JP2023523910A - 集積光学フィルタリング素子を有するカラーｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

赤色LEDは、580nmから620nmの範囲のLDomを有する固有放射スペクトルを有する活性InGaN層を有する半導体LED層を有する。該半導体LED層の上部には、フィルタが配置され、前記固有放射スペクトルの短波長側がフィルタリングされ、LDomが5nmから20nmの間だけ長波長側にシフトする。

Description

本願は、全般に、集積カラーフィルタ素子を有するLEDの製造に関する。広スペクトルカラーLEDの性能特性は、マイクロLEDアレイまたはディスプレイシステムの一部を形成可能なLED構造に、パッシブ光学フィルタリング素子を直接形成することにより、改善することができる。
半導体発光素子（LED）は、広範囲の放射特性を有するように製造できる。例えば、InGaN系のLEDは、可視スペクトルにおける任意の色の光を放射することができ、これはディスプレイ用途にとって魅力的である。しかしながら、InGaN系のLEDは、いくつかの特殊な特性により識別され、これには、作動電流密度の増加とともに、放射スペクトル（Lc）の中心波長が短波長側にシフトする傾向が含まれる。この特性は、部分的に、注入キャリアによる内部電界のスクリーニングによるものである。第2の特徴は、スペクトル半値全幅（FWHM）が広く、特にLcの範囲が長くなる傾向にあることである。FWHMは、赤色の範囲のInGaNスペクトルにおいて50～70nmの広さであり得る。InGaN赤色LEDのFWHMは、極めてブロードであり、このため出力電力のかなりの割合が赤外領域で放射されることが留意される。この特性は、部分的に、高いインジウム濃度のInGaN量子井戸（QW）の不均一性の増加によるものである。
InGaNスペクトルのこれらの特性は、見た目に影響を与える。駆動電流によるLcのシフトは、光出力パワーと発光色を相互に独立に制御することを難しくする。出力電力を高めるためにはより多くの電流が必要となるが、電流が上昇すると、色が変化する。例えば、緑色LEDの放射は、より高い電流では青緑色に見えるが、赤色LEDの放射は、黄色に見える。広い放射スペクトルは、固定電流でLEDを動作させる際、追加の含みをもたらす。人の眼は、青色光および赤色光よりも、緑色光および黄色光に対してずっと敏感である。これは、赤色または青色のLEDのスペクトルのうち黄緑色の範囲に延在する少量の部分が、眼によって知覚される色（主要波長）に、不均衡なほど大きな影響を及ぼすことを意味する。625nmのLcを有するInGaN LEDは、赤色領域でその放射流束の90%以上を放射するが、その主用波長（LDom）は、そのスペクトルの少しの「尾部」が短波長側に伸びるため、オレンジ色となる。これまで広いFWHMと電流密度によるLcのシフトは、多くの用途において、赤色InGaN LEDの採用を妨げている。
改善されたInGaNスペクトルを提供するいくつかの試みがなされている。例えば、Daneshらの米国特許10,361,341号には、低電流密度（1.2A／cm2）で測定された赤色InGaN LEDスペクトルが開示されており、これは、電流密度の上昇に伴う（Lc）シフトの観点から、最も要求の少ない動作条件である。しかしながら、多くの用途では、必要なフラックス束を得るため、より高い電流密度が要求される。
InGaN LED、特に色階調の高いLEDディスプレイには、改善された構造および素子が必要である。そのようなディスプレイには、625nmもの長さのピーク波長または主要波長（LDom）が必要となり得る。現在の技術では、620nmのLDomは、低駆動電流密度でのInGaNではほとんど可能ではなく、高い電流密度では不可能である。この制限は、同じInGaN材料システムから製造された3つのエミッタ（例えば、RGB）の全てを有する、高い色域を有するディスプレイの製造を妨げている。異なる材料システムからのLEDを同じディスプレイに集積することは複雑であるため、ディスプレイにおいて赤色画素用のGaAs系または他のLED材料を組み込むよりも、3色全てにInGaNを使用することが好ましい。
本発明の一実施形態では、赤色LEDは、580nmから620nmの範囲のLDomを有する固有放射スペクトルを有する活性InGaN層を有する半導体LED層を有する。半導体LED層の上部にはフィルタが配置され、固有放射スペクトルの短波長がフィルタリングされ、LDomが5nmから20nmの間だけ長波長側にシフトされる。
別の実施形態では、青色LEDは、活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、470nmを超える主要波長および93%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層を有する。前記半導体LED層の上部には、フィルタが配置され、前記放射される固有スペクトルの長波長側がフィルタリングされ、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和が高められる。
別の実施形態では、赤外線LEDは、活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、640nmから740nmの範囲の重心WLを有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層を有する。前記半導体LED層の上部には、フィルタが配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長部分がフィルタリングされ、10nmから100nmだけ重心WLが高められる。
別の実施形態では、緑色LEDは、活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、535nm未満の主要波長および90%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層を有する。前記半導体LED層の上部には、フィルタが配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長側がフィルタリングされ、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和が高められる。
ある実施形態では、前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置されてもよい。
ある実施形態では、前記半導体LED層に透明導電層が取り付けられ、前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる。
ある実施形態では、第1の側で前記半導体LED層に透明サファイア層が取り付けられ、前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる。
ある実施形態では、前記フィルタは、吸収性材料を有する。
ある実施形態では、前記フィルタは、II-VI半導体を有する。
ある実施形態では、前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する。
ある実施形態では、前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する。
ある実施形態では、当該LEDは、マイクロLEDである。
ある実施形態では、当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する。
以下の図面を参照して、本開示の非限定的で非排他的な実施形態が説明される。各種図面の全体を通して、同様の参照符号は、特に記載のない限り、同様の部材を表す。
活性発光領域を含む半導体層と直接一体化されたフィルタを示す、スケールのない図である。 活性発光領域を含む半導体層にわたって形成された透明導電層上に形成されたフィルタの、スケールのない図である。 活性発光領域を含む半導体層にわたって形成された透明基板上に形成されたフィルタの、スケールのない図である。 選択された金属における波長に対する光反射率のグラフをした図である。 非フィルタリングITO／Ag電極およびフィルタリングITO／Cu電極を有するLEDにおける、波長に対するエレクトロルミネセンス（EL）強度のグラフを示した図である。 InGaN赤色LEDの短波長放射を抑制する、複数のTiO2層およびSiO2層を有する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDと図4Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 InGaN赤色LEDの短波長放射を抑制する、複数のSiNx層およびSiO2層を有する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDと図5Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 LED半導体層と一体化されたフィルタの透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDと図6Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 青色LEDの放射の長い部分をフィルタ化するように設計された複合ミラー（ITO／誘電体スタック／Ag）の反射特性を示す図である。 未フィルタ処理LEDおよび図7Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 InGaN青色LEDの長波長側放射を抑制する、複数のSiNx層およびSiO2層を有する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDと図8Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 InGaN LEDの放射スペクトルの赤外線部分を透過させ、可視部分をブロックするために使用されるフィルタコーティングにおけるサファイア対空気の透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDおよび図9Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。 InGaN LEDの放射スペクトルの緑色部分を透過し、青色部分をブロックするために使用されるフィルタコーティングのサファイア対空気の透過特性を示した図である。 未フィルタ処理LEDおよび図10Aのフィルタを使用したLEDにおける波長に対するEL強度のグラフを示した図である。
図1は、活性発光領域を含む半導体層の上部に配置されたフィルタの、スケールのない図である。いくつかの実施形態では、フィルタは、吸収フィルタであってもよいが、他の実施形態では、ミラーフィルタを使用することができる。図1に示すように、LED100は、半導体LED層120を支持する基板110と、半導体LED層120と接触して形成され、選択された波長の光を遮断するフィルタ130とを有する。半導体層120から放射される少なくとも一部の光は、フィルタ130を通過する必要がある。フィルタ130は、（図のように）半導体層120と直接一体化され、半導体層と接触するように形成されても、または1または2以上の中間透明層上に配置されてもよい。
基板110は、パターン化された、またはパターン化されていないサファイア、シリコン、もしくは炭化ケイ素で形成することができ、これは、エピタキシャル成長したまたは成膜された半導体LED層120を支持することができる。一実施形態では、半導体p層は、n層上に連続的に成長されまたは成膜され、両層間の接合部に活性領域が形成される。高輝度発光装置を形成できる半導体材料には、これに限られるものではないが、III-V族半導体、特に、III族-窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の二元、三元、および四元合金が含まれる。一実施形態では、n型GaN層、赤色放射InGaN QW活性領域、およびp型GaN層を成長させることができる。
半導体LED層120のエピタキシャル成長後、薄膜フリップチップ（TFFC）LED製品の製造に使用される従来のウェハ製造プロセスを使用することができる。基板110の光電気化学的表面テキスチャリングがダイシングされ、1つ以上のLEDを含むタイルが形成された後、該タイルが洗浄され、その後RFスパッタリング成膜チャンバに装填され得る。一実施形態では、所望の波長を吸収するフィルタ130は、多結晶II-VI半導体合金を含むことができ、近似組成はCdSe0.4S0.6であり、合金ターゲットを用いてタイルの上部に800nmの厚さが堆積され、テキスチャーGaN発光表面が共形にコーティングされる。通常、吸収フィルタコーティングは、610nmより長い波長に対して60%を超え、600nmより短い波長に対してはゼロに近い、光透過率を有する。
また、II-VI族半導体のファミリーにおいて、各種光吸収材料を使用することもできる。通常、そのような光吸収材料は、直接バンドギャップを有し、緑色と近赤外との間のスペクトル範囲において、鋭いカットオフ波長で高い吸収を与える。例えば、代替組成物は、CdSe0.4S0.6と同様の光学特性を有するCd0.2Zn0.8Teを有してもよい。II-VI族半導体コーティングの厚さは、200～2000nmの厚さ値を網羅する、有用な範囲を含むことができる。最適な厚さは、選択された材料と成膜条件の両方に依存する。これらのコーティングは、スパッタリング、熱または電子ビーム蒸着のような、物理気相成膜技術を用いて製造することができる。またいくつかの材料は、湿式化学浴槽から成膜することもできるが、浴槽法は、組成および光学特性の精密な制御にはあまり適さない。CrまたはFeのような不純物の小濃度（＜0.1%）を添加して、II-VI材料の抵抗率を高め、半導体LED層120の電気的短絡を抑制することができる。
いくつかの実施形態では、吸収性II-VI半導体フィルタの使用の代替として、金属反射性組成物を使用することができる。Cuは、InGaN赤色LEDの放射スペクトルの長波長部分を優先的に反射するため特に好適であるが、赤色より短い波長で反射率を低下させる特性を有する、任意の金属を使用することができる。ある代替例には、Au、Au-Cu合金、および導電性金属窒化物化合物、例えばTiN、HfN、ZrN、CrNおよび／またはそれらの混合物が含まれる。一例では、Cuは、p-GaNの上に直接成膜でき、あるいは、2～10nmの厚さのNi層をp-GaN上に成膜した後、成膜することができる。p-GaNの直上のCuは、最適な電気特性を有しないためである。Ni層は、Cu成膜の前に、別のプロセスステップにおいて、アニールされてもよい。
別の実施形態では、反射性フィルタリング素子（すなわち、波長選択性ミラーフィルタ）が、チップまたはタイル処理の最後に集積され得る。エピタキシャル成長後、従来のチップスケールパッケージLED製品で使用されるウェハ製造プロセスは、原子層成膜（ALD）によって成膜された高反射性薄膜側面コーティングを支持することができる。この実施形態では、ダイ取り付け工程の前にALDを使用して、発光表面となるチップの5つの外面にわたって、均一かつ共形に誘電体ミラーが成膜される。ミラーに使用される材料は、交互に順番に成膜された、6層のTiO2（高屈折率）および5層のSiO2（低屈折率）である。50nmおよび80nmのそれぞれの厚さ値から生じる光学的干渉は、InGaN赤色LEDの放射をフィルタリングする上で有用である。
いくつかの用途では、放射された光をフィルタリングすることが、LEDの5つの表面ではなく、1つの放射表面に対してのみ必要とされることがある。いくつかの用途では、隣接するLEDにより側壁から漏れる光がブロックされるように、まとめて密接充填されたLEDのアレイが使用されてもよい。誘電体ミラーは、プラズマアシスト技術を含む任意の各種物理的または化学的成膜技術により、成膜されてもよく、広範な種類の誘電体酸化物および窒化物からの材料が使用されてもよい。別の例として、InGaN赤色LEDをフィルタリングする上で有効なミラー設計は、11層のSiNxおよび10層のSiO2で構成され、それぞれの厚さは、70nmおよび93nmである。またそのような誘電体ミラーコーティングを適用して、誘電体層の厚さを単に調整することにより、青色LEDの放射の長波長部分を抑制してもよい。青色光をフィルタリングするコーティングの透過特性は、それぞれの厚さが73および97nmの5層のSiNxおよび4層のSiO2の使用を含む。有意には、前述の反射性フィルタは、所望の波長範囲の光に対してより低い光学損失を有してもよい。反射性フィルタにより吸収されない所望の波長の光は、ダイから逃れるための別の変化を有する。
別の実施形態では、反射性フィルタリング素子（すなわち、波長選択性ミラーフィルタ）は、半導体LED層120内に一体化され得る。この実施形態では、フィルタ130は、エピタキシャル反射層の成長用の二次元表面を提供するために適用された合体層を有する。Al0.84In0.16NおよびGaNの40層の交互の連続層が、それぞれ70nmおよび65nmの厚さで、合体層上に成長される。有意には、Al0.84In0.16Nは、小さい屈折率を有し、n型導電性であり、GaNとほぼ格子整合し、LED構造を完成するのに必要な次のエピタキシャル層の成長に関して、熱的に安定である。Al0.84In0.16N／GaN誘電体ミラーの反射率特性は、赤色InGaN LEDの放射の短波長部分を抑制することに好適である。Al0.84In0.16NおよびGaNの組成物は、特に好ましい格子整合特性および反射率特性を有するが、ミラー系フィルタは、異なる屈折率を有するAlxInyGa-x-yNおよびAlaInbGa1-a-bNから選択された組成物を有する、任意の層の組から形成され得ることが留意される。
（前述の）エピタキシャルに一体化されたAl0.84In0.16N／GaNフィルタリングミラーを使用する利点は、エピタキシャルウェハが、ダイの製造に関して「ドロップインリプレースメント」であり、追加のポストエピタキシー製造処理ステップを必要としないことである。
いくつかの実施形態では、GaNと他のエピタキシャル層との間の屈折率コントラストを高めるポスト成長処理技術を適用する方法を使用して、より狭い停止バンドおよびより良好な角度特性を有するミラーが形成できる。例えば、これは、LEDメサエッチングにより層の端部が露出した後の、Al0.84In0.16N（または他のAl含有）層の選択的光電気化学酸化により、達成することができる。Al0.84In0.16N（および他のAl含有層）は、GaNおよびInGaNが未変化のまま残るプロセス条件のため、小さな屈折率のAl2O3に酸化され得る。
他の実施形態では、ミラーのため成長した層のシーケンスは、高度にn型ドープされたGaN層、および軽度にn型ドープされたGaN層を含むことができる。LEDメサエッチングにより埋設層の端部が露出した後、ポスト成長電気化学処理により高度にn型ドープされた層に、高い度合いのポロシティを優先的に導入することができる。多孔質層は、非多孔質層よりも有意に低い屈折率を有するため、前述の成長したままのAl0.84In0.16N／GaNミラーよりも良好な反射特性を有するミラーを成長させることができる。また有意には、多孔質GaN層は、前述のような酸化Al0.84In0.16N層とは異なり、n型導電性であってもよい。ミラーフィルタの電気伝導性は、必要な場合、垂直に注入されたLEDに提供し得るが、横方向の電流注入を用いるLEDには必要ではない。
図2Aは、活性発光領域を含む半導体層の上部に配置されたフィルタの、スケールのない図である。この実施形態では、中間透明導電層と直接接触し、下側の半導体層のアノードとして作用する。いくつかの実施形態では、フィルタは、吸収フィルタであってもよいが、他の実施形態では、ミラーフィルタを使用することができる。図2に示すように、LED200は、半導体LED層220および透明導電層240を支持する基板210を有する。フィルタ230は、透明導電層240と接触して形成され、光の選択された波長が抑制される。理解されるように、基板および半導体LED層は、図1に関して説明したような実施形態を含み得る。
図2Bは、活性放射領域を含む下側半導体層の上部の中間透明基板層上に配置されたフィルタの、スケールのない図である。図2Aの実施形態と同様、フィルタは、吸収フィルタであってもよいが、他の実施形態では、反射ミラーフィルタが使用され得る。図2Bに示すように、LED200Bは、基板210Bを有し、これは、透明サファイア、または半導体LED層220Bの成長を支援する他の好適な材料から形成され得る。フィルタ230Bは、基板210Bと接触して形成され、選択された光波長が抑制される。基板210Bは、フィルタ230Bと半導体LED層220Bとの間に配置される（すなわち、フィルタは、第1の側に取り付けられ、半導体LED層は、反対の第2の側に取り付けられる）。理解されるように、基板および半導体LED層は、図1に関して説明したような実施形態を含むことができる。
一実施形態では、半導体LED層220のエピタキシャル成長後、薄膜フリップチップ（TFFC） LED製品の製造に使用される、従来のウェハ製造プロセスを使用することができる。半導体LED層220とのアノードコンタクトを形成することができる。一実施形態では、インジウム-スズ酸化物（ITO）とCuのバイレイヤが形成され、ITOは、透明導電体として作用し、Cuは、反射ミラーフィルタとして作用する。ITOおよびCu層は、電子ビームまたは熱蒸発、またはスパッタリングのような物理的気相成膜技術により、成膜され得る。その特性を改善するため、ITO層は、Cu成膜の前に別のステップでアニールされてもよい。ITOの厚さは、典型的には5～50nmの範囲であり、Cuの厚さは、100～500nmの範囲であり、最も好ましい値は、それぞれ、約20nmおよび約200nmである。いくつかの実施では、Al、Ni、Ti、またはCrのような別の金属の極めて薄い（1～5nm）層がCuの前にITOの上に成膜でき、そのITOに対する接着性が改善される。
ITOを用いた実施は、最良の電気的および光学的特性を有するが、いくつかの実施態様では、ITOは、ZnO、インジウム-亜鉛酸化物（IZO）、導電性グラフェンのような透明導電性酸化物、またはp-GaNに対してオーム電気コンタクトを形成する他の組成物で置換できる。
他の実施形態では、反射性フィルタリング素子（すなわち、ミラーフィルタ）は、透明導電性ITOまたは他の層により提供されたアノードコンタクト上に成膜され得る。例えば、誘電体ミラーをITOの上部に成膜し、誘電体ミラーを介してエッチングされたビアのアレイにより、ITOとの接触が可能になる。Ag金属が誘電体ミラーの上に成膜され、ビアにより、AgのITOへの電気的接触が可能になる。この実施例における誘電体ミラーは、抑制される波長に対しては反射率が低く、保護される波長に対しては反射率が高くなるように設計され得る。ミラーの第1の層は、SiO2の厚い（500nm）層であり、以降、TiO2の5つおよびSiO2の4つの交互層であり、それぞれの厚さは、40および68nmである。有意には、この種の複合ミラーは、1）フィルタリング能力が、利用可能な金属の特性により制限されず、2）保存される波長範囲において、極めて低い光損失を有する。
別の実施形態では、複合ミラーは、異なる物理的密度（従って、異なる屈折率）を有する交互のITO層のスタックの上部の金属コーティングから形成できる。例えば、基板ウェハに対して異なる角度に配置された2つのITO蒸発源を有する成膜チャンバを用いて、異なるボイド密度のITO層が成膜できる。この方法の利点は、ミラーが完全に導電性材料で構成され、ビアのパターン化が不要であり、プロセスが単純化されることである。
前述の構造およびプロセスを用いて、選択されたバンド幅にわたってフィルタリングを提供することができ、材料の特定の選択、層の厚さ、および層の数および順序に応じて、各種性能特性を得ることができる。一般に、赤色LEDと緑色LEDは、短波長をブロックするフィルタの恩恵を受けるが、青色LEDは、長波長をブロックするフィルタの恩恵を受ける。事実上、赤色LEDは、主要波長を所望の長波長設定ポイントにシフトさせることにより、利益を得る。フィルタ内の赤色光損失を考慮しても、このアプローチは、フィルタなしで真の赤色LDomを放射するようにLEDを設計することによる達成される値よりも高い外部量子効率（EQE）を提供する。あるいは、広域スペクトルダイレクト青色LEDは、より長い波長ターゲットで輝度が最大化される一方、緑色の範囲に「尾」を有するスペクトルの部分がブロックされるため、許容可能な色飽和が維持されるので、有意である。一方、緑色LEDは、色飽和の上昇の点で有意であり得る。これは、そのスペクトルのより短い波長部分をフィルタリングすることで得られ、特に、広範囲の動作電流にわたって高い色飽和を維持することが望ましい用途において、有意である。可視光LEDに焦点を当てて説明してきたが、ロングパスフィルタがInGaN赤色LEDに適用され、これが有効に赤外LEDに変換できることに留意する必要がある。以下の図3Aから8Bにおいて、各種タイプの吸収フィルタおよびミラーフィルタを使用した赤色および青色のフィルタリングのいくつかの選択された例が示される。
図3Aは、選択された金属に関する光反射率と波長の関係を示すグラフである。グラフから明らかなように、素子の中でCuは、短波長に対する赤色光の反射を高めるのに特に好適である。
図3Bには、非フィルタリングITO／Ag電極を有するLEDと、フィルタリングITO／Cu電極を有するLEDについての、エレクトロルミネセンス（EL）強度と波長の関係を示すグラフを示す。
図4Aは、複数のTiO2層およびSiO2層を有し、InGaN赤色LEDの短波長放射を抑制する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示すグラフである。入射角が0から15乃至25度まで増加すると、フィルタカットオフがより短波長にシフトすることが示されている。理解されるように、フィルタの特性は、全内部反射の臨界角よりも小さな角度に対してのみ関連する。
図4Bには、未フィルタ処理LED、および図4Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の関係を示すグラフを示す。
図5Aは、複数のSiNx層およびSiO2層を有し、InGaN赤色LEDの短波長放射を抑制する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示すグラフである。入射角が0から15乃至25度まで増加すると、フィルタカットオフがより短波長にシフトすることが示されている。この場合も、フィルタの特性は、全内部反射の臨界角よりも小さな角度にのみに関連する。
図5Bには、未フィルタ処理LED、および図5Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
図6Aは、LED半導体層と一体化されたフィルタの透過特性を示すグラフである。グラフ600は、入射角が0度から15度乃至25度に増加した際に、より短波長にブロックバンドがシフトすることを示す。
図6Bには、未フィルタ処理LED、および図6Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
図7Aは、青色LEDの放射の長い部分をフィルタリングするように設計された複合ミラー（ITO／誘電体スタック／Ag）の反射特性を示すグラフである。異なる入射角（0度、15度、25度）が示されている。500nm付近の反射率は、角度が0～15度の範囲で急激に低下し、25度付近では、やや低下した。
図7Bには、未フィルタ処理LED、および図7Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
図8Aは、複数のSiNx層およびSiO2層を有し、InGaN青色LEDの長波長放射を抑制する干渉フィルタを介した、サファイアから空気までの透過特性を示すグラフである。入射角が0から15乃至25度に増加すると、フィルタカットオフがより短波長にシフトすることが示されている。この場合も、フィルタの特性は、全内部反射の臨界角よりも小さな角度にのみ関連する。
図8Bには、未フィルタ処理LED、および図8Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
図9Aは、InGaN LEDの放射スペクトルの赤外線部分を透過させ、可視光部分をブロックするために使用されるフィルタコーティングにおける、サファイアから空気の透過特性を示すグラフである。サファイア上のフィルタコーティングは、95nmのSiNx層、それぞれの厚さが126および95nmのSiO2およびSiNxの9層の交互の層組、ならびに厚さが175nmのSiO2の最後層を含むことができる。事実上、640～740nmの範囲の重心WLを有する固有放射スペクトルを有するLEDでは、放射スペクトルのより短い波長部分をフィルタリングすることにより、重心WLをLEDの10～100nmだけ増加させることができる。入射角が0から15乃至25度に増加すると、フィルタカットオフがより短波長にシフトすることが示されている。この場合も、フィルタの特性は、全内部反射の臨界角よりも小さな角度にのみ関連する。
図9Bには、未フィルタ処理LED、および図9Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
図10Aは、InGaN LEDの放射スペクトルの緑色部分を透過させ、青色部分をブロックするために使用されるフィルタコーティングにおける、サファイアから空気の透過特性を示すグラフである。サファイア上のフィルタコーティングは、60nmのSiNx層、それぞれの厚さが82および60nmの8層のSiO2およびSiNxの交互の層組、ならびに厚さ115nmのSiO2の最後層を含むことができる。事実上、これを用いてスペクトルのより短波長部分をフィルタリングすることにより、またはLDomが535nm未満で色飽和が90%未満の固有の放射スペクトルを有するLEDの上部に配置された他の好適なフィルタにより、色飽和を少なくとも3パーセントポイントだけ増加させることができる。入射角が0から15乃至25度に増加すると、フィルタカットオフがより短波長にシフトすることが示されている。この場合も、フィルタの特性は、全内部反射の臨界角よりも小さな角度にのみ関連する。
図10Bには、未フィルタ処理LED、および図10Aのフィルタを使用したLEDにおけるEL強度と波長の間の関係を示したグラフを示す。
理解されるように、記載の実施例はTFFC LEDに特化されているが、構造および方法は、TFFC LEDに限定されるものではない。光吸収性系またはミラー系のバンドフィルタは、発光するLEDの任意の外部表面にわたってコーティングすることができる。構造および方法は、マイクロLEDアレイ、マイクロLEDディスプレイ、RGBディスプレイ、または一般照明、フラッシュ照明、もしくは自動車用照明に好適なより大きなLEDに適用可能である。
一部の実施形態では、パッケージ化LEDまたはマイクロLEDは、光反射性材料または光吸収性材料により取り囲まれた、側壁または周囲領域を有することができる。反射性金属または誘電体ミラー、ならびに光反射性または吸収性材料を使用することができる。そのような材料は、有機、無機、または有機／無機バインダ、およびフィラー材料を含むことができる。例えば、有機／無機バインダおよびフィラーは、例えば、埋設された反射性酸化チタン（TiO2）または他の反射性／散乱性粒子を有するシリコーンであり得る。無機バインダには、ゾル-ゲル（例えば、TEOSまたはMTMSのゾル-ゲル）、または水ガラスとしても知られている液体ガラス（例えば、ケイ酸ナトリウムまたはケイ酸カリウム）が含まれる。一部の実施形態では、バインダは、物理的特性を調整するフィラーを含むことができる。フィラーは、無機ナノ粒子、シリカ、ガラス粒子もしくはファイバ、または光学的もしくは熱的特性を改善することができる他の材料を含むことができる。
記載のLEDは、パッケージ化することができ、必要な場合、半導体LEDによる光生成物に給電し制御するために接続された、サブマウントまたは印刷回路基板を含むことができる。また特定の実施形態では、印刷回路基板は、電気ビア、ヒートシンク、グラウンドプレーン、電気トレース、およびフリップチップ、または他のマウントシステムを含むことができる。サブマウントまたは印刷回路基板は、セラミック、シリコン、アルミニウムのような、任意の好適な材料で形成されてもよい。サブマウント材料が導電性である場合、基板材料の上部に絶縁層が形成され、絶縁層の上部に金属電極パターンが形成される。サブマウントは、機械的支持体として作用し、LED上の電極と電源との間の電気的インターフェースを提供するとともに、ヒートシンクを提供する。
さらに別の実施形態では、パッケージ化されたLEDの近くに一次光学系または二次光学系が取り付けられ、または配置され得る。光学系は、凹レンズまたは凸レンズ、小型レンズアレイ、傾斜屈折率レンズ、リフレクタ、散乱素子、ビームホモジナイザ、ディフューザ、または他の集光もしくはぼかし光学系を含むことができる。保護層、透明層、熱層、または他のパッケージ構造は、特定の用途の必要に応じて使用することができる。
本願に記載の吸収フィルタまたはミラーフィルタを提供するシステムおよび方法は、マイクロLEDディスプレイに対して特に有用である。ウェアラブルデバイス、ヘッドマウントディスプレイ、および大面積ディスプレイを含む、各種新ディスプレイ用途では、100μm×100μm未満の横方向寸法を有する高密度のマイクロLED（μLEDまたはuLED）のアレイで構成された小型化チップが必要となる。マイクロLED（uLED）は、通常、赤、青、および緑の波長を有するマイクロLEDを近接して整列させることにより、カラーディスプレイの製造に使用される、直径または幅が約50μm以下の寸法を有する。
ディスプレイに加えて、フィルタリング素子を有するマイクロLEDおよび従来のLEDを使用して、光分布の微細強度、空間的および時間的制御の恩恵を受ける、各種ビームステアリングまたは他の用途を支援することができる。これには、これに限られるものではないが、画素ブロックまたは個々の画素から放射される光の正確な空間パターン化が含まれててもよい。用途に応じて、放射された光は、スペクトル的に別個であってもよく、経時的に適応的であってもよく、および／または環境的に応答性であってもよい。発光画素アレイは、各種強度、空間、または時間パターンで予めプログラムされた光分布を提供することができる。関連する光学系は、画素、画素ブロック、またはデバイスレベルで別個であってもよい。例示的な発光マイクロLED画素アレイは、関連する共通光学系を有する高強度画素の共通制御された中央ブロックを有する装置を有してもよく、一方、エッジ画素は、個々の光学系を有してもよい。懐中電灯に加えて、発光画素アレイにより支援される一般的な用途には、ビデオ照明、自動車ヘッドライト、建築用照明および区域照明、ならびに街路照明が含まれる。
例えば、発光マトリクス画素アレイを使用して、改善された視覚表示のため、建物または領域を選択的かつ適応的に照射したり、照明コストを低減したりしてもよい。また、発光画素アレイを用いて、装飾的な動きまたはビデオ効果のため、メディアファサードを投影してもよい。追跡センサおよび／またはカメラと共に、歩行者の周囲の領域の選択的照明が可能となってもよい。スペクトル的に別個の画素を使用して、照明の色温度を調節してもよく、また波長特異的な園芸照明を支援してもよい。
街路照明は、発光画素アレイの使用から大きな利益を得ることが可能な重要な用途である。単一種の発光アレイは、各種街路照明の種類の模倣に使用されてもよく、例えば、選択された画素の適切な活性化または非活性化により、タイプIの直線街路灯とタイプIVの半円街路灯との間の切り替えが可能となる。また、街路照明のコストは、環境条件、顔認識により識別される歩行者の有無、または使用時間に応じて、光ビーム強度または分布を調整することにより、低下されてもよい。例えば、光の強さと分布面積は、歩行者がいない場合、抑制されてもよい。発光画素アレイの画素がスペクトル的に相違する場合、光の色温度は、それぞれの昼光、夕暮れ、または夜間の条件に従って調節されてもよい。
車両用ヘッドランプは、正確な光色制御、大きな画素数、および高いデータリフレッシュレートが要求される別の発光アレイ用途である。道路の選択された区画のみに能動的に照射する自動車用ヘッドライトを使用して、対向するドライバーのグレアやまぶしさに関連する問題を軽減することができる。赤外線カメラをセンサとして用い、発光画素アレイにおいて道路の照射に必要な画素のみを作動させる一方、歩行者または対向車両のドライバーがまぶしく感じる可能性のある画素を非活性化させる。いくつかの実施形態では、オフロード歩行者、動物、または標識が選択的に照射され、ドライバーの環境意識が改善されてもよい。発光画素アレイの画素がスペクトル的に異なる場合、光の色温度は、それぞれの昼光、夕暮れ、または夜間の条件に従って調節されてもよい。
（実施形態）
各種実施形態が、以下に列挙される。以下にリストされる実施形態は、本発明の範囲に従って、全ての態様および他の実施形態と組み合わせることができることが理解されるであろう。
実施形態（a）：赤色LEDであって、
580nmから620nmの範囲のLDomを有する固有放射スペクトルを有する活性InGaN層を有する半導体LED層と、
前記半導体LED層の上部に配置され、前記固有放射スペクトルの短波長側をフィルタリングし、5nmから20nmの間だけLDomを長波長側にシフトさせるフィルタと、
を有する、赤色LED。
実施形態（b）：前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、実施形態（a）のLED。
実施形態（c）：さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、実施形態（a）から（b）のLED。
実施形態（d）：さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、実施形態（a）から（c）のLED。
実施形態（e）：前記フィルタは、吸収性材料を有する、実施形態（a）から（d）のLED。
実施形態（f）：前記フィルタは、II-VI半導体を有する、実施形態（a）から（e）のLED。
実施形態（g）： 前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、実施形態（a）から（f）のLED。
実施形態（h）：前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、実施形態（a）から（g）のLED。
実施形態（i）：当該LEDは、マイクロLEDである、実施形態（a）から（h）のLED。
実施形態（j）：当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する、実施形態（a）から（i）のLED。
実施形態（k）：青色LEDであって、
活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、470nmを超える主要波長および93%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの長波長側をフィルタリングし、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和を高めるフィルタと、
を有する、青色LED。
実施形態（l）：前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、実施形態（k）のLED。
実施形態（m）：さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、
前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、実施形態（k）から（l）のLED。
実施形態（n）：さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、
前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、実施形態（k）から（m）のLED。
実施形態（o）：前記フィルタは、吸収性材料を有する、実施形態（k）から（n）のLED。
実施形態（p）：前記フィルタは、II-VI半導体を有する、実施形態（k）から（o）のLED。
実施形態（q）：前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、実施形態（k）から（p）のLED。
実施形態（r）：前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、実施形態（k）から（q）のLED。
実施形態（s）：当該LEDは、マイクロLEDである、実施形態（k）から（r）のLED。

実施形態（t）：当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する、実施形態（k）から（s）のLED。
実施形態（u）：赤外線LEDであって、
活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、640nmから740nmの範囲の重心WLを有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長部分をフィルタリングし、10nmから100nmだけ重心WLを高めるフィルタと、
を有する、赤外線LED。
実施形態（v）：前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、実施形態（u）のLED。
実施形態（w）：さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、
前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、実施形態（u）から（v）のLED。
実施形態（x）：さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、
前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、実施形態（u）から（w）のLED。
実施形態（y）：前記フィルタは、吸収性材料を有する、実施形態（u）から（x）のLED。
実施形態（z）：前記フィルタは、II-VI半導体を有する、実施形態（u）から（y）のLED。
実施形態（aa）：前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、実施形態（u）から（z）のLED。
実施形態（bb）：前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、実施形態（u）から（aa）のLED。
実施形態（cc）：当該LEDは、マイクロLEDである、実施形態（u）から（bb）のLED。
実施形態（dd）：当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する、実施形態（u）から（cc）のLED。
実施形態（ee）：緑色LEDであって、
活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、535nm未満の主要波長および90%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長側をフィルタリングし、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和を高めるフィルタと、
を有する、緑色LED。
実施形態（ff）：前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、実施形態（ee）のLED。
実施形態（gg）：さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、
前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、実施形態（ee）から（ff）のLED。
実施形態（hh）：さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、
前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、
、実施形態（ee）から（gg）のLED。
実施形態（ii）：前記フィルタは、吸収性材料を有する、実施形態（ee）から（hh）のLED。
実施形態（jj）：前記フィルタは、II-VI半導体を有する、実施形態（ee）から（ii）のLED。
実施形態（kk）：前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、実施形態（ee）から（jj）のLED。
実施形態（ll）：前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、実施形態（ee）から（kk）のLED。
実施形態（mm）：当該LEDは、マイクロLEDである、実施形態（ee）から（ll）のLED。
実施形態（nn）：前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（oo）：さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、
前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（pp）：さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、
前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（qq）：前記フィルタは、吸収性材料を有する、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（rr）：前記フィルタは、II-VI半導体を有する、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（ss）：前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（tt）：前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（uu）：当該LEDは、マイクロLEDである、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
実施形態（vv）：当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する、実施形態（a）、（k）、（u）、（ee）のLED。
本発明について詳細に説明したが、当業者には、本願に記載された本発明の概念の思想から逸脱することなく、本開示を考慮して、本発明に修正がなされ得ることが理解される。従って、本発明の範囲は、図示され説明された特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。

Claims (13)

  1. 赤色LEDであって、
    580nmから620nmの範囲のLDomを有する固有放射スペクトルを有する活性InGaN層を有する半導体LED層と、
    前記半導体LED層の上部に配置され、前記固有放射スペクトルの短波長側をフィルタリングし、5nmから20nmの間だけLDomを長波長側にシフトさせるフィルタと、
    を有する、赤色LED。
  2. 青色LEDであって、
    活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、470nmを超える主要波長および93%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
    前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの長波長側をフィルタリングし、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和を高めるフィルタと、
    を有する、青色LED。
  3. 緑色LEDであって、
    活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、535nm未満の主要波長および90%未満の色飽和を有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
    前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長側をフィルタリングし、少なくとも3パーセントポイントだけ色飽和を高めるフィルタと、
    を有する、緑色LED。
  4. 赤外線LEDであって、
    活性InGaN層を有する半導体LED層であって、前記活性InGaN層は、640nmから740nmの範囲の重心WLを有する固有スペクトルを放射する、半導体LED層と、
    前記半導体LED層の上部に配置され、前記放射される固有スペクトルの短波長部分をフィルタリングし、10nmから100nmだけ重心WLを高めるフィルタと、
    を有する、赤外線LED。
  5. 前記フィルタは、前記半導体層の上部に配置され、前記半導体LED層に対して、直接一体化され、接触して配置され、または中間透明層の上に配置される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  6. さらに、前記半導体LED層に取り付けられた透明導電層を有し、
    前記フィルタは、前記透明導電層に取り付けられる、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  7. さらに、第1の側で前記半導体LED層に取り付けられた透明サファイア層を有し、
    前記フィルタは、前記透明サファイア層に第2の側で取り付けられる、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  8. 前記フィルタは、吸収性材料を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  9. 前記フィルタは、II-VI半導体を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  10. 前記フィルタは、少なくとも1つの金属材料を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  11. 前記フィルタは、波長選択性ミラーを有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  12. 当該LEDは、マイクロLEDである、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のLED。
  13. 当該LEDは、RGBディスプレイの一部を形成する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のLED。
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