性が、シアンブロッカーの外側表面にエッチング又は付着されている場合）。
Figure 2012532453
当業者には、様々な層について記載のバンドギャップエネルギーを達成するようにＣｄＭｇＺｎＳｅ合金の組成を調整する方法が理解されるであろう。例えば、ＣｄＭｇＺｎＳｅ合金のバンドギャップエネルギーは主に、Ｍｇ成分によって制御される。量子井戸の放射波長（又はエネルギー）は、Ｃｄ／Ｚｎ比と、量子井戸の正確な厚さの両方によって制御される。
図３に類似の色度図を図４に示す。図４において、曲線３１０はここでも、上述のように完全放射体軌跡を表わす。ただし、図４には図３とは異なる特徴が含まれており、別の具体的な実施形態（１つ又は複数）の照明デバイスを表わしている。
具体的には、点Ｐ３及びＰ４はそれぞれ、第１の及び第２の発光素子で放射された光の色を表わす。（第１の及び第２の素子の一方又は両方は、図３に関連して説明される第１の及び第２の発光素子と異なっていてもよい。）これらの色は、Ｐ３とＰ４を結ぶ線分４１２が、かなりの部分にわたって、完全放射体軌跡３１０に密接に近似するように特に選択されている。図示されている実施形態において、３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の（完全放射体軌跡の）色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上で、線分４１２が完全放射体軌跡３１０から離れている距離は０．００５以下である。より広い、２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面内で、線分３１２が完全放射体軌跡３１０から離れている距離は０．０１以下である。一般に、上述の色温度範囲にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上でこの線分が完全放射体軌跡から離れている距離は０．０４以下、又は０。０２以下であることが望ましい。
線分４１２は、第１の発光素子によって放射された光（Ｐ３で表わされる）と第２の発光素子によって放射された光（Ｐ４で表わされる）との線形組み合わせからなる出力を有する照明デバイスについて、全ての可能な光学出力群を表わしている。よって例えば、Ｐ３で表わされる光とＰ４で表わされる光が等量ずつからなっている光学出力の照明デバイスは、線分４１２を二分する点によって表わされる。点Ｐ３の光の割合が増大すると、デバイス出力点は線分４１２に沿って点Ｐ３に近づく。一方、点Ｐ４の光の割合が増大すると、デバイス出力点は線分４１２に沿って点Ｐ４に近づく。よって、第１の及び第２の発光素子によって放射された光の相対量を調節することによって、デバイス出力の色を変更又は調節することができる。
ＣＩＥ色度図上のどの特定の色座標も、互いに実質的に異なり得る数多くの光学スペクトルを伴うことから、点Ｐ３、Ｐ４で表わされる色は、エレクトロルミネセンス光源と光変換素子の様々異なる組み合わせで達成することができる。そのような組み合わせは全て、本開示の範囲内である。しかしながら我々は、例えば、一方の点又はいずれかの点について正確に２つの別個のスペクトルピーク、あるいは、一方の点又はいずれかの点について正確に３つの別個のスペクトルピークなど、少数の別個のスペクトルピークの組み合わせを使用して、点Ｐ３、Ｐ４の一方又は両方を生成することが有利であることを見出した。
図示されている実施形態において、点Ｐ３で表わされる光は、２つの別個のスペクトルピークの組み合わせであり、その一方は点Ｐ３ａで表わされ、もう一方は点Ｐ３ｂで表わされる。点Ｐ３ａで表わされる光は典型的に、青色ＬＥＤで放射される光であり、そのピーク波長は約４６５ｎｍ、ＦＷＨＭスペクトル幅は５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば、１８ｎｍである。点Ｐ３ｂで表わされる光は、図１及び２に関連して記述されるようなＲＳＣの１つ以上のポテンシャル井戸から、ＲＳＣが青色又はその他の短波長ポンプ光によって励起されたときに再発光された光を示すものである。この実施形態におけるそのようなポテンシャル井戸は、ピーク波長が約５３０ｎｍ、かつＦＷＨＭスペクトル幅が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば、１８ｎｍである光を再発光するよう設計される。図４ａは、点Ｐ３、Ｐ３ａ、及びＰ３ｂの例証となるスペクトルＳ３を示す。具体的には、スペクトルＳ３は、第１のスペクトルピークＳ３ａと、第２のスペクトルピークＳ３ｂとの混合又は組み合わせである。第１のスペクトルピークＳ３ａは、ピーク波長λｐと、青色ＬＥＤによって放射された典型的な青色ポンプ光のスペクトル幅とを有し、この色は点Ｐ３ａで表わされる。第２のスペクトルピークＳ３ｂは、ピーク波長λ４と、ＲＳＣの好適に設計された１つ以上のポテンシャル井戸により再発光された光を表わすスペクトル幅とを有し、この色は点Ｐ３ｂによって表わされる。好適な相対量又は比率での２つのスペクトルＳ３ａ、Ｓ３ｂの組み合わせは、結果として生じるスペクトルＳ３を生成し、この色は点Ｐ３で表わされる。図示されている実施形態において、この比率は、スペクトルピークＳ３ｂの積分強度が、スペクトルピークＳ３ａの積分強度の約１．５倍になるように選択され、これにより生じる点Ｐ３の色は実質的にシアン色である。スペクトルＳ３を有する光は、好適に設計されたＲＳＣが上に適用された青色発光エレクトロルミネセンス光源を含む第１の発光素子によって生成され、ここにおいてＲＳＣは、青色ポンプ光の適切な量を透過するよう設計されている。そのようなＲＳＣは典型的に、シアンブロッカー層を含まない。
同様に、図示されている実施形態において、点Ｐ４で表わされる光も、２つの別個のスペクトルピークの組み合わせであり、その一方は点Ｐ４ａで表わされ、もう一方は点Ｐ４ｂで表わされる。点Ｐ４ａで表わされる光は典型的に、ＲＳＣの１つ以上のポテンシャル井戸によって、ＲＳＣが青色又はその他の短波長ポンプ光によって励起されたときに再発光された光である。この実施形態におけるそのようなポテンシャル井戸は、ピーク波長が約５６０ｎｍ、かつＦＷＨＭスペクトル幅が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば１８ｎｍである黄緑色光を再発光するよう設計される。点Ｐ４ｂで表わされる光はまた、短波長のポンプ光で照らされたときにＲＳＣの１つ以上のポテンシャル井戸から再発光される光を表わすが、点Ｐ４ｂに関係するポテンシャル井戸は、点Ｐ４ａに関係するポテンシャル井戸とは異なる。点Ｐ４ｂに関係するポテンシャル井戸は、ピーク波長が約６２０ｎｍ、かつＦＷＨＭスペクトル幅が５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、例えば、１８ｎｍである赤色光を再発光するよう設計される。好適な相対量又は比率での２つのスペクトルＳ４ａ、Ｓ４ｂの組み合わせは、結果として生じるスペクトルＳ４を生成し、この色は点Ｐ４で表わされる。図示されている実施形態において、この比率は、スペクトルピークＳ４ｂの積分強度が、スペクトルピークＳ４ａの積分強度の約１．７倍になるように選択され、これにより生じる点Ｐ４の色は実質的にアンバー色である。スペクトルＳ４を有する光は、好適に設計されたＲＳＣが上に適用された青色又はその他の短波長ポンプ光発光エレクトロルミネセンス光源を含む第１の発光素子によって生成され、ここにおいてＲＳＣは、ポンプ光を実質的にブロックするよう（スペクトルＳ４において、ポンプ波長λｐで、顕著な強度がないことに注意）、かつ、スペクトルピークＳ４ａを有する光とスペクトルピークＳ４ｂを有する光とを適正な比率で放射するよう設計されている。ポンプ光を実質的にブロックするために、ＲＳＣは上述のように、例えば、シアンブロッカーなどの光フィルタリング層を含み得る。
まとめると、例えば、白色光を放射する発光素子を、アンバー光発光素子と組み合わせることによって、又は、シアン光発光素子を、アンバー光発光素子と組み合わせることによって、白色光の光学出力をもたらすことができる光源デバイスがこれまでで記述された。更に、白色光出力の特定の色又は色温度は、異なる発光素子によって設けられる光の相対的混合比を調節することによって調節することができ、この調節された白色光は、ＣＩＥ色度図上の表示で、幅広い色温度にわたって完全放射体軌跡上に沿うか又は非常に近くに示される色を有し得る。
更に、我々は、図３、３ａ、３ｂ、及び４、４ａ、４ｂに関連して記述されたタイプの実施形態が、非常に良好な「演色」性を有利に呈することも見出した。「演色評価数」（ＣＲＩ）は、目による直接観測によって知覚されるデバイス光学出力の見かけ又は色だけでなく、例えばそのデバイス光学出力を用いた反射光内で見られる対象物又は物品の見かけにも関心がある照明デバイス設計者にとって、重要であり得るパラメーターである。対象物又は物品の反射率スペクトルに応じて、その見かけは、第１の名目上白色光源で照らされたときと、第２の名目上白色光源で照らされたときとでは、たとえその第１と第２の白色光源がＣＩＥ色度図上で同一の色座標を有していたとしても、非常に異なることがある。これは、ＣＩＥ色度図上での特定の色座標が、互いに実質的に異なり得る数多くの光学的スペクトルに関連付けられ得るという事実からの帰結である。演色性の影響を示す一般的な実例は、着色した対象物が太陽光で照らされたとき、例えば、オフィスの蛍光灯で照らされたときと比べて、又はガス放電灯で照らされたときと比べて、これらの照明光源がどれも直接見たときには名目上白色に見え得るにもかかわらず、非常に違って見えるということである。
所与の光源の演色評価数は、ＣＩＥ出版物１３．３−１９９５「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉｆｙｉｎｇ Ｃｏｌｏｕｒ Ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ」に記述されている方法を用いて測定することができる。演色評価数は一般に、下が０、上が１００までの範囲の値であり、値が大きいほど一般に望ましい。更に、ＣＩＥ １３．３−１９９５出版物に基づき、所与の光源を表わす所与のスペクトルの演色評価数を計算できる数値的技法及びソフトウェアが、ＣＩＥから入手できる。
そのようなソフトウェアを使用して、図３ａ及び３ｂに示されているスペクトルＳ１及びＳ２の線形組み合わせからなるデバイス光学出力の演色評価数を算出した場合、その結果は、色温度範囲２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）（スペクトルＳ１及びＳ２の様々な比率に対応）にわたって、演色評価数が少なくとも８０である。図３ａ／３ｂの実施形態に関するこの演色評価数を、図５の曲線５１０に示し、この図では、算出された演色評価数（ＣＲＩ）が、デバイス出力全体の色温度に対してプロットされている。同様に、同じソフトウェアを使用して、図４ａ及び４ｂに示されているスペクトルＳ３及びＳ４の線形組み合わせからなるデバイス光学出力の演色評価数を算出した場合、その結果は、ここでも、色温度範囲２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）（スペクトルＳ３及びＳ４の様々な比率に対応）にわたって、演色評価数が少なくとも８０である。この図４ａ／４ｂの実施形態に関するこの演色評価数を、図５の曲線５１２に示す。図５には、もう１つの曲線５１４も描かれている。この曲線５１４は、図３／３ａ／３ｂの実施形態に類似であるが、ただし第２の発光素子（例えば、青色ＬＥＤポンプＲＳＣで、その光出力は図３の点Ｐ２と、図３ｂのスペクトルＳ２によって特性付けられる）を、アンバー発光ＬＥＤを有するがＲＳＣ又はその他の光変換素子は有さないような発光素子に置き換えた実施形態について算出したＣＲＩであり、このアンバー発光ＬＥＤは、ピーク波長５９２ｎｍの単一スペクトルピークの光を放射し、これにより、ＣＩＥ色度図上の色はここでも実質的に、図３の点Ｐ２に対応する。曲線５１４を曲線５１０と比較すると、ＣＩＥ色度図上のプロットでは実質的に同じ色特性を有する２つのデバイスが、非常に異なる演色性を有し得るということがわかるであろう。
代表的な実施形態において、開示されるデバイスの演色評価数は、例えば、２５００Ｋ（２２２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲、又は３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）の色温度範囲にわたって、少なくとも６０、又は少なくとも７０、又は少なくとも８０である。高い演色評価数を達成するためには、デバイス光学出力を形成する構成成分スペクトル（Ｓ１，Ｓ２）それぞれが、少なくとも２つの個別のスペクトルピークで特性付けられ（例えば、図３ａのピークＳ１ａ、Ｓ１ｂ、又は図３ｂのピークＳ２ａ、Ｓ２ｂ）、これらのピークは、例えば、互いに少なくとも１０ｎｍ離れている可能性がある。更に、デバイス光学出力を形成する構成成分スペクトルそれぞれが、例えば、正確に２つの別個のスペクトルピークによって、又は正確に３つの別個のスペクトルピークによって特徴付けられる。
代表的なデバイスの望ましい色関連特性を記述したところで、次に、このデバイスの様々な構成要素を物理的にどのように配置できるかを非制限的な意味で解説する幾つかの図を見ていく。
図６は、代表的な照明デバイス６１０の概略断面図である。このデバイスには、第１の発光素子６１２と、第２の発光素子６１４とが含まれ、両方とも金属ヘッダー６１６上に取り付けられている。ヘッダー６１６は、ヘッダーに一体化している第１導電性ポスト６１８と、第２及び第３導電性ポスト６２０、６２２とを有し、これらは互いに電気的に絶縁され、また素子６１２、６１４が取り付けられているヘッダーのディスク形状主部分からも絶縁されている。ポスト６２０は、ワイヤ６２４及びワイヤ接着を介して、第１の発光素子６１２の第１の電気接触に電気的に結合しており、同様にポスト６２２は、ワイヤ６２６及びワイヤ接着を介して、第２の発光素子６１４の第１の電気接触に電気的に結合している。第１の及び第２の発光素子は更にそれぞれ、第２の電気接触を有し、これらは両方とも、ヘッダー６１６のディスク形状主部分とオーム接触し、すなわち、ポスト６１８ともオーム接触している。
第１の発光素子６１２には、第１のポンプ光を放射する第１のエレクトロルミネセンス光源６１２ａと、第１のポンプ光の少なくとも一部分を第１の再発光光構成成分へと変換する第１の光変換素子６１２ｂとが含まれる。光源６１２ａは、ＬＥＤ、レーザーダイオード、又は同様のソリッドステートエレクトロルミネセンス光源で、好適な強度とスペクトルのポンプ光を放射するよう適合されたものであり得る。上述の第１の発光素子６１２の第１の及び第２の電気接触は、光源６１２ａ上に提供され、これにより、ポスト６１８、６２０に対して印加される第１の電気信号に応答してポンプ光を放射することができる。光変換素子６１２ｂは、例えば、１つ以上のＲＳＣ、及び／又は１つ以上の燐光体であってもよく、又はこれらを含んでもよい。光源６１２ａと素子６１２ｂが協働することにより、素子６１２が第１のスペクトル分布を有する光６１２ｃを放射する。光６１２ｃは、典型的に少なくとも、素子６１２ｂからの第１の再発光光構成要素を含み、更に上述のように、光６１２ｃの望ましいスペクトル特性に応じて、光源６１２ａによって放射された第１のポンプ光の一部も含み得る。
第２の発光素子６１４には、第２のポンプ光を放射する第２のエレクトロルミネセンス光源６１４ａと、その第２のポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分へと変換する第２の光変換素子６１４ｂとが含まれる。光源６１４ａは、ＬＥＤ、レーザーダイオード、又は同様のソリッドステートエレクトロルミネセンス光源で、好適な強度とスペクトルのポンプ光を放射するよう適合されたものであり得る。上述の第２の発光素子６１４の第１の及び第２の電気接触は、光源６１４ａ上に提供され、これにより、ポスト６１８、６２２に対して印加される第２の電気信号に応答してポンプ光を放射することができる。光変換素子６１４ｂは、例えば、１つ以上のＲＳＣ、及び／又は１つ以上の燐光体であってよく、又はこれらを含んでもよい。好ましくは、光変換素子６１２ｂと光変換素子６１４ｂのうち少なくとも１つが、少なくとも１つのポテンシャル井戸を含む。光源６１４ａと素子６１４ｂが協働することにより、素子６１４が第２のスペクトル分布を有する光６１４ｃを放射する。光６１４ｃは典型的に少なくとも、素子６１４ｂからの第２の再発光光構成要素を含み、更に上記で詳述されているように、光６１４ｃの望ましいスペクトル特性に応じて、光源６１４ａによって放射されたポンプ光の一部も含み得る。
自由空間伝搬によって、又は光学ディフューザー、レンズ、ミラー、及び同様物などのメカニズムによって、及び所望により他の光構成要素と共に、光６１２ｃと光６１４ｃとを合わせることによって、矢印６２８で概略的に図示されるデバイス６１０のデバイス光学出力を生成する。よってデバイス光学出力６２８は、いくらかの量の光６１２ｃといくらかの量の光６１４ｃとを含む。出力６２８中に存在する光６１２ｃ、６１４ｃの相対量は、デバイス出力６２８の知覚色（例えば、色温度）を制御する。これらの相対量、よってすなわち、デバイス出力色は、異なる発光素子６１２、６１４の独立した又は別個の電気的制御によって制御することができる。よって、第１の発光素子６１２は、第１の電気信号（例えば、所与の大きさの電流）をポスト６１８、６２０にわたって印加することによってエネルギーを与えることができる。第２の発光素子６１４は、第１の電気信号とは独立及び／又は個別の第２の電気信号をポスト６１８、６２２に印加することによってエネルギーを与えることができる。第１の及び第２の電気信号の大きさは、第１の及び第２の発光素子６１２、６１４によって放射される光の量、並びに出力６２８の色温度を制御するのに使用される。
図７は、デバイス６１０に類似の代表的な照明デバイス７１０の概略断面図である。同様の参照番号は同様の要素を指し示し、これらの更なる説明は不要である。デバイス７１０には、第１の発光素子７１２と、第２の発光素子７１４とが含まれ、両方とも金属ヘッダー６１６上に取り付けられている。ポスト６２０は、第１の発光素子７１２の第１の電気接触に電気的に結合しており、ポスト６２２は、第２の発光素子７１４の第１の電気接触に電気的に結合している。第１の及び第２の発光素子は更にそれぞれ、第２の電気接触を有し、これらは両方とも、ヘッダー６１６のディスク形状主部分とオーム接触し、すなわち、ポスト６１８ともオーム接触している。
第１の及び第２の発光素子７１２、７１４は上述の素子６１２、６１４に類似であり、第１の素子７１２は、第１のポンプ光を放射する第１のエレクトロルミネセンス光源７１２ａと、その第１のポンプ光の少なくとも一部を第１の再発光光構成成分に変換する第１の光変換素子７１２ｂとを含み、第２の素子７１４は、第２のポンプ光を放射する第２のエレクトロルミネセンス光源７１４ａと、その第２のポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分に変換する第２の光変換素子７１４ｂとを含む。エレクトロルミネセンス光源７１２ａ、７１４ａは、光源６１２ａ、６１４ａが別個の半導体（例えば、ＬＥＤ）チップによって提供され、一方光源７１２ａ、７１４ａは、同じ半導体（例えば、ＬＥＤ）チップ上の別個のｐｎ接合によって提供されている限りにおいて、光源６１２ａ、６１４ａとは異なる。しかしながら両方の場合において、第１の及び第２のエレクトロルミネセンス光源（６１２ａ及び６１４ａ、又は７１２ａ及び７１４ａ）は、別個の電気信号によって、独立に及び／又は別個に制御可能である。また、両方の場合において、第１の及び第２のエレクトロルミネセンス光源は、同じスペクトルを有するポンプ光を放射することがあり、又は異なるスペクトルのポンプ光を放射することがある。
上述の第１の発光素子７１２の第１の及び第２の電気接触は、光源７１２ａ上に設けられ、これにより、ポスト６１８、６２０に対して印加される第１の電気信号に応答して第１のポンプ光を放射することができる。光変換素子７１２ｂは、例えば１つ以上のＲＳＣ、及び／又は１つ以上の燐光体であってもよく、又はこれらを含んでもよい。光源７１２ａと素子７１２ｂが協働することにより、素子７１２が第１のスペクトル分布を有する光７１２ｃを放射する。第２の発光素子７１４の第１の及び第２の電気接触は、光源７１４ａ上に設けられ、これにより、ポスト６１８、６２２に対して印加される第２の電気信号に応答して第２のポンプ光を放射することができる。光変換素子７１４ｂは、例えば、１つ以上のＲＳＣ、及び／又は１つ以上の燐光体であってよく、又はこれらを含んでもよいが、しかしながら好ましくは、光変換素子７１２ｂと光変換素子７１４ｂのうち少なくとも１つが、少なくとも１つのポテンシャル井戸を含む。光源７１４ａと素子７１４ｂが協働することにより、素子７１４が第２のスペクトル分布を有する光７１４ｃを放射する。光７１４ｃは典型的に少なくとも、素子７１４ｂからの第２の再発光光構成要素を含み、更に上述のように、光７１４ｃの望ましいスペクトル特性に応じて、光源７１４ａによって放射されたポンプ光の一部も含み得る。
図６のデバイスとは異なり、図７では、一体型光変換層が、エレクトロルミネセンス光源７１２ａ及びエレクトロルミネセンス光源７１４ａの両方を覆うように提供され、その一体型光変換層の一部が第１の光変換素子７１２ｂを形成し、その一体型光変換層の別の一部が第２の光変換素子７１４ｂの一部を形成している。図７に見られるように、第２の光変換素子７１４ｂは更に、第１の光変換素子７１２ｂ内にはないもう１つの光変換素子を含んでいる。
自由空間伝搬によって、又は光学ディフューザー、レンズ、ミラー、及び同様物などのメカニズムによって、及び所望により他の光構成要素と共に、光７１２ｃと光７１４ｃとを合わせることによって、矢印７２８で図示されるデバイス７１０のデバイス光学出力を生成する。出力７２８中に存在する光７１２ｃ、７１４ｃの相対量は、デバイス出力７２８の色温度又はその他の知覚色を制御する。これらの相対量、すなわちデバイス出力色は、異なる発光素子７１２、７１４の独立した又は別個の電気的制御によって制御することができる。よって、第１の発光素子７１２は、第１の電気信号をポスト６１８、６２０に印加することによってエネルギーを与えることができ、第２の発光素子７１４は、第１の電気信号とは独立及び／又は個別の第２の電気信号をポスト６１８、６２２に印加することによってエネルギーを与えることができる。第１の及び第２の電気信号の大きさは、第１の及び第２の発光素子７１２、７１４によって放射される光の量、並びに出力７２８の色温度を制御するのに使用される。
図８は、別の照明デバイス８１０の概略平面図であり、デバイス６１０（図６）又は７１０（図７）のいずれかに実質的に適用できる設計である。デバイス８１０には、第１の発光素子８１２と第２の発光素子８１４とが含まれる。細い線幅を有する全体に正方形の電気接触８１２ａは、第１の素子８１２の第１のエレクトロルミネセンス光源上に設けられる。この素子８１２はまた、正方形の接触８１２ａに囲まれている素子８１２の中央領域に少なくとも配置されている第１の光変換素子８１２ｂを含む。素子８１２の周辺領域８１２ｃは更に、第１の光変換素子８１２ｂで覆われていてもよく、又は、光変換素子を含まずに、むしろ単に第１のエレクトロルミネセンス光源の露出部分であってもよい。
細い線幅を有するもう１つの全体に正方形の電気接触８１４も、第２の素子８１４の第２のエレクトロルミネセンス光源８１４上に設けられる。この素子８１４はまた、正方形の接触８１４ａに囲まれている素子８１４の中央領域に少なくとも配置されている第２の光変換素子８１４ｂを含む。素子８１２の周辺領域８１４ｃは更に、第２の光変換素子８１２ｂで覆われていてもよく、又は、光変換素子を含まずに、むしろ単に第２のエレクトロルミネセンス光源の露出部分であってもよい。
図９は、別の照明デバイス９１０の概略平面図であり、例えば、デバイス７１０（図７）に実質的に適用できる設計である。デバイス９１０は、第１の全体にＵ字形の発光素子９１２と、第２の全体にＵ字形の発光素子９１４とを含み、これら２つの素子が相互に噛み合うパターンを形成し、これにより全体に正方形の全外形又は境界線がもたらされる。細い線幅を有する全体にＵ字形の電気接触９１２ａは、第１の素子９１２の第１のエレクトロルミネセンス光源上に設けられる。素子９１２は更に、接触９１２ａに近接した領域において第１のエレクトロルミネセンス光源上に配置された第１の光変換素子９１２ｂを含む。
細い線幅を有するもう１つの全体にＵ字形の電気接触９１４ａも、第２の素子９１４の第２のエレクトロルミネセンス光源上に設けられる。素子９１４は更に、接触９１４ａに近接した領域において第２のエレクトロルミネセンス光源上に配置された第２の光変換素子９１４ｂを含む。
デバイス９１０の残り領域９１４ｃは、第１の光変換素子９１２ｂ及び／又は第２の光変換素子９１４ｂで覆われていてもよく、あるいは、光変換素子を含まずに、むしろ単に第１の及び／又は第２のエレクトロルミネセンス光源の露出部分であってもよい。デバイス９１０の指趾間状デザインにより、エレクトロルミネセンス素子９１２及び９１４からの光の混合が促進され得る。
図６及び７の実施形態は、照明デバイスの２つの発光素子が３つの電気端子又は接触を使用していかにして独立に制御することができるかを示しており、ここにおいて１つの端子（ポスト６１８）は両方の素子に共通であり、他の端子（ポスト６２０、６２２）のそれぞれは、素子の一方のみに専用のものである。独立制御は、１組の端子（ポスト６１８、６２０）に対して第１の電気信号を適用し、別の１組の端子（ポスト６１８、６２２）に対して第２の電気信号（第１の電気信号とは独立）を適用することにより達成できる。もちろん、４端子デバイスも想到され、ここにおいて両方の素子に共通する端子はなく、所与の組の端子が、発光素子の所与の一方に専用のものとなる。
図１０において、我々は、入力端子２つだけを有する回路１０１０を開示し、これは、開示される照明デバイスの２つの発光素子を異なる量で駆動するのに使用することができ、これにより、２つの入力端子に供給される電気入力の大きさの関数として、カラー制御又は調節を達成することができる。この回路において、端子１０１２及び１０１４は入力端子である。外部変数又は調節可能な供給源１０１６は、図示のように、入力端子の間に連結される。供給源１０１６は、電圧源又は電流であり得、これが照明デバイスに、可変電圧Ｖｓ及び可変電流Ｉを供給する。照明デバイスは、第１のエレクトロルミネセンス光源と、その第１のエレクトロルミネセンス光源から供給されたポンプ光の少なくとも一部を第１の再発光光構成成分へと変換する第１の光変換素子とを有する第１の発光素子を含む。この照明デバイスは更に、第２のエレクトロルミネセンス光源と、その第２のエレクトロルミネセンス光源によって供給されたポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分へと変換する第２の光変換素子とを有する、第２の発光素子を含む。
回路１０１０において、第１のエレクトロルミネセンス光源は、例えば、ＬＥＤであってもよく、又はＬＥＤを含んでもよく、ダイオードＤ１として表わされ、第２のエレクトロルミネセンス光源は、別のＬＥＤであってよく、又は別のＬＥＤを含んでもよく、ダイオードＤ２として表わされる。このダイオードは図示のように別の回路要素（すなわちトランジスタＱ１及びＱ２、並びにベース抵抗Ｒｂ）に接続され、回路１０１０を完結している。ダイオードＤ１、ダイオードＤ２、及びベース抵抗Ｒｂを通過する電流はそれぞれ、Ｉ１、Ｉ２、及びＩ３とラベル付けされる。これらの電流を加算して、ソース電流Ｉとなる、すなわち、Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＝Ｉである。接続されたトランジスタＱ１及びベース抵抗Ｒｂにより、電流Ｉ１がダイオードＤ１中を流れ、主にＲｂとトランジスタＱ１の電流利得によって決定される値に実質的に制限されることに注意されたい。一方、トランジスタＱ２は、ダイオードとして機能するように接続され、これによりダイオードＤ２は、ダイオードＤ１を含む回路の分岐が飽和するまでの間、ほとんど通電状態にはならない。
入力端子１０１２、１０１４に対して印加される電気信号へのこのような応答の違いが、ダイオードＤ１及びＤ２によって放射される光の相対量の違いを引き起こし、これにより、照明デバイスの第１の及び第２の発光素子によって放射される光の相対量の違いが生じ、これにより、印加される電気信号の大きさの関数として、照明デバイス光学出力によって設けられる色又は色温度の違いが生じる。例えば、第１の発光素子（ダイオードＤ１を一部に含む）は暖かい白色光を放射し、第２の発光素子（ダイオードＤ２を一部に含む）は冷たい白色光を放射する場合、回路１０１０の効果は、低印加電流で実質的に暖かい白色光の組み合わせ出力（すなわち、照明デバイスの光学出力）を提供するが、この出力は、印加電流が増加するに従い、徐々に冷たく明るい白色に移行する。そのような性能は、なじみ深い白熱光源の減光動作に似ているため、望ましいことがある。回路１０１０はよって、色変化の減光回路として動作し得る。
完全性のために、図１１ａ及び１１ｂは、回路１０１０のモデル化動作を示している。ここでＲｂの値は５００オームと仮定された。両方の図において、ｙ軸は、所与の回路素子（１つ又は複数）を通って流れる電流をミリアンペアで表わす。図１１ａにおいて、ｘ軸は、外部電源によって供給される電圧Ｖｓを表わす。曲線１１１０はダイオードＤ１を通って流れる電流Ｉ１を表わし、曲線１１１２はダイオードＤ２を通って流れる電流Ｉ２を表わし、曲線１１１４はこれらの電流の合計Ｉ１＋Ｉ２を表わす。図１１ｂにおいて、ｘ軸は、両方のダイオードを通って流れる合計電流、すなわちＩ１＋Ｉ２を表わす。曲線１１１６はダイオードＤ１を通って流れる電流Ｉ１を表わし、曲線１１１８はダイオードＤ２を通って流れる電流Ｉ２を表わす。
回路１０１０の１つ以上の構成要素（例えば、トランジスタ及び／又はベース抵抗）は、シリコン基材内、又は他の、「金属接着」ＧａＮ ＬＥＤに使用される半導体基材内に作製することができる。あるいは、そのような回路構成要素は物理的に別個に作製し、発光を担う半導体デバイスから離しておくことができる。
特記しない限り、本明細書及び「特許請求の範囲」で使用されている量、性質の測定などを表現する全ての数は、用語「約」により改変されていると理解されるべきである。したがって、反することが示されない限り、本明細書及び添付の「特許請求の範囲」に記載の数値的パラメーターは、本発明の教示を利用して当業者により得ることが求められる所望の性質に応じて変化する近似値である。均等論を「特許請求の範囲」の範疇に適用することを制限しようとする試みとしてではなく、各数値パラメーターは少なくとも、記録された有効数字の桁数を考慮して、又通常の四捨五入を適用することによって解釈されるべきである。本発明の広範な範囲を示す数値範囲及びパラメーターは近似であるにもかかわらず、いかなる数値も本明細書で述べられる具体的な例で示される程度に、これらは妥当に可能な限り精確に報告される。しかしながら、いかなる数値も試験及び測定の限界に関連する誤差を含み得る。
本発明の様々な修正及び変更は、本発明の範囲及び趣旨から逸脱せずに当該技術分野の当業者に明らかとであり、本発明は、ここに記載された例示的な実施形態に限定されないことが理解されるべきである。例えば、１つの開示実施形態の特徴は、別に記載のない限り、他の開示実施形態全てにも適用され得ることを、読者は推定すべきである。また、本明細書において参照された全ての米国特許、公開特許出願、並びに他の特許及び非特許文書は、それらが上述の開示に矛盾しない範囲において、参照によって全てが組み込まれることが理解されるべきである。

Claims (23)

  1. ソリッドステート照明デバイスであって、
    第１のポンプ光を放射する第１のエレクトロルミネセンス光源と、
    前記第１のポンプ光の少なくとも一部を第１の再発光光構成成分に変換する第１の光変換素子と、を含んだ、第１のスペクトル分布を有する光を放射するよう構成された第１の発光素子と、
    第２のポンプ光を放射する第２のエレクトロルミネセンス光源と、
    前記第２のポンプ光の少なくとも一部を第２の再発光光構成成分に変換する第２の光変換素子と、を含んだ、第２のスペクトル分布を有する光を放射するよう構成された第２の発光素子と、を含み、
    前記第１の及び前記第２の光変換素子のうち少なくとも１つが、第１のポテンシャル井戸を含む第１の半導体積層体を含み、
    前記第１の及び前記第２の発光素子が、前記第１の及び前記第２の発光素子によって放射される光が組み合わせられてデバイス出力を供給するように配置され、
    前記第１の及び前記第２のスペクトル分布は、標準ＣＩＥ（ｘ，ｙ）色座標図上の線分上のそれぞれ第１の及び第２の終点によって表わすことができ、前記線分は、前記第１の発光素子によって放射された光と、前記第２の発光素子によって放射された光との、様々な相対量について、可能なデバイス出力の範囲を表わし、前記線分の少なくとも一部分が更に、少なくとも色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって完全放射体軌跡に近似している、ソリッドステート照明デバイス。
  2. 前記線分が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上において、完全放射体軌跡から離れている距離が０．０４未満である、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記線分で表わされる前記可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも６０に維持している、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記線分で表わされる前記の可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも７０に維持している、請求項３に記載のデバイス。
  5. 前記線分で表わされる前記の可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも８０に維持している、請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記第１のポンプ光が第１のピーク波長λ１ｐを有し、前記第２のポンプ波長が第２のピーク波長λ２ｐを有し、λ１ｐは実質的にλ２ｐと同じである、請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記第１の及び前記第２のポンプ光がそれぞれ、３５０〜５００ｎｍの範囲のピーク波長を呈する、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記第１の及び前記第２のエレクトロルミネセンス光源が、一体型半導体素子の中の異なる部分を構成する、請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記第１の及び前記第２のエレクトロルミネセンス光源が、別個の半導体素子を構成する、請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記第１の光変換素子が燐光体を含み、前記第２の光変換素子が、前記第１のポテンシャル井戸を含む前記第１の半導体積層体を含む、請求項１に記載のデバイス。
  11. 前記燐光体が黄色光を放射し、前記第１の半導体積層体がアンバー光を放射する、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 前記第２のスペクトル分布が、５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にピーク放射を有する第１の発光バンドと、６００ｎｍ〜７００ｎｍの間にピーク放射を有する第２の発光バンドとから本質的になる、請求項１１に記載のデバイス。
  13. 前記第１の発光バンドが５０ｎｍ以下のＦＷＨＭ幅を有し、前記第２の発光バンドが５０ｎｍ以下のＦＷＨＭ幅を有する、請求項１２に記載のデバイス。
  14. 前記線分で表わされる前記の可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも６０に維持している、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記第１の光変換素子が前記第１の半導体積層体を含み、前記第２の光変換素子が、第２のポテンシャル井戸を含む第２の半導体積層体を含む、請求項１に記載のデバイス。
  16. 前記第１の半導体積層体が第３のポテンシャル井戸を含み、前記第２の半導体積層体が第４のポテンシャル井戸を含み、前記第１の、前記第２の、前記第３の、及び前記第４のポテンシャル井戸が、互いに少なくとも１０ｎｍ離れているピーク波長の再発光光を生成することができる、請求項１５に記載のデバイス。
  17. 前記第１のスペクトル分布がシアン色で特徴付けられ、前記第２のスペクトル分布がアンバー色で特徴付けられる、請求項１６に記載のデバイス。
  18. 前記第１のスペクトル分布が、４００ｎｍ〜５００ｎｍの間にピーク放射を有する第１の発光バンドと、５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にピーク放射を有する第２の発光バンドと、を含む、請求項１６に記載のデバイス。
  19. 前記第２のスペクトル分布が、５００ｎｍ〜６００ｎｍの間にピーク放射を有する第３の発光バンドと、６００ｎｍ〜７００ｎｍの間にピーク放射を有する第４の発光バンドと、を含む、請求項１８に記載のデバイス。
  20. 前記第１の、第２の、第３の、及び第４の発光バンドがそれぞれ、５０ｎｍ以下のＦＷＨＭスペクトル幅を有し、前記線分で表わされる前記可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも６０に維持している、請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記線分で表わされる前記可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも７０に維持している、請求項２０に記載のデバイス。
  22. 前記線分で表わされる前記可能なデバイス出力が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、演色評価数を少なくとも８０に維持している、請求項２１に記載のデバイス。
  23. 前記線分が、色温度範囲３０００Ｋ（２７２７℃）〜５０００Ｋ（４７２７℃）にわたって、ＣＩＥ（ｘ，ｙ）平面上において、完全放射体軌跡から離れている距離が０．０２未満である、請求項１に記載のデバイス。
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