KR20110048581A - 높은 종횡비를 가지는 단색 광원 - Google Patents

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캐서린 에이 리더데일
마이클 에이 하세
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

발광 시스템이 개시되어 있다. 발광 시스템은 제1 파장의 광을 방출하는 LED를 포함한다. 방출된 제1 파장 광의 주요 부분은 최소 횡방향 치수 Wmin을 가지는 LED의 상부 표면으로부터 LED를 빠져나간다. 방출된 제1 파장 광의 나머지 부분은 최대 엣지 두께 Tmax 를 가지는 LED의 하나 이상의 측면(122, 124)으로부터 LED를 빠져나간다. 비 Wmin/Tmax는 적어도 30이다. 발광 시스템은 반도체 전위 우물을 포함하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 재방출 반도체 구조체는 상부 표면으로부터 LED를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다.

Description

높은 종횡비를 가지는 단색 광원{MONOCHROMATIC LIGHT SOURCE WITH HIGH ASPECT RATIO}
본 발명은 일반적으로 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명은 상세하게는 단색 반도체 발광 소자에 적용가능하다.
단색 발광 다이오드(LED)는 조명 등의 광학 응용에 점점 더 중요해지고 있다. 그러한 적용의 일 예는 액정 디스플레이(LCD) 컴퓨터 모니터 및 텔레비젼과 같은 디스플레이의 후면 조명이다. LED에 의해 보통 발생되지 않거나 효율적으로 발생되지 않는 컬러의 광이 필요한 응용에서, 파장 변환형 발광 다이오드(wavelength converted light emitting diode)가 점점 더 사용되고 있다. 일부 공지된 발광 소자는, 예를 들어, 청색광을 방출하는 LED 등의 광원 및 청색광을, 예를 들어, 적색광으로 변환하는 광 변환층을 포함한다. 그렇지만, 이러한 공지된 소자에서, 변환되지 않은 청색광의 일부가 누설되어 적색광과 혼합됨으로써 비단색 광(non-monochromatic light)이 얻어진다. 게다가, 이러한 공지된 발광 소자의 스펙트럼 특성은 방향의 함수로서 변한다.
일반적으로, 본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 일 실시 형태에서, 발광 시스템은 제1 파장의 광을 방출하는 LED를 포함한다. 방출된 제1 파장 광의 주요 부분은 최소 횡방향 치수 Wmin을 가지는 LED의 상부 표면으로부터 LED를 빠져나간다. 방출된 제1 파장 광의 나머지 부분은 최대 엣지 두께 Tmax를 가지는 LED의 하나 이상의 측면으로부터 LED를 빠져나간다. 비 Wmin/Tmax는 적어도 30이다. 발광 시스템은 반도체 전위 우물을 포함하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 재방출 반도체 구조체는 상부 표면으로부터 LED를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다. 어떤 경우에, 발광 시스템에 의해 제1 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표를 가지며, 발광 시스템에 의해 제2 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표와 실질적으로 동일한 제2 일련의 색 좌표를 가진다. 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 20도 이상이다. 어떤 경우에, 제1 일련의 색 좌표는 u1' 및 v1'이고, 제2 일련의 색 좌표는 u2' 및 v2'이며, 여기서 u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.01 이하이다. 어떤 경우에, 상부 표면은 길이가 L이고 폭이 W인 직사각형이며, 여기서 폭은 상부 표면의 최소 횡방향 치수이다. 어떤 경우에, 재방출 반도체 구조체는 수광된 광의 적어도 20%를 제2 파장의 광으로 변환한다.
다른 실시 형태에서, 발광 시스템은 제1 파장의 광을 방출하는 LED를 포함하고, 이 LED는 LED의 상부 표면으로부터의 광의 방출을 향상시키고 LED의 하나 이상의 측면으로부터의 광의 방출을 억제하는 패턴을 포함한다. 발광 시스템은, II-VI 전위 우물을 포함하고 LED를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하여 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다. 어떤 경우에, 패턴은 주기적이다. 어떤 경우에, 패턴은 비주기적(aperiodic)이다. 어떤 경우에, 패턴은 의사-주기적(quasi-periodic)이다. 어떤 경우에, LED는 하나 이상의 층을 포함하고, 패턴은 층들 중 일부에서 두께 패턴(thickness pattern)을 포함한다. 어떤 경우에, LED 내의 전위 우물은 이 패턴을 포함한다. 어떤 경우에, LED를 빠져나가 재방출 반도체 구조체에 의해 수광되는 제1 파장 광의 상당 부분은 LED의 상부 표면을 통해 LED를 빠져나간다. 어떤 경우에, 발광 시스템에 의해 제1 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표를 가지며, 발광 시스템에 의해 제2 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표와 실질적으로 동일한 제2 일련의 색 좌표를 가진다. 이러한 경우에, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 20도 이상이다. 어떤 경우에, 제1 일련의 색 좌표는 u1' 및 v1'이고, 제2 일련의 색 좌표는 u2' 및 v2'이며, 여기서 u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.01 이하이다.
다른 실시 형태에서, 발광 시스템은 제1 파장의 광을 방출하는 전계발광 소자를 포함하고, 이 전계발광 소자는 전계발광 소자의 상부 표면으로부터의 광의 방출을 향상시키고 전계발광 소자의 하나 이상의 측면으로부터의 광의 방출을 억제하는 형상을 가진다. 발광 시스템은, II-VI 전위 우물을 포함하고 상부 표면으로부터 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하여 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다. 어떤 경우에, 전계발광 소자의 형상은 전계발광 소자 내에서 전계발광 소자의 측면 쪽으로 전파하는 제1 파장 광의 상당 부분이 상부 표면 쪽으로 방향 전환되도록 되어 있다. 어떤 경우에, 전계발광 소자는 제1 측면 및 제1 측면에 평행하지 않은 제2 측면을 가진다. 어떤 경우에, 전계발광 소자는 상부 표면에 수직인 평면에서 실질적으로 사다리꼴인 단면을 가진다. 어떤 경우에, II-VI 전위 우물은 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 발광 시스템은 전계발광 소자의 상부 표면으로부터 제1 파장의 광을 방출하는 전계발광 소자를 포함한다. 발광 시스템은 그렇지 않았으면 측면을 빠져나가게 될 제1 파장의 광을 차단하는, 전계발광 소자의 측면에 근접한 구조체를 추가로 포함한다. 발광 시스템은, II-VI 전위 우물을 포함하고 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하여 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다. 어떤 경우에, 제1 파장의 광을 차단하는, 전계발광 소자의 측면에 근접한 구조체는, 주로 광을 흡수함으로써, 광을 차단한다. 어떤 경우에, 제1 파장의 광을 차단하는, 전계발광 소자의 측면에 근접한 구조체는, 주로 광을 반사함으로써, 광을 차단한다. 어떤 경우에, 전계발광 소자의 측면에 근접한 구조체가, 전자기 스펙트럼의 가시 영역에서, 제1 파장의 광은 차단하지만 다른 파장은 차단하지 않는다. 어떤 경우에, 이 구조체는 전기 절연성이고, 전계발광 소자의 적어도 하나의 전극에 직접 접촉한다. 어떤 경우에, 이 구조체는 또한 그렇지 않았으면 재방출 반도체 구조체의 측면을 빠져나가게 될 제1 또는 제2 파장의 광을 차단한다. 어떤 경우에, 전계발광 소자를 빠져나가 재방출 반도체 구조체에 의해 수광되는 제1 파장 광의 상당 부분은 전계발광 소자의 상부 표면을 통해 전계발광 소자를 빠져나간다. 어떤 경우에, 발광 시스템은 또한 이 구조체와 이 구조체에 근접한 측면 사이에 중간 영역을 포함한다.
다른 실시 형태에서, 발광 시스템은 제1 파장 λ1의 광을 반사하는 광 반사체를 포함한다. 발광 시스템은 광 반사체 상에 배치되어 제1 파장의 광을 방출하는 전계발광 소자를 추가로 포함한다. 전계발광 소자는 제1 파장의 광자를 발생하는 활성 영역을 가진다. 활성 영역과 광 반사체 사이의 거리는 전계발광 소자의 상부 표면으로부터의 광의 방출이 향상되고 전계발광 소자의 하나 이상의 측면으로부터의 광의 방출이 억제되도록 되어 있다. 발광 시스템은, II-VI 전위 우물을 포함하고 상부 표면으로부터 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하여 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 추가로 포함한다. 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배이다. 어떤 경우에, 광 반사체는 금속을 포함한다. 어떤 경우에, 광 반사체는 Bragg 반사체를 포함한다. 어떤 경우에, 광 반사체는 LED에 걸쳐 전류를 측방향으로 확산시킬 수 있다. 어떤 경우에, 활성 영역과 광 반사체 사이의 거리는 약 0.6λ1 내지 약 1.4λ1의 범위에 있다. 어떤 경우에, 이 거리는 약 0.6λ1 내지 약 0.8λ1의 범위에 있다. 어떤 경우에, 이 거리는 약 1.2λ1 내지 약 1.4λ1의 범위에 있다. 어떤 경우에, 발광 시스템에 의해 제1 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표를 가지며, 발광 시스템에 의해 제2 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표와 실질적으로 동일한 제2 일련의 색 좌표를 가진다. 이러한 경우에, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 20도 이상이다. 어떤 경우에, 제1 일련의 색 좌표는 u1' 및 v1'이고, 제2 일련의 색 좌표는 u2' 및 v2'이며, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.01 이하이다.
첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시 형태들의 이하의 상세한 설명을 고려하면 본 발명이 보다 완전히 이해되고 인식될 수 있다.
도 1은 발광 시스템의 개략 측면도.
도 2는 상이한 예시적인 방향을 따라 광을 방출하는 발광 시스템의 개략 측면도.
도 3은 재방출 구조체의 개략 측면도.
도 4는 다른 발광 시스템의 개략 측면도.
도 5는 상이한 위치에 패턴을 가지는 발광 다이오드(LED)의 개략 측면도.
도 6a 및 도 6b는 각각 직사각형 패턴 및 삼각형 패턴의 개략 상면도.
도 7은 다른 발광 시스템의 개략 측면도.
도 8은 다른 발광 시스템의 개략 측면도.
도 9는 다른 발광 시스템의 개략 측면도.
도 10은 광 차단 구조체와 발광 시스템의 측면 사이에 중간 영역을 가지는 발광 시스템의 개략 상면도.
도 11은 파장의 함수인 발광 시스템의 출력 스펙트럼의 그래프.
도 12는 전파 방향의 함수인 발광 시스템의 퍼센트 출력광(percent output light)의 그래프.
도 13은 다른 발광 시스템의 개략 측면도.
다수의 도면에서 사용된 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 특성 및 기능을 갖는 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.
본 출원은 반도체 광원 및 하나 이상의 파장 변환기를 포함하는 반도체 발광 소자를 개시하고 있으며, 여기서 변환기는 반도체 파장 변환기일 수 있다. 상세하게는, 개시된 소자는 단색이며, 이는 방출된 광의 스펙트럼 분포가 방출 파장에 대응하는 단일 피크 및 작은 FWHM(full spectral width at half maximum)를 가진다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, FWHM은 약 50 ㎚ 미만이거나, 약 10 ㎚ 미만이거나, 약 5 ㎚ 미만이거나, 1 ㎚ 미만일 수 있다. 어떤 경우에, 반도체 광원의 파장 λ1은 약 350 ㎚ 내지 약 650 ㎚, 또는 약 350 ㎚ 내지 약 600 ㎚, 또는 약 350 ㎚ 내지 약 550 ㎚, 또는 약 350 ㎚ 내지 약 500㎚, 또는 약 350 ㎚ 내지 약 450㎚의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 파장 λ1은 약 365 ㎚ 또는 약 405 ㎚일 수 있다.
일부 개시된 소자는 상이한 방향으로 방출된 광에 대해 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가진다. 예를 들어, 방출된 광의 색 좌표는 상이한 방향을 따라 소자를 빠져나가는 광에 대해 실질적으로 동일할 수 있다. 개시된 단색 소자 중 일부는 발광 다이오드(LED) 및 광 변환기(인광체 또는 반도체 광 변환 전위 우물 또는 양자 우물 등)를 이용한다. 개시된 소자는 방출 방향의 함수인 향상된 스펙트럼 안정성을 나타낼 수 있다.
일부 개시된 소자는 동일한 반도체 족(III-V 반도체 족 등)으로 된 광원 및 광 변환층을 가진다. 그러한 경우에, 예를 들어 III-V LED와 같은 III-V 광원 바로 위에 III-V 파장 변환기를 모놀리식으로 성장시켜 제조하는 것이 실시가능할 수 있다. 그렇지만, 어떤 경우에, 원하는 파장의 광을 방출할 수 있고 높은 변환 효율 및/또는 기타 바람직한 특성들을 갖는 파장 변환기가, LED가 속하는 반도체 족과 다른 반도체 족으로 되어 있을 수 있다. 그러한 경우에, 하나의 성분을 다른 성분 위에 고품질로 성장시키는 것이 가능하지 않거나 실시가능하지 않을 수 있다. 예를 들어, 고효율의 안정한 파장 변환기가 II-VI 족으로 되어 있을 수 있고, LED와 같은 광원이 III-V 족으로 되어 있을 수 있다. 그러한 경우에, 광 변환기를 광원에 부착시키는 다양한 방법이 채용될 수 있다. 일부 이러한 방법이 2007년 12월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 제61/012608호에 기술되어 있으며, 이 미국 출원은 참조 문헌으로서 본 명세서에 그 전체 내용이 포함된다.
일부 응용에서, 녹색 파장 등의 원하는 단일 파장의 광을 방출하는 광원을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 그렇지만, 이러한 응용에서, 작고 효율적인 광원이 이용가능하지 않을지도 모른다. 이러한 응용에서, 본 출원에 개시된 소자는, 원하는 파장과 다른(예를 들어, 그보다 작은) 단일 파장의 광을 방출하는 단색 III-V LED 및 방출된 광을 원하는 단일 파장으로 변환[예를 들어, 하향 변환(down convert)]하는 효율적인 II-VI 전위 우물을 포함할 수 있는 경우에, 유익하게 사용될 수 있다. 개선된 단색성에 부가하여, 본 출원에 개시된 소자는 높은 변환 효율, 낮은 제조 비용 및/또는 작은 크기 등의 다른 잠재적인 이점을 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 하향 변환이란 변환된 광의 광자 에너지가 미변환된 광, 또는 입사광의 광자 에너지보다 작다는 것을 의미한다. 즉, 변환된 광의 파장이 입사광의 파장보다 크다.
일부 경우에, 개시된 발광 소자는 픽셀-크기 광원들의 어레이를 형성함으로써 픽셀화된(pixelated) 디스플레이를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 디스플레이된 이미지는 방출 또는 관찰 방향의 함수로서 변하지 않거나 또는 거의 변하지 않는 스펙트럼 특성을 가질 수 있다.
일부 경우에, 본 출원에 개시된 발광 소자들의 어레이는, 예를 들어 프로젝션 시스템 또는 기타 광학 시스템에서 사용하기 위한 적응형 조명 시스템과 같은 조명 시스템에서 사용될 수 있다.
도 1은 기재(105), 기재 상에 배치된 하부 전극(110), 제1 파장 λ1의 광을 방출하고 하부 전극과 전기적 접촉을 하는 LED(120), LED에 의해 방출된 λ1의 광의 적어도 일부분을 더 긴 파장 λ2의 광으로 변환하는, LED 상에 배치된 재방출 구조체(140), 재방출 구조체를 LED에 부착시키는 선택적인 접합층(130), LED와 전기적 접촉을 하고 있는 상부 전극(112), 및 각자의 전기 리드(116, 114)에 의해 전극(110, 112)에 연결된 LED에 전원을 공급하는 전원 공급 장치(180)를 포함하는 개략적인 발광 시스템(100)이다.
LED(120)는 제1 피크 파장 λ1의 광(160)을 방출하고 작은 FWHM을 가지는, 실질적으로 단색 LED이다. 예를 들어, FWHM은 약 50 ㎚ 미만이거나, 약 30 ㎚ 미만이거나, 약 15 ㎚ 미만이거나, 약 10 ㎚ 미만이거나, 약 5 ㎚ 미만이거나, 약 1 ㎚ 미만일 수 있다.
LED(120)는 응용에서 바람직할 수 있는 및/또는 이용가능할 수 있는 임의의 형상을 가질 수 있는 활성 상부 또는 방출 표면(128)을 가지며, 여기서 활성 상부 표면이란 상부 표면을 통해 LED에 의해 방출되는 광이 실질적으로 상부 표면 전체에 걸쳐 있다는 것을 의미한다. 상부 표면(128)은 최소 횡방향 치수 Wmin을 가진다. 예를 들어, 방출 표면(128)은 정사각형일 수 있고, 이 경우, 최소 횡방향 치수 Wmin은 정사각형의 폭과 같다. 다른 일례로서, 상부 표면은 길이 L 및 L보다 작은 폭 W를 가지는 직사각형일 수 있고, 이 경우에, 상부 표면의 최소 횡방향 치수 Wmin은 W이다. 이러한 경우에, 폭 W는 약 50 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 또는 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 어떤 경우에, W는 약 250 ㎛, 또는 약 300 ㎛, 또는 약 350 ㎛, 또는 약 4000 ㎛, 또는 약 4500 ㎛일 수 있다. 이러한 경우에, 폭 W는 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛, 또는 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛의 범위에 있을 수 있다.
길이 L은 약 500 ㎛ 내지 약 3000 ㎛, 또는 약 700 ㎛ 내지 약 2500 ㎛, 또는 약 900 ㎛ 내지 약 2000 ㎛, 또는 약 1000 ㎛ 내지 약 2000 ㎛의 범위에 있을 수 있다. 어떤 경우에, L은 약 1100 ㎛, 또는 약 1200 ㎛, 또는 약 1500 ㎛, 또는 약 1700 ㎛, 또는 약 1900 ㎛일 수 있다. 또 다른 일례로서, 상부 표면은 직경 D를 가지는 원형일 수 있고, 이 경우에, 상부 표면의 최소 횡방향 치수 Wmin은 D이다.
어떤 경우에, LED(120)의 활성 상부 또는 방출 표면(128)은 새로운 활성 상부 표면을 한정하도록 수정될 수 있다. 예를 들어, LED의 활성 상부 표면은, 예를 들어, 새로운 활성 상부 표면을 한정하기 위해 불투명 코팅을 사용하여 선택적으로 패턴화될 수 있다. 일반적으로, 활성 상부 표면은 방출된 광선이 재방출 구조체(140) 쪽으로 LED를 빠져나가는 LED의 주요 방출 또는 출구 영역이다. 이러한 경우에, 방출된 광선은 실질적으로 상부 표면 전체로부터 LED를 빠져나간다.
일반적으로, LED에 의해 방출된 광은 상이한 방향을 따라 전파할 수 있다. 어떤 경우에, 상이한 방출된 광선은 상이한 방향을 따라 전파할 수 있다. 어떤 경우에, 처음에 주어진 방향을 따라 전파하는 방출된 광선이, 예를 들어, LED의, 예를 들어, 내부 표면에 의한 반사 또는 그로부터의 산란으로 인해, 방향을 변경할 수 있다. 어떤 경우에, 광선(160A, 160B, 160C) 등의 일부 광선이 상향 방향으로 전파하여, 재방출 구조체(140) 쪽으로 상부 표면(128)을 빠져나갈 수 있다. 일부 다른 광선은 상이한 방향으로 전파하여, 상부 표면(128) 이외의 영역으로부터 LED를 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 광선(160D)은 LED의 제1 측면(122)으로부터 LED를 빠져나가고, 광선(160E)은 LED의 제2 측면(124)으로부터 LED를 빠져나간다. 어떤 경우에, 이러한 광선은 재방출 구조체(140)에 들어가지 않으며, 따라서 파장 λ2의 광으로 변환될 수 없다. 그렇지만, 이러한 광선은 궁극적으로 출력 광빔의 일부로서 발광 시스템(100)을 빠져나갈 수 있고, 이 경우에 출력 빔은 파장 λ1 및 λ2 둘다의 광을 가질 수 있다. 어떤 경우에, 발광 시스템(100)에 의해 누설되는 λ1의 임의의 광은 전부가 아닌 특정 방향을 따라 전파한다. 이러한 경우에, 이 시스템의 출력광은 상이한 방향을 따라 상이한 스펙트럼 특성(상이한 컬러 등)을 가질 수 있다.
어떤 경우에, 방출된 제1 파장 광의 주요 부분은 λ1의 광(160)으로서 활성 상부 표면(128)으로부터 LED(120)를 빠져나가 재방출 구조체(140) 쪽으로 간다. 이러한 경우에, LED를 빠져나가는 파장 λ1의 광의 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%가 상부 표면을 통해 재방출 구조체(140) 쪽으로 간다. 방출된 제1 파장 광의 나머지 부분, 즉 상부 표면(128)을 통해 LED를 빠져나가지 않는 광은, 예를 들어, LED의 하나 이상의 측면[LED의 측면(122, 124) 등]으로부터 LED를 빠져나간다.
예를 들어, LED의 측면(122)을 비롯한 측면은 제1 파장 λ1의 광이 LED를 빠져나갈 수 있는, 최대 높이 Tmax를 가지는 최대 출구 또는 투명 개구를 한정한다. 일반적으로, Tmax는 λ1에서 적어도 실질적으로 광학적으로 투명한 LED 내의 다양한 층들의 두께의 합에 대응한다. 어떤 경우에, Tmax는 LED 내의 모든 반도체층의 두께의 합에 대응한다. 어떤 경우에, Tmax는 λ1에서 투명하지 않은 엣지 부분을 제외한 LED의 최대 엣지 두께에 대응한다. 어떤 경우에, Tmax는 약 1 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 또는 약 2 ㎛ 내지 약 500 ㎛, 또는 약 3 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 범위에 있다. 어떤 경우에, Tmax는 약 4 ㎛, 또는 약 10 ㎛, 또는 약 20 ㎛, 또는 약 50 ㎛, 또는 약 100 ㎛, 또는 약 200 ㎛, 또는 약 300㎛이다. 어떤 경우에, LED를 빠져나가는 λ1의 광의 주요 부분이 상부 표면(128)을 통해 빠져나가고 보다 적은 나머지 부분이 LED의 다른 영역(측면 등)을 통해 빠져나가도록 비 Wmin/Tmax는 충분히 크다. 예를 들어, 이러한 경우에, 비 Wmin/Tmax는 적어도 약 30, 또는 적어도 약 40, 또는 적어도 약 50, 또는 적어도 약 70, 또는 적어도 약 100, 또는 적어도 약 200, 또는 적어도 약 500이다.
재방출 구조체(140)는 LED의 상부 표면(128)으로부터 LED(120)를 빠져나가는 제1 파장(λ1) 광을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을, FWHM이 약 50 ㎚ 미만, 또는 약 30 ㎚ 미만, 또는 약 15 ㎚ 미만, 또는 약 10 ㎚ 미만, 또는 약 5 ㎚ 미만, 또는 약 1 ㎚ 미만인, 제2 피크 파장 λ2을 가지는 실질적으로 단색인 광(170)으로 하향 변환한다. 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 재방출 구조체는 파장 λ1을 가지는 광선(160A)의 적어도 일부분을 파장 λ2를 가지는 광선(170A)으로, 파장 λ1을 가지는 광선(160B)의 적어도 일부분을 파장 λ2를 가지는 광선(170B)으로, 그리고 파장 λ1을 가지는 광선(160C)의 적어도 일부분을 파장 λ2를 가지는 광선(170C)으로 변환하지만, 일반적으로, 변환된 광선은 대응하는 입사 광선의 방향과 다른 방향을 따라 전파할 수 있다. 예를 들어, 입사 광선(160A)은 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이 y-축을 따라 전파할 수 있고, 변환된 광선(170A)은, 예를 들어, x-축을 따라 또는 x-축 및 y-축 사이의 어딘가에 있는 방향을 따라 전파할 수 있다.
어떤 경우에, 광선[광선(160B) 등]의 일부분이 재방출 구조체에 의해 변환되지 않을 수도 있다. 이러한 경우에, 변환되지 않은 λ1의 광의 적어도 일부분이 재방출 구조체(140)에 의해 재방출 구조체의 활성 상부 또는 방출 표면(148)을 통해 광(160B')으로서 투과될 수 있다. 어떤 경우에, 재방출 구조체(140)는 LED(120)로부터 수광하는 제1 파장의 적어도 20%, 또는 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%를 제2 파장의 광으로 변환한다.
예시적인 발광 시스템(100)에서, 광(170)은 재방출 구조체의 활성 상부 표면으로부터 발광 시스템을 빠져나가지만, 어떤 경우에, 변환된 광의 일부가 상부 표면(148) 이외의 위치로부터 발광 시스템을 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 일부 변환된 광선(도 1에 명확하게 도시되지 않음)은 재방출 구조체의 하나 이상의 측면으로부터 발광 시스템을 빠져나갈 수 있다. 다른 일례로서, 일부 변환된 광선은, 예를 들어, 발광 시스템의 내부 표면에서 한번 이상의 반사를 겪은 후에, LED(120)의 측면(122, 124)을 통해 발광 시스템을 빠져나갈 수 있다.
일반적으로, 재방출 구조체(140)는 광(160)의 적어도 일부분을 광(170)으로 변환할 수 있는 임의의 구조체 또는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 재방출 구조체(140)는 형광체, 형광 염료, 폴리플루오렌과 같은 공액 발광 유기 물질(conjugated light emitting organic material), 또는 축광 반도체층(photoluminescent semiconductor layer)을 포함할 수 있다. 재방출 구조체(140)에서 사용될 수 있는 예시적인 인광체는 스트론튬 티오갈레이트, 도핑된 GaN, 구리-활성 황화아연, 및 은-활성 황화아연을 포함한다. 다른 유용한 인광체는 도핑된 YAG, 실리케이트, 옥시질화규소(silicon oxynitride), 질화규소, 및 알루미네이트 기반 인광체를 포함한다. 이러한 인광체의 예는 Ce:YAG, SrSiON:Eu, SrBaSiO:Eu, SrSiN:Eu, 및 BaSrSiN:Eu를 포함한다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(140)는 Ce:YAG 슬라브와 같은 슬라브 인광체를 포함할 수 있다. Ce:YAG 슬래브는, 예를 들어 미국 특허 제7,361,938호에 기술된 바와 같이, 예컨대 상승된 온도 및 압력에서 Ce:YAG 인광체 입자를 소결하여 실질적으로 광학적으로 투명하고 산란이 없는 슬래브를 형성함으로써 제조될 수 있다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(140)는 전위 우물, 양자 우물, 양자 와이어, 양자점을 포함하거나, 이들 각각을 다수개 또는 복수개 포함할 수 있다. 무기 전위 및 양자 우물, 예컨대 무기 반도체 전위 및 양자 우물은 전형적으로, 예를 들어 유기 재료와 비교하여 증가된 광 변환 효율을 가지며, 수분과 같은 환경 요소에 덜 민감하여 신뢰성이 보다 높다. 게다가, 무기 전위 및 양자 우물은 보다 좁은 출력 스펙트럼을 가지는 경향이 있으며, 그 결과, 예를 들어, 향상된 색역(color gamut)이 얻어진다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전위 우물은 하나의 차원에서만 캐리어를 구속하도록 설계된 다층 반도체 구조물 내의 반도체층(들)을 의미하는데, 여기서 반도체층(들)은 주변의 층들보다 더 낮은 전도대 에너지 및/또는 주변의 층들보다 더 높은 가전자대(valence band) 에너지를 갖는다. 양자 우물은 일반적으로 양자화 효과(quantization effect)가 우물에서의 전자-정공쌍 재결합을 위한 에너지를 증가시킬 정도로 충분히 얇은 전위 우물을 의미한다. 양자 우물은 전형적으로 약 100 ㎚ 이하 또는 약 10 ㎚ 이하의 두께를 갖는다. 양자 와이어는 2개의 직교 방향을 따라 캐리어 구속(carrier confinement)을 제공하고, 전형적으로 각각의 캐리어 구속 방향을 따라 약 100 ㎚ 이하, 또는 약 10 ㎚ 이하의 두께를 가진다. 양자점은 3개의 상호 직교인 방향을 따라 캐리어 구속을 제공하며, 전형적으로 약 100 ㎚ 이하, 또는 약 10 ㎚ 이하의 최대 치수를 가진다.
어떤 경우에, LED(120)는 하나 이상의 피크를 가지는 방출 스펙트럼을 가지며, 파장 λ1은 피크 방출들 중 하나의 파장이다. 어떤 경우에, LED(120)는 본질적으로 단일 파장 λ1의 광을 방출하며, 이는 방출된 스펙트럼이 λ1에서 좁은 피크를 가지고 작은 FWHM를 가진다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, FWHM은 약 50 ㎚ 미만이거나, 약 10 ㎚ 미만이거나, 약 5 ㎚ 미만이거나, 1 ㎚ 미만일 수 있다. 어떤 경우에, LED 광원은 III-V LED 광원일 수 있다. 어떤 경우에, LED 광원은 III-V 레이저 다이오드 광원 등의 레이저 다이오드 광원으로 대체될 수 있다. 어떤 경우에, 펌프 파장 λ1은 약 350 ㎚ 내지 약 500 ㎚이다. 예를 들어, 이러한 경우에, λ1은 약 405 ㎚일 수 있다.
어떤 경우에, 발광 시스템(100)을 빠져나가는 광은 실질적으로 단색이며, 이는 출사광(exiting light)이 실질적으로 제2 파장 λ2의 광이고, 제1 파장 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(100)을 빠져나가는 제2 파장 λ2의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장 λ1의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도의 적어도 4배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배, 또는 적어도 50배이다. 발광 시스템(100)의 적분된 발광 강도는 모든 방출 각도 및 방향(어떤 경우에, 4π 제곱 라디안, 또는 4π 스테라디안일 수 있음)에 걸쳐 하나 이상의 파장에서의 시스템의 출력 세기를 적분함으로써 구해질 수 있다.
어떤 경우에, 상이한 방향을 따라 발광 시스템(100)을 빠져나가는 광은 상이한 스펙트럼 특성(컬러 등)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 방향을 따라 전파하는 광은 상이한 제1 파장 광과 제2 파장 광의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2는 실질적으로 제1 방향(210)(y-축)을 따라 광(220)을 방출하고 실질적으로 다른 제2 방향(240)을 따라 광(230)을 방출하는 발광 시스템(100)을 개략적으로 나타낸 것이다. 어떤 경우에, 광(220, 230)은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광(220)은 광(230)보다 큰 제2 파장 함유량을 가질 수 있다. 비 Wmin/Tmax가 충분히 클 때와 같은 어떤 경우에, 광(220, 230)은 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에, 광(220)은 색 좌표 x1 및 y1을 가지는 제1 컬러 C1을 가질 수 있고, 광(230)은 색 좌표 x2 및 y2를 가지는 제2 컬러 C2를 가질 수 있으며, 여기서 컬러 C1 및 C2는 실질적으로 동일하다. 이러한 경우에, x1과 x2의 차 및 y1과 y2의 차 각각의 절대값이 약 0.01 이하, 또는 약 0.005 이하, 또는 약 0.002 이하, 또는 약 0.001 이하, 또는 약 0.0005 이하이다.
어떤 경우에, 제1 방향(210)과 제2 방향(240) 사이의 각도 θ는 약 10도 이상, 또는 약 15도 이상, 또는 약 20도 이상, 또는 약 25도 이상, 또는 약 30도 이상, 또는 약 35도 이상, 또는 약 40도 이상, 또는 약 45도 이상, 또는 약 50도 이상, 또는 약 55도 이상, 또는 약 60도 이상, 또는 약 65도 이상, 또는 약 70도 이상이다.
일반적으로, LED(120)는 원하는 파장의 광을 방출할 수 있는 임의의 LED일 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에, LED(120)는 UV광, 자색광 또는 청색광을 방출하는 LED일 수 있다. 어떤 경우에, LED(120)는 하나 이상의 p-형 및/또는 n-형 반도체층, 하나 이상의 전위 및/또는 양자 우물을 포함할 수 있는 하나 이상의 활성층, 완충제층, 기재층, 및 수퍼스트레이트층(superstrate layer)을 포함할 수 있다.
어떤 경우에, LED(120)는 III-V 반도체 LED일 수 있고 AlGaInN 반도체 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, LED(120)는 GaN계 LED일 수 있다. 어떤 경우에, LED(120)의 색상 스펙트럼 등의 방출 스펙트럼은 실질적으로 전원 공급 장치(180)에 의해 LED에 인가되는 입력 여기 신호의 크기 또는 진폭에 독립적일 수 있다. 예를 들어, LED(120)가 GaN계 LED인 때와 같은 어떤 경우에, 전원 공급 장치(180)의 출력 또는 여기 신호가 여기 신호의 최대 정격의 약 50%에서 약 100%로 변할 때, 파장 λ1에서 LED(120)에 의해 방출되는 광(160)의 색 좌표 x1 및 y1 각각은 약 1% 이하, 또는 약 0.5% 이하, 또는 약 0.1% 이하만큼 변한다.
LED(120)가 GaN계 LED이고 재방출 구조체(140)가 하나 이상의 II-VI 전위 우물을 포함하는 때와 같은 어떤 경우에, 전원 공급 장치(180)의 출력 또는 여기 신호가 여기 신호의 최대 정격의 약 50%에서 약 100%로 변할 때, 파장 λ2에서 광(170)의 색 좌표 x2 및 y2 각각은 약 1% 이하, 또는 약 0.5% 이하, 또는 약 0.1% 이하만큼 변한다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(140)는, 제1 파장 광의 적어도 일부분을 흡수하고 흡수된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 광으로서 재방출함으로써, 제1 파장 λ1의 입사광(160)의 적어도 일부분을 파장 λ2의 출력광(170)으로 변환하고, 여기서 제2 파장 λ2는 제1 파장 λ1보다 크다. 예를 들어, 어떤 경우에, 제1 파장 λ1은 UV, 자색 또는 청색이고, 제2 파장 λ2는 청색, 녹색, 황색, 호박색 또는 적색이다.
도 3은 140과 유사한 재방출 구조체(340)에 포함될 수 있는 다양한 예시적인 층의 개략도이다. 상세하게는, 재방출 구조체(340)는 각자의 제1 및 제2 윈도우(320, 360), 각자의 제1 및 제2 광 흡수층(330, 350), 그리고 전위 우물(370)을 포함한다.
어떤 경우에, 전위 우물(370)은 LED(120)에 의해 방출된 광자의 에너지 E1보다 작은 전이 에너지 Epw를 가지는 II-VI 반도체 전위 우물이다. 일반적으로, 전위 우물(370)의 전이 에너지는 전위 또는 양자 우물에 의해 재방출되는 광자의 에너지 E2와 실질적으로 같다.
몇몇 경우에, 전위 우물(370)은 합금의 3가지 구성성분으로서 화합물 ZnSe, CdSe, 및 MgSe를 갖는 CdMgZnSe 합금을 포함할 수 있다. 일부 경우에, Cd, Mg, 및 Zn 중 하나 이상, 특히 Mg가 합금에 없을 수 있다. 예를 들어, 전위 우물(370)은 적색으로 재방출할 수 있는 Cd0.70Zn0.30Se 양자 우물, 또는 녹색으로 재방출할 수 있는 Cd0.33Zn0.67Se 양자 우물을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 전위 우물(370)은 Cd, Zn, Se, 및 선택적으로 Mg의 합금을 포함할 수 있고, Mg의 경우에 합금 시스템은 Cd(Mg)ZnSe로 나타낼 수 있다. 또 다른 예로서, 전위 우물(370)은 Cd, Mg, Se, 및 선택적으로 Zn의 합금을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전위 우물은 ZnSeTe를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 양자 우물(370)은 약 1 ㎚ 내지 약 100 ㎚, 또는 약 2 ㎚ 내지 약 35 ㎚ 범위의 두께를 갖는다.
일반적으로, 전위 우물(370)은 임의의 전도대 및/또는 가전자대 프로파일을 가질 수 있다. 예시적인 프로파일이, 예를 들어, 미국 특허 출원 제60/893804호에 기술되어 있으며, 이 미국 출원은 참조 문헌으로서 본 명세서에 그 전체 내용이 포함된다.
몇몇 경우에, 전위 우물(370)은 n-도핑 또는 p-도핑될 수 있으며, 여기서 도핑은 임의의 적합한 방법에 의해 그리고 임의의 적합한 도펀트의 포함에 의해 달성될 수 있다. 어떤 경우에, LED(120) 및 재방출 구조체(340)는 2개의 상이한 반도체 족으로 되어 있을 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우에, LED(120)는 III-V 반도체 소자일 수 있고, 재방출 구조체(340)는 II-VI 전위 우물일 수 있다. 어떤 경우에, LED(120)는 AlGaInN 반도체 합금을 포함할 수 있고, 재방출 구조체(340)는 Cd(Mg)ZnSe 반도체 합금을 포함할 수 있으며, 여기서 괄호 안에 포함된 물질은 선택적인 물질이다.
예시적인 재방출 구조체(340)는 하나의 전위 우물을 포함한다. 어떤 경우에, 재방출 구조체(340)는 다수의 전위 우물을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우에, 재방출 구조체(340)는 적어도 2개의 전위 우물, 또는 적어도 5개의 전위 우물, 또는 적어도 10개의 전위 우물을 가질 수 있다. 어떤 경우에, 재방출 구조체(340)는 적어도 2개의 전위 우물, 또는 적어도 3개의 전위 우물, 또는 적어도 4개의 전위 우물을 가질 수 있으며, 전위 우물들 중 적어도 일부는 서로 다른 전이 에너지를 가진다.
몇몇 경우에, 전위 우물(370)은 실질적으로 제1 파장 λ1의 광을 흡수한다. 예를 들어, 이러한 경우에, 전위 우물(370)은 전위 우물에 들어오는 제1 파장 λ1의 광의 적어도 30%, 또는 적어도 40%, 또는 적어도 50%를 흡수한다. 몇몇 경우에, 전위 우물(370)은 실질적으로 제1 파장 λ1에서 광학적으로 투과성이다. 예를 들어, 이러한 경우에, 전위 우물(370)은 전위 우물에 들어오는 제1 파장 λ1의 광의 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%를 투과한다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(340)는 II-VI 화합물의 적어도 하나의 층을 포함한다. 예를 들어, 이러한 경우에, 재방출 구조체(340)는 LED(120)에 의해 방출되는 UV광, 자색광 또는 청색광 등의 광의 적어도 일부분을 녹색 또는 적색 등의 보다 긴 파장의 광으로 변환할 수 있는 하나 이상의 II-VI 전위 우물을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 광 흡수층(330, 350)은 LED(120)에 의해 방출되는 광을 흡수하는 데 도움을 주기 위해 전위 우물(370)에 근접해 있다. 어떤 경우에, 흡수층은 하나 이상의 물질 내의 광-발생 캐리어(photogenerated carrier)가 효율적으로 전위 우물로 확산될 수 있도록 하나 이상의 물질을 포함한다. 일부 경우에, 광 흡수층은 반도체, 예를 들어 II-VI 반도체와 같은 무기 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 흡수층(330, 350)들 중 적어도 하나는 Cd(Mg)ZnSe 반도체 합금을 포함할 수 있다.
어떤 경우에, 광 흡수층은 LED(120)에 의해 방출된 광자의 에너지보다 작은 밴드 갭 에너지(band gap energy)를 갖는다. 이러한 경우에, 광 흡수층은 광원에 의해 방출된 광을 강하게 흡수할 수 있다. 예를 들어, 이러한 경우에, 재방출 구조체(340) 내의 광 흡수층은 LED(120)로부터 재방출 구조체(340)에 들어가는 제1 파장 λ1의 입사광의 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 흡수할 수 있다. 어떤 경우에, 광 흡수층은 전위 우물(370)의 전이 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 가진다. 이러한 경우에, 광 흡수층은 전위 우물에 의해 재방출되는 광에 대해 실질적으로 광 투과성(optically transparent)이다. 예를 들어, 이러한 경우에, 재방출 구조체(340) 내의 광 흡수층은 전위 우물(370)에 의해 방출되는 제2 파장 λ2의 광의 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%를 투과할 수 있다.
일부 경우에, 광 흡수층(330, 350)들 중 적어도 하나는 전위 우물(370)에 가깝게 인접할 수 있는데, 이는 흡수층과 전위 우물 사이에 하나 또는 수 개의 개재층이 배치될 수 있음을 의미한다. 일부 경우에, 광 흡수층(330, 350)들 중 적어도 하나는 전위 우물(370)에 바로 인접할 수 있는데, 이는 흡수층과 전위 우물 사이에 어떠한 개재층도 배치되지 않음을 의미한다.
예시적인 재방출 구조체(340)는 2개의 광 흡수층(330, 350)을 포함한다. 일반적으로, 광 변환층은 1개, 2개 또는 그 이상의 광 흡수층을 갖거나 전혀 갖지 않을 수 있다. 일반적으로, 광 흡수층 내의 광-발생 캐리어가 전위 우물로 확산할 적당한 가능성을 갖도록 광 흡수층이 전위 우물(370)에 충분히 가까이 있다. 재방출 구조체(340)가 불충분한 수의 광 흡수층을 포함하거나 광 흡수층을 전혀 포함하지 않는 때와 같은 어떤 경우에, 재방출 구조체 내의 전위 우물(들)은 제1 파장 λ1에서 실질적으로 광 흡수성일 수 있다.
제1 및 제2 윈도우(320, 360)는, 흡수층에 광-발생되는 전자-정공 쌍 등의 캐리어가 재방출 구조체(340)의 자유 또는 외부 표면[표면(322) 등]으로 확산하거나 다른 방식으로 이동할 가능성이 없거나 작도록, 주로 장벽을 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 제1 윈도우(320)는, 적어도 부분적으로, LED(120)에 의해 방출된 광을 흡수한 결과로서 제1 흡수층(330)에 발생된 캐리어가, 캐리어가 비방사적으로(non-radiatively) 재결합할 수 있는 표면(322)으로 확산하는 것을 방지하도록 설계되어 있다. 어떤 경우에, 윈도우(320, 360)는 LED(120)에 의해 방출된 광자의 에너지보다 큰 밴드 갭 에너지를 갖는다. 이러한 경우에, 윈도우(320, 360)는 LED(120)에 의해 방출된 광 및 전위 우물(370)에 의해 재방출된 광에 대해 실질적으로 광 투과성이다. 예를 들어, 이러한 경우에, 제1 파장 λ1 또는 제2 파장 λ2에서 윈도우(320, 360)의 광 투과율은 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%이다.
도 3의 예시적인 재방출 구조체(340)는 2개의 윈도우를 포함한다. 일반적으로, 광 변환층은 1개, 2개 또는 그 이상의 윈도우를 가지거나 전혀 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에, 재방출 구조체(340)는 LED(120)와 전위 우물(370) 사이에 또는 LED(120)와 광 흡수층(330) 사이에 배치된 하나의 윈도우를 가질 수 있다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(340) 내의 2개의 인접한 층 사이의 계면의 위치는 윤곽이 명확한(well-defined) 또는 뚜렷한 계면일 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어 층 내의 물질 조성이 두께 방향을 따라 거리의 함수로서 변화할 때, 2개의 인접한 층들 사이의 계면은 잘 한정되지 않을 수 있고, 예를 들어 구배 계면일 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 흡수층(330) 및 제1 윈도우(320)는 동일한 물질 성분을 상이한 물질 농도로 가질 수 있다. 그러한 경우에, 흡수층의 물질 조성은 윈도우 층의 물질 조성으로 점차적으로 변화되어, 2개의 층들 사이에 구배 계면을 초래할 수 있다. 예를 들어, 둘 모두의 층이 Mg를 포함하는 경우에, 흡수층으로부터 윈도우로 점차적으로 전이할 때 Mg의 농도가 증가될 수 있다.
예시적인 재방출 구조체(340)는 2개의 광 흡수층(330, 350) 사이에 위치하는 하나의 전위 우물(370)을 포함한다. 일반적으로, 재방출 구조체(340)는 하나 이상의 전위 우물을 가질 수 있다. 어떤 경우에, 재방출 구조체(340) 내의 전위 우물은 더 큰 밴드 갭 에너지를 가지는 2개의 층 사이에서 그에 바로 인접하게 배치되어 있으며, 여기서 2개의 층 중 적어도 하나는 제1 파장 λ1에서 실질적으로 광 흡수성이다.
어떤 경우에, 재방출 구조체(340)는 도 3에 명확하게 도시된 것 이외의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 재방출 구조체(340)는 재방출 구조체(340)에서의 변형을 보상하거나 완화시키는, II-VI 변형-보상층 등의 변형-보상층을 포함할 수 있다. 변형-보상층은, 예를 들어, 전위 우물(370)과 제1 흡수층(330) 및/또는 제2 흡수층(350) 사이에 배치될 수 있다. 변형-보상층은, 예를 들어, ZnSSe 및/또는 BeZnSe를 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 기재(105)는 응용에 적합할 수 있는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재(105)는 Si, Ge, GaAs, GaN, InP, 사파이어, SiC 및 ZnSe을 포함하거나 이들로 이루어져 있을 수 있다. 어떤 경우에, 기재(105)는 Si 기재, GaN 기재, 또는 SiC 기재일 수 있다. 어떤 경우에, 기재(105)는 n-도핑되거나, p-도핑되거나, 절연성이거나, 반절연성(semi-insulating)일 수 있으며, 여기서 도핑은 임의의 적합한 방법에 의해 및/또는 임의의 적합한 도펀트를 포함시키는 것에 의해 달성될 수 있다.
어떤 경우에, LED(120)는 재방출 구조체(140)로부터 분리될 수 있다. 어떤 경우에, 예를 들어, 접합층(130)을 사용하여 이 둘을 부착시키는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, LED(120)는 핫 멜트 접착제 등의 접착제, 용접, 압력, 열 또는 이러한 방법의 임의의 조합 또는 응용에서 바람직할 수 있는 다른 방법 등의 임의의 적당한 방법에 의해 재방출 구조체(140)에 부착 또는 접합될 수 있다. 적합한 핫 멜트 접착제의 예는 반결정질 폴리올레핀, 열가소성 폴리에스테르, 및 아크릴 수지를 포함한다.
다른 예시적인 접합 물질은, 아크릴레이트계 광학 접착제[Norland 83H(미국 뉴저지주 크랜베리 소재의 Norland Products에 의해 공급됨) 등]; 시아노아크릴레이트류[Scotch-Weld 순간 접착제(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M Company에 의해 공급됨) 등]; 벤조사이클로부텐[Cyclotene™(미국 미시간주 미드랜드 소재의 Dow Chemical Company에 의해 공급됨) 등]; 투명 왁스[CrystalBond)(미국 캘리포니아주 레딩 소재의 Ted Pella Inc.) 등]; 규산나트륨을 기재로 하는 액상 유리, 물유리, 또는 용해성 유리; 및 SOG(spin-on glass)를 비롯한, 광학적으로 투명한 중합체성 접착제 등의 광학적으로 투명한 중합체성 물질을 포함한다.
어떤 경우에, LED(120)는, 예를 들어, Q. -Y. Tong 및 U.
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의 "Semiconductor Wafer Bonding"(John Wiley & Sons, New York, 1999)의 제4장 및 제10장에 기술된 웨이퍼 접합 기술에 의해 재방출 구조체(140)에 부착될 수 있다.
도 4는 활성 상부 표면(428), 제1 측면(422) 및 제2 측면(424)을 가지는 LED(420)를 포함하는 발광 시스템(400)의 개략 측면도이다. LED는 제1 파장 λ1의 광(460)을 방출할 수 있고, 하나 이상의 소정의 방향을 따라(예를 들어, 일반적인 y-방향을 따라) LED에 의한 광의 방출을 향상시키고 다른 방향을 따라(예를 들어, 일반적인 x-방향 및 z-방향을 따라) 광의 방출을 억제하도록 설계된 내부 패턴(490)(LED 내부에 있음)을 포함하며, 여기서 소정의 방향 및 다른 방향은 서로 다른 응용에 대해 서로 다를 수 있다. 예시적인 발광 시스템(400)에서, 패턴(490)은 LED의 활성 상부 표면(428)으로부터의 광의 방출을 향상 또는 증가시키도록 설계되어 있다. 패턴(490)은 추가적으로 LED의 하나 이상의 측면으로부터의 광의 방출을 감소 또는 억제시키도록 설계되어 있다. 예를 들어, 패턴(490)은 광선이 상부 표면(428)으로부터 LED를 빠져나가도록 y-축을 따라 광선(460A, 460B, 460C)의 방출을 향상시키고 제1 측면(422)으로부터의 광선(460D)의 방출 및 제2 측면(424)으로부터의 광선(460E)의 방출을 억제한다.
패턴(490)은 주로 하나 이상의 소정의 방향을 따라 광의 방출을 향상시키고 하나 이상의 다른 소정의 방향을 따라 광의 방출을 억제할 수 있는 임의의 패턴일 수 있다. 일부 예시적인 패턴은, 예를 들어, 미국 특허 제5,955,749호 및 제6,831,302호에 기술되어 있으며, 이들 특허 둘다는 참조 문헌으로서 본 명세서에 포함된다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 상 패턴(phase pattern)일 수 있고, 이는 패턴이 적어도 주로 굴절률 패턴이라는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 굴절률이 하나 이상의 방향을 따라 변하며, 그 결과 패턴이 형성된다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 적어도 주로 층-두께 또는 표면-양각(surface-relief) 패턴일 수 있다. 이러한 경우에, 하나 이상의 층의 두께가 하나 이상의 방향을 따라 변하며, 그 결과 양각 또는 두께 패턴이 형성된다. 예를 들어, 어떤 경우에, 패턴(490)은 상 또는 두께 격자(정사각형 또는 사인파형 상 또는 두께 격자 등)일 수 있다.
어떤 경우에, 두께 또는 양각 패턴은 하나 이상의 층에 패턴을 에칭함으로써 형성될 수 있다. 어떤 경우에, 에칭은 하나 이상의 층의 하나 이상의 영역을 완전히 관통할 수 있다. 어떤 경우에, LED(420)는 다수의 층을 포함하고, 패턴(490)은 LED의 하나 이상의 층에 있는 두께 패턴이다.
어떤 경우에, 패턴(490)은 주기적 패턴일 수 있다. 예를 들어, 패턴(490)은 주기적 유전 상수 패턴일 수 있다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 비주기적 또는 의사-주기적일 수 있다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 1차원 또는 선 패턴일 수 있거나, 2차원 또는 면 패턴일 수 있거나, 3차원 또는 체적 패턴일 수 있거나, 이들의 임의의 조합일 수 있다.
패턴(490)은 LED(420) 내의 다른 위치에 있을 수 있으며, 여기서 일반적으로 LED는 하나 이상의 p-형 및/또는 n-형 반도체층, 하나 이상의 전위 및/또는 양자 우물을 포함할 수 있는 하나 이상의 활성 방출층, 하나 이상의 완충제층, 및 응용에서 바람직할 수 있는 임의의 다른 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 n-도핑된 상부 클래딩층(510), 양자 우물(520), 및 p-도핑된 하부 클래딩층(540)을 포함하는 LED(500)의 개략 측면도이다. 도 5는 단일 양자 우물(single quantum well, SQW) 구조물을 나타낸 것이다. 어떤 경우에, LED(500)는 도 5에 명확하게 도시되지 않은 다중 양자 우물(multiple quantum well, MQW)을 포함할 수 있다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 LED에서 전적으로 하나의 층 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 패턴(530)은 전체가 상부 클래딩층(510) 내에 있고, 패턴(531)은 전체가 양자 우물(520) 내에 있으며, 패턴(532)은 전체가 하부 클래딩층(540) 내에 있다. 패턴(520)의 경우에서와 같은 어떤 경우에, LED 내의 전위 또는 양자 우물은 전체 패턴을 포함한다. 어떤 경우에, 전체 패턴(490)이 2개 이상의 바로 인접한 층 내에 포함될 수 있으며, 이는, 예를 들어, 하나의 층이 패턴의 일부분을 포함하고 바로 인접한 층이 패턴의 나머지 부분을 포함한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 패턴(534)은 전체가 바로 인접한 층(510, 520) 내에 있다. 다른 일례로서, 패턴(533)은 전체가 바로 인접한 층(510, 520, 540) 내에 있다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 LED 내에서 계면에 있을 수 있다. 예를 들어, 패턴(535)은 층(520)과 층(540) 사이의 계면(525)에 있다.
어떤 경우에, 패턴(490)은 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형 어레이를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 6a의 패턴(610)은 요소들(615)의 직사각형 어레이를 형성하고, 도 6b의 패턴(620)은 요소들(625)의 삼각형 어레이를 형성한다. 어떤 경우에, 패턴(490)은 2개 이상의 패턴 또는 어레이의 중첩일 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 재방출 구조체(140)는 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe 전위 우물 등의 II-VI 전위 우물을 포함할 수 있다. 재방출 구조체(140)는 LED(420)를 빠져나가는 파장 λ1의 광(460)을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 광(470)으로 변환한다. 어떤 경우에, LED(420)를 빠져나가 재방출 구조체(140)에 의해 수광되는 제1 파장 광의 상당 부분은 LED의 활성 상부 표면(428)을 통해 LED를 빠져나간다. 예를 들어, 이러한 경우에, LED(420)를 빠져나가 재방출 구조체(140)에 의해 수광되는 제1 파장 광(460)의 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 98%가 LED의 활성 상부 표면(428)을 통해 LED를 빠져나간다.
어떤 경우에, 발광 시스템(400)을 빠져나가는 광은 실질적으로 단색이며, 이는 출사광이 실질적으로 제2 파장 λ2의 광이고, λ1의 제1 파장 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(400)을 빠져나가는 제2 파장 λ2의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도는 발광 시스템(400)을 빠져나가는 제1 파장 λ1의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도의 적어도 4배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배, 또는 적어도 50배이다.
어떤 경우에, 상이한 방향을 따라 발광 시스템(400)을 빠져나가는 광은 상이한 스펙트럼 특성(컬러 등)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 방향을 따라 전파하는 광은 상이한 제1 파장 광과 제2 파장 광의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 출력광(470)은 실질적으로 제1 방향(475)(y-축)을 따라 전파하고 출력광(471)은 실질적으로 제2 방향(476)을 따라 전파할 수 있다. 어떤 경우에, 광(470, 471)은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광(470)은 광(471)보다 큰 제2 파장 함유량을 가질 수 있다. 패턴(490)이 주로 y-축을 따라 방출을 야기하는 때와 같은 어떤 경우에, 광(470, 471)은 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가진다. 예를 들어, 이러한 경우에, 광(470)은 CIE 색 좌표 u1' 및 v1'과 색 좌표 x1 및 y1을 가지는 제1 컬러 C1을 가질 수 있고, 광(471)은 색 좌표 u2' 및 v2'과 색좌표 x2 및 y2를 가지는 제2 컬러 C2를 가질 수 있으며, 여기서 컬러 C1 및 C2는 실질적으로 동일하다. 이러한 경우에, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값이 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이고, 컬러 C1과 컬러 C2의 차 Δ(u',v')는 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이다.
어떤 경우에, 제1 방향(475)과 제2 방향(476) 사이의 각도 θ는 약 10도 이상, 또는 약 15도 이상, 또는 약 20도 이상, 또는 약 25도 이상, 또는 약 30도 이상, 또는 약 35도 이상, 또는 약 40도 이상, 또는 약 45도 이상, 또는 약 50도 이상, 또는 약 55도 이상, 또는 약 60도 이상, 또는 약 65도 이상, 또는 약 70도 이상이다.
도 8은 제1 파장 λ1의 광(860)을 방출할 수 있는 LED(820) 등의 전계발광 소자(820)를 포함하는 발광 시스템(800)의 개략 측면도이다. LED(820)는 전계발광 소자의 활성 상부 표면(828)으로부터의 제1 파장 λ1의 광의 방출을 향상시키고 전계발광 소자의 하나 이상의 측면[예를 들어, 측면(822, 824)] 등의 다른 방향으로부터의 광의 방출을 억제하는 형상을 가진다.
어떤 경우에, LED(820)의 형상은 LED(820) 내에서 측면[LED의 측면(822 또는 824) 등] 쪽으로 전파하는 제1 파장 광의 상당 부분이 활성 상부 표면(828) 쪽으로 방향 전환되도록 되어 있다. 예를 들어, 도 8의 LED(820)는 상부 표면에 수직인 평면(xy-평면 등)에서 실질적으로 사다리꼴인 단면을 가진다. 이들 측면은, 제1 측면(822) 쪽으로 전파하는 파장 λ1의 광선(860A)이 측면(822)에 의해 광선(860A')으로서 상부 표면(828) 쪽으로 방향 전환되고 제2 측면(824) 쪽으로 전파하는 파장 λ1의 광선(860B)이 측면(824)에 의해 광선(860B')으로서 상부 표면(828) 쪽으로 방향 전환되도록, 설계되고 위치해 있다.
예시적인 발광 시스템(800)에서, LED(820)는 절단된 원추체 또는 피라미드의 형상을 가지며, 이 때 제1 측면(822)은 제2 측면(824)에 평행하지 않다. 일반적으로, LED(820)는 LED(820)의 활성 상부 표면(828)으로부터의 제1 파장 λ1의 광의 방출을 향상시키고 LED(820)의 하나 이상의 측면[측면(822, 824) 등]으로부터의 광의 방출을 억제할 수 있는 어떤 형상이라도 가질 수 있다.
발광 시스템(800)은, Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe 전위 우물 등의 II-VI 전위 우물을 포함하고 LED(820)를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하며 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 광으로 변환하는 재방출 구조체(140)를 추가로 포함하고 있다. 예를 들어, 재방출 구조체(140)는 LED(820)를 빠져나가는 파장 λ1의 광(860)을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 출력광(870)으로 변환한다. 어떤 경우에, LED(820)를 빠져나가 재방출 구조체(140)에 의해 수광되는 제1 파장 광의 상당 부분은 LED의 활성 상부 표면(828)을 통해 LED를 빠져나간다. 예를 들어, 이러한 경우에, LED(820)를 빠져나가 재방출 구조체(140)에 의해 수광되는 제1 파장 광(860)의 적어도 50%, 또는 적어도 60%, 또는 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 98%가 LED의 활성 상부 표면(828)을 통해 LED를 빠져나간다.
어떤 경우에, 발광 시스템(800)을 빠져나가는 광은 실질적으로 단색이며, 이는 출사광이 실질적으로 제2 파장 λ2의 광이고, λ1의 제1 파장 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(800)을 빠져나가는 제2 파장 λ2의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도는 발광 시스템(800)을 빠져나가는 제1 파장 λ1의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도의 적어도 4배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배, 또는 적어도 50배이다.
어떤 경우에, 상이한 방향을 따라 발광 시스템(800)을 빠져나가는 광은 상이한 스펙트럼 특성(컬러 등)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 방향을 따라 전파하는 광은 상이한 제1 파장 광과 제2 파장 광의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 제1 방향(874)(y-축)을 따라 전파하는 출력광(870)과 실질적으로 제2 방향(876)을 따라 전파하는 출력광(872)은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광(870)은 광(872)보다 큰 제2 파장 함유량을 가질 수 있다. 측면(822, 824)이 다른 방향을 따라 전파하는 광을 방향 전환시킴으로써 주로 y-축을 따라 방출을 향상시키는 때와 같은 어떤 경우에, 광(870, 872)은 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가진다. 예를 들어, 이러한 경우에, 광(870)은 CIE 색 좌표 u1' 및 v1'과 색 좌표 x1 및 y1을 가지는 제1 컬러 C1을 가질 수 있고, 광(872)은 색 좌표 u2' 및 v2'과 색 좌표 x2 및 y2를 가지는 제2 컬러 C2를 가질 수 있으며, 여기서 컬러 C1 및 C2는 실질적으로 동일하다. 이러한 경우에, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값이 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이고, 컬러 C1과 컬러 C2의 차 Δ(u',v')는 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이다.
어떤 경우에, 제1 방향(874)과 제2 방향(876) 사이의 각도 θ는 약 10도 이상, 또는 약 15도 이상, 또는 약 20도 이상, 또는 약 25도 이상, 또는 약 30도 이상, 또는 약 35도 이상, 또는 약 40도 이상, 또는 약 45도 이상, 또는 약 50도 이상, 또는 약 55도 이상, 또는 약 60도 이상, 또는 약 65도 이상, 또는 약 70도 이상이다.
도 9는 제1 측면(922), 제2 측면(924), 및 활성 상부 표면(928)을 포함하고 상부 표면(928)으로부터 제1 파장 λ1의 광(960)을 방출할 수 있는 전계발광 소자(120)[LED(120) 등]를 포함하는 발광 시스템(900)의 개략 측면도이다. 발광 시스템(900)은 그렇지 않았으면 측면을 빠져나가게 될 제1 파장 λ1의 광을 차단하는, 전계발광 소자(120)의 측면 근방에 또는 그에 근접하여 있는 하나 이상의 광 차단 구조체를 추가로 포함한다. 예를 들어, 광 차단 구조체(910)는 그렇지 않았으면 측면(922)을 빠져나가게 될 제1 파장 λ1의 방출된 광(960A)을 차단하고, 광 차단 구조체(920)는 그렇지 않았으면 측면(924)을 빠져나가게 될 제1 파장 λ1의 방출된 광(960B)을 차단한다. 어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는 분리된 별개의 구조체일 수 있다. 어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는 광이 발광 시스템의 하나 이상의 측면을 빠져나가지 못하도록 차단하는 구조체의 일체로 된 부분(integral part)일 수 있다.
재방출 구조체(140)는 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe 전위 우물 등의 II-VI 전위 우물을 포함하고 활성 상부 표면(928)으로부터 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광(960)을 수광하며 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 광(970)으로 변환한다.
광 차단 구조체(910, 920)는 응용에서 바람직하고 및/또는 이용가능할 수 있는 임의의 수단에 의해 측방향으로 전파하는 광을 차단할 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는, 주로 광을 흡수함으로써, 광을 차단한다. 광 흡수 구조체의 일례는 다양한 포토레지스트 등의 중합체를 포함한다. 어떤 다른 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는, 주로 광을 반사함으로써, 광을 차단한다. 광 반사 구조체의 일례는 은 또는 알루미늄 등의 금속을 포함한다. 어떤 경우에, 이들 구조체는, 일부는 흡수에 의해 그리고 일부는 반사에 의해, 광을 차단한다.
어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920) 중 하나 이상이 제1 파장 λ1의 광은 차단할 수 있지만, 소정의 파장 범위 내의 다른 파장의 광은 차단할 수 없다. 예를 들어, 제1 광(960)이 UV광, 자색광 또는 청색광이고 변환된 광(970)이 녹색광 또는 적색광인 경우, 광 차단 구조체(910, 920)가 UV광, 자색광 또는 청색광은 차단할 수 있지만 전자기 스펙트럼의 가시 영역 내의 다른 광은 차단하지 못할 수 있다.
어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는 전기 절연성이고 전계발광 소자의 적어도 하나의 전극에 직접 부착되거나 그와 직접 접촉하고 있을 수 있다. 예를 들어, 전기 절연성 광 차단 구조체(910)의 경우, 이 구조체는, 2개의 전극 사이에 전기적 단락을 야기하는 일 없이, [예를 들어, 구조체(920)를 통해] 하부 전극(110) 및 상부 전극(112)에 직접 접촉할 수 있다.
어떤 경우에, 광 차단 구조체(910, 920)는 발광 시스템에서 LED(120)의 측면을 빠져나가는 광은 차단하지만 재방출 구조체(140) 등의 다른 요소의 측면을 빠져나가는 광은 차단하지 않는다. 어떤 경우에, 예시적인 발광 시스템(900)에서와 같이, 광 차단 구조체(910)는 위쪽으로 뻗어 있고, 재방출 구조체(140)의 측면(942)을 덮고 있다. 이러한 경우에, 광 차단 구조체(910)는 그렇지 않았으면 재방출 반도체 구조체의 측면(942)을 빠져나가게 될 제1 파장 λ1 및/또는 제2 파장 λ2의 광을 차단할 수 있다.
어떤 경우에, LED(120)의 측면과 광 차단 구조체 사이에 그 측면에 근접한 중간 영역이 있다. 예를 들어, 도 10은 광 차단 구조체(910, 920)와 LED(120)의 4개의 측면 사이에 중간 영역(1020)을 포함하는 발광 시스템(900)의 개략 상면도이다.
어떤 경우에, 발광 시스템(900)을 빠져나가는 광은 실질적으로 단색이며, 이는 출사광이 실질적으로 제2 파장 λ2의 광이고, λ1의 제1 파장 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 경우에, 발광 시스템(900)을 빠져나가는 제2 파장 λ2의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도는 발광 시스템(900)을 빠져나가는 제1 파장 λ1의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도의 적어도 4배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배, 또는 적어도 50배이다.
어떤 경우에, 상이한 방향을 따라 발광 시스템(900)을 빠져나가는 광은 상이한 스펙트럼 특성(컬러 등)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 방향을 따라 전파하는 광은 상이한 제1 파장 광과 제2 파장 광의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 제1 방향(974)(y-축)을 따라 전파하는 출력광(970)과 실질적으로 제2 방향(976)을 따라 전파하는 출력광(972)은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광(970)은 광(972)보다 큰 제2 파장 함유량을 가질 수 있다. 광 차단 구조체(910, 920)가 광(960)이 전계발광 소자의 측면으로부터 발광 시스템을 빠져나가지 못하도록 차단하는 때와 같은 어떤 경우에, 광(970, 972)은 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가진다. 예를 들어, 이러한 경우에, 광(970)은 CIE 색 좌표 u1' 및 v1'과 색 좌표 x1 및 y1를 가지는 제1 컬러 C1을 가질 수 있고, 광(972)은 색 좌표 u2' 및 v2'과 색 좌표 x2 및 y2를 가지는 제2 컬러 C2를 가질 수 있으며, 여기서 컬러 C1 및 C2는 실질적으로 동일하다. 이러한 경우에, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값이 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이고, 컬러 C1과 컬러 C2의 차 Δ(u',v')는 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이다.
어떤 경우에, 제1 방향(974)과 제2 방향(976) 사이의 각도 θ는 약 10도 이상, 또는 약 15도 이상, 또는 약 20도 이상, 또는 약 25도 이상, 또는 약 30도 이상, 또는 약 35도 이상, 또는 약 40도 이상, 또는 약 45도 이상, 또는 약 50도 이상, 또는 약 55도 이상, 또는 약 60도 이상, 또는 약 65도 이상, 또는 약 70도 이상이다.
어떤 경우에, 광 차단 구조체는 또한 활성 발광면(active light emitting surface)의 크기에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 광 차단 구조체(710)는 광(730)이 LED의 측면(712)으로부터 LED(120)을 빠져나가지 못하도록 차단하고, 광 차단 구조체(720)는 광(731)이 LED의 측면(714)으로부터 LED(120)를 빠져나가지 못하도록 차단한다. 측면 방출을 차단하는 것에 부가하여, 광 차단 구조체(710, 720)는 또한 LED의 상부 표면(728)의 일부분을 따라 뻗어 있고, 그렇게 함으로써, LED(120)의 유효 방출면을 보다 작은 횡방향 치수 "d"를 가지는 보다 작은 활성 상부 표면(728)으로 감소시킨다. 어떤 경우에, 광 차단 구조체(710, 720)는 하나 이상의 포토레지스트 등의 광 흡수성 중합체를 포함할 수 있다.
개시된 구조체의 이점들 중 일부가 하기의 실시예에 의해 추가로 예시된다. 이러한 실시예에서 언급되는 특정 물질, 양 및 치수뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예 1
발광 시스템(100)과 유사한 호박색 방출 발광 시스템이 제조되었다. λ1=455 ㎚의 광을 방출할 수 있는 LED가 Epistar Corporation(타이완 신주 소재)로부터 구매되었다. LED는 규소 웨이퍼에 접합된 에피택셜 AlGaInN계 LED였다. LED 웨이퍼의 상부 표면의 어떤 부분은, 전류를 확산시키고 와이어 본딩을 위한 패드를 제공하기 위해, 금 배선(gold trace)으로 금속화되었다.
재방출 구조체(140)와 유사한 다층 재방출 반도체 구조체가 제조되었다. 상대적 층 순서와 물질 조성, 두께 및 벌크 밴드 갭 에너지의 추정된 값이 표 I에 요약되어 있다.
후속의 II-VI 성장을 위한 표면을 제조하기 위해 분자선 에피택시(molecular beam epitaxy, MBE)에 의해 InP 기재 상에 GaInN 완충제층을 먼저 성장시켰다. 이어서, 상이한 II-VI 에피택셜층들을 성장시키기 위해 코팅된 기재를 초고도 진공 이송 시스템을 통해 다른 MBE 챔버로 이동시켰다. 재방출 반도체 구조체는 4개의 CdZnSe 양자 우물을 포함하였다. 각각의 양자 우물은 전위 우물(340)과 유사하였고, 약 2.09 eV의 벌크 에너지 갭(Eg)을 가졌다. 각각의 양자 우물이 광 흡수층(330, 350)과 유사한 2개의 CdMgZnSe 광 흡수층 사이에 끼워졌다. 광 흡수층은 약 2.48 eV의 에너지 갭을 가졌고, LED에 의해 방출된 청색광을 강하게 흡수할 수 있었다. 재방출 반도체 구조체는 윈도우(360)와 유사한 윈도우 및 광 흡수층과 윈도우 층 사이의 경사층을 추가로 포함하였다. 경사층의 물질 조성은 광 흡수측에서의 광 흡수층의 물질 조성으로부터 윈도우측에서의 윈도우의 물질 조성으로 점진적으로 변하였다.
[표 I]
Figure pct00002
그 다음에, 재방출 구조체의 윈도우측이 접합층(130)과 유사한 접합층을 사용하여 LED의 방출 또는 상부 표면에 접합되었다. 접합층은 Norland Products, Inc.(미국 뉴저지주 크랜베리 소재)로부터 구입한 Norland 광학 접착제 83H였다. 접합층의 두께는 약 4 마이크로미터 내지 약 8 ㎛의 범위였다.
다음에, InP 기재를 3HCl:1H2O 용액으로 제거하였다. 에칭제는 GaInAs 완충제층에서 멈추었다. 이어서, 30 ㎖ 수산화 암모늄(30 중량%), 5 ㎖ 과산화수소(30 중량%), 40 g 아디프산 및 200 ㎖ 물의 교반 용액에서 완충제층이 제거되었으며, LED에 접착제로 부착된 II-VI 재방출 구조체만을 남겨두었다.
이어서, LED의 상부 표면의 금 코팅된 부분에 전기적 접촉을 하기 위해 비아가 재방출 구조체 및 접합층을 통해 에칭되었다. 비아는 네거티브 포토레지스트(NR7-1000PY, 미국 뉴저지주 프랭클린 소재의 Futurrex)를 사용하는 종래의 접촉 포토리소그라피에 의해 만들어졌다. 비아를 만들 때, 재방출 구조체 내의 II-VI 층은 이 구조체를 240 H20 : 40 HBr : 1 Br2(단위: 체적)의 용액에 2.5분 동안 침적시킴으로써 에칭되었고, 접합층은, Oxford Instruments(영국 옥스포트셔)로부터의 플라즈마 반응성 이온 에칭 시스템에서, 1.9 Pa(15 mTorr)의 압력, 80W의 RF 전력 및 1200W의 유도 결합 플라즈마 전력에서 12 분 동안 이 구조체를 산소 플라즈마에 노출시킴으로써 에칭되었다. 산소 플라즈마는 또한 패턴화된 네거티브 포토레지스트 층을 제거하였다.
도 11은 LED가 350 ㎃ 및 20 msec 펄스로 구동될 때 얻어진 발광 시스템의 축상(즉, 예를 들어, 도 1에서의 λ = 0) 출력 스펙트럼(1110)을 나타낸 것이다. 발광 시스템은 제2 파장 λ2 = 597 ㎚에서의 변환된 피크 방출(1120) 및 제1 파장 λ1 = 455 ㎚에서의 잔류 피크 방출(1130)을 가졌다. 출력광의 대략 1.3%가 제1 파장에 있었으며, 이는 455 ㎚에서의 출력 광속(output flux)이 발광 시스템에 의해 방출된 총 광속(total flux)의 약 1.3%였고, 597 ㎚에서의 출력 광속이 발광 시스템에 의해 방출된 총 광속의 약 98.7%였다는 것을 의미한다. 유사하게 구성된 제2 발광 시스템에 대한 455에서의 평균 퍼센트 출력광(average percent output light)은 대략 1.43%였다. 발광 시스템(900)을 빠져나간 579 ㎚의 광 전부의 총 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나간 455 ㎚의 광 전부의 총 발광 강도의 약 70배였다. Wmin은 1 ㎜였고 Tmax는 8 마이크로미터였으며, 그 결과, 비 Wmin/Tmax가 125였다.
도 12는, 예를 들어, 도 2를 참조하여 다른 곳에서 기술한 각도 θ에 의해 정의되는 바와 같은 다른 전파 방향에 대한 455 ㎚에서의 퍼센트 출력광을 나타낸 것이다. 수평선(1210)은 60도 선이고, 약 60도 미만의 θ에 대해, 455 ㎚에서의 퍼센트 출력광이 약 3.4% 미만임을 나타내고 있다.
도 13은 광 반사체(1310) 상에 배치되어 제1 파장 λ1의 광(1340)을 방출할 수 있는 전계발광 소자(1320), 재방출 구조체(140), 및 전계발광 소자(1320)를 재방출 구조체(140)에 접합시키는 선택적인 접합층을 포함하는 발광 시스템(1300)의 개략 측면도이다.
LED(1320) 등의 전계발광 소자(1320)는 파장 λ1의 광자의 방출이 주로 일어나는 활성 영역(1330)을 포함한다. 전계발광 소자가 LED인 때와 같은 어떤 경우에, 활성 영역은 하나 이상의 전위 우물 및/또는 양자 우물을 포함한다. 어떤 경우에, 활성 영역(1330)과 반사체(1310) 사이의 거리 "h"는, Shen 등의 "Optical cavity effects in InGaN/GaN quantum-well-heterostructure flip-chip light-emitting diodes, " Applied Physics Letters, Vol. 82, No. 14, pp. 2221-2223 (2003)에 기술된 바와 같이, 전계발광 소자에서의 광 공동 효과(optical cavity effect)를 향상시키도록 선택된다. 이러한 경우에, 광 공동 효과는 전계발광 소자의 활성 상부 표면(1328)으로부터의 제1 파장 λ1의 광의 방출을 향상시키고 전계발광 소자의 하나 이상의 측면[예를 들어, 측면(1322, 1324)] 등의 다른 방향으로부터의 광의 방출을 억제한다. 이러한 경우에, 거리 "h"는 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광의 상당 부분이 전계발광 소자의 상당 부분(1328)으로부터 빠져나가도록 되어 있다. 예를 들어, 이러한 경우에, 전계발광 소자를 빠져나가는 파장 λ1의 광의 적어도 70%, 또는 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%가 상부 표면(1328)을 통해 재방출 구조체(140) 쪽으로 간다. 예를 들어, 이러한 경우에, 거리 "h"는 약 0.6λ1 내지 약 1.4λ1의 범위에, 또는 약 0.6λ1 내지 약 0.8λ1의 범위에, 또는 약 1.2λ1 내지 약 1.4λ1의 범위에 있을 수 있다.
재방출 구조체(140)는 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe 전위 우물 등의 II-VI 전위 우물을 포함하고, 전계발광 소자(1320)를 빠져나가는 제1 파장 광(1340)을 수광하며 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장 λ2의 광(1350)으로 변환한다. 어떤 경우에, 발광 시스템(1300)을 빠져나가는 광은 실질적으로 단색이며, 이는 출사광이 실질적으로 제2 파장 λ2의 광이고, λ1의 제1 파장 광을 거의 또는 전혀 포함하지 않는다. 이러한 경우에, 발광 시스템(1300)을 빠져나가는 제2 파장 λ2의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도는 발광 시스템(1300)을 빠져나가는 제1 파장 λ1의 광 전부의 적분된 또는 총 발광 강도의 적어도 4배, 또는 적어도 10배, 또는 적어도 20배, 또는 적어도 50배이다.
어떤 경우에, 상이한 방향을 따라 발광 시스템(1300)을 빠져나가는 광은 상이한 스펙트럼 특성(컬러 등)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 방향을 따라 전파하는 광은 상이한 제1 파장 광과 제2 파장 광의 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 실질적으로 제1 방향(1360)(y-축)을 따라 전파하는 출력광(1355)과 실질적으로 제2 방향(1365)을 따라 전파하는 출력광(1357)은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 광(1357)은 광(1355)보다 큰 제2 파장 함유량을 가질 수 있다. 거리 "h"가 주로 y-축을 따라 전계발광 소자에 의한 광의 방출을 향상시키도록 선택되는 때와 같은 어떤 경우에, 광(1355, 1357)이 실질적으로 동일한 스펙트럼 특성을 가진다. 예를 들어, 이러한 경우에, 광(1355)은 CIE 색 좌표 u1' 및 v1'과 색 좌표 x1 및 y1를 가지는 제1 컬러 C1을 가질 수 있고, 광(1357)은 색 좌표 u2' 및 v2'과 색 좌표 x2 및 y2를 가지는 제2 컬러 C2를 가질 수 있으며, 여기서 컬러 C1 및 C2는 실질적으로 동일하다. 이러한 경우에, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값이 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이고, 컬러 C1과 컬러 C2의 차 Δ(u',v')는 0.01 이하, 또는 0.005 이하, 또는 0.004 이하, 또는 0.003 이하, 또는 0.002 이하, 또는 0.001 이하, 또는 0.0005 이하이다.
어떤 경우에, 제1 방향(1360)과 제2 방향(1365) 사이의 각도 θ는 약 10도 이상, 또는 약 15도 이상, 또는 약 20도 이상, 또는 약 25도 이상, 또는 약 30도 이상, 또는 약 35도 이상, 또는 약 40도 이상, 또는 약 45도 이상, 또는 약 50도 이상, 또는 약 55도 이상, 또는 약 60도 이상, 또는 약 65도 이상, 또는 약 70도 이상이다.
일반적으로, 광 반사체(1310)는 파장 θ1의 광을 반사할 수 있는 어떤 광 반사체라도 될 수 있다. 예를 들어, 어떤 경우에, 광 반사체(1310)는 은, 금 또는 알루미늄 등의 금속을 함유하는 금속 반사체일 수 있다. 다른 일례로서, 어떤 경우에, 반사체(1310)는 Bragg 반사체일 수 있다.
전계발광 소자(1320)가 LED인 때와 같은 어떤 경우에, 광 반사체(1310)는 전계발광 소자에 대한 전류 확산 전극(current spreader electrode)일 수 있다. 이러한 경우에, 광 반사체(1310)는 인가된 전류를 전계발광 소자에 걸쳐 측방향으로(x-방향 및 z-방향) 확산시킬 수 있다.
어떤 경우에, 광 반사체(1310)는 제1 파장에서 실질적으로 반사성이다. 예를 들어, 이러한 경우에, 제1 파장 λ1에서의 광 반사체(1310)의 반사율은 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%, 또는 적어도 99.5%, 또는 적어도 99.9%이다. 어떤 경우에, 광 반사체(1310)는 제2 파장 λ2에서 실질적으로 반사성이다. 예를 들어, 이러한 경우에, 제2 파장 λ2에서의 광 반사체(1310)의 반사율은 적어도 80%, 또는 적어도 90%, 또는 적어도 95%, 또는 적어도 99%, 또는 적어도 99.5%, 또는 적어도 99.9%이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "수직", "수평", "위", "아래", "좌측", "우측", "상부" 및 "하부", "상단" 및 "하단", 그리고 다른 유사한 용어들과 같은 용어들은 도면들에 나타낸 바와 같은 상대적 위치를 지칭한다. 일반적으로, 물리적 실시 형태는 상이한 배향을 가질 수 있고, 그 경우에, 이 용어들은 소자의 실제 배향으로 수정된 상대적 위치를 지칭하도록 의도된다. 예를 들어, 도 12의 구조체가 90도 회전되더라도, 선(1210)이 여전히 "수평"선인 것으로 간주된다.
본 발명의 특정의 실시예가 본 발명의 다양한 태양의 설명을 용이하게 하기 위해 위에서 상세히 기술되었지만, 본 발명을 실시예들의 상세 사항으로 제한하고자 하는 것이 아님을 알아야 한다. 오히려, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 수정, 실시 형태 및 대안을 포함하고자 한다.

Claims (25)

  1. 제1 파장의 광을 방출하는 LED - 방출된 제1 파장 광의 주요 부분은 최소 횡방향 치수 Wmin을 가지는 LED의 상부 표면으로부터 LED를 빠져나가고, 방출된 제1 파장 광의 나머지 부분은 최대 엣지 두께 Tmax를 가지는 LED의 하나 이상의 측면으로부터 LED를 빠져나가며, 비 Wmin/Tmax는 적어도 30임 -, 및
    반도체 전위 우물을 포함하며 상부 표면으로부터 LED를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하고 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 포함하고, 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배인 발광 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 발광 시스템에 의해 제1 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표를 가지고, 발광 시스템에 의해 제2 방향을 따라 방출되는 광은 제1 일련의 색 좌표와 실질적으로 동일한 제2 일련의 색 좌표를 가지며, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도가 20도 이상인 발광 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도가 30도 이상인 발광 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도가 40도 이상인 발광 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도가 50도 이상인 발광 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 제1 일련의 색 좌표는 u1'및 v1'이고, 제2 일련의 색 좌표는 u2' 및 v2'이며, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.01 이하인 발광 시스템.
  7. 제6항에 있어서, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.005 이하인 발광 시스템.
  8. 제6항에 있어서, u1'과 u2'의 차 및 v1'과 v2'의 차 각각의 절대값은 0.001 이하인 발광 시스템.
  9. 제1항에 있어서, LED는 III-V LED인 발광 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상부 표면은 길이가 L이고 폭이 W인 직사각형이며, 이 폭은 상부 표면의 최소 횡방향 치수인 발광 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 비 Wmin/Tmax는 적어도 40인 발광 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 비 Wmin/Tmax는 적어도 100인 발광 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 반도체 전위 우물이 II-VI 물질을 포함하는 발광 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 전위 우물이 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe를 포함하는 발광 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 제1 파장은 청색이고 제2 파장은 녹색 또는 적색인 발광 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 10배인 발광 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 20배인 발광 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 재방출 반도체 구조체는 수광된 광의 적어도 20%를 제2 파장의 광으로 변환하는 발광 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 재방출 반도체 구조체는 수광된 광의 적어도 30%를 제2 파장의 광으로 변환하는 발광 시스템.
  20. 제1 파장의 광을 방출하는 전계발광 소자 - 전계발광 소자는 전계발광 소자의 상부 표면으로부터의 광의 방출을 향상시키고 전계발광 소자의 하나 이상의 측면으로부터의 광의 방출을 억제하는 형상을 가짐 -, 및
    II-VI 전위 우물을 포함하고 상부 표면으로부터 전계발광 소자를 빠져나가는 제1 파장 광을 수광하여 수광된 광의 적어도 일부분을 제2 파장의 광으로 변환하는 재방출 반도체 구조체를 포함하며, 발광 시스템을 빠져나가는 제2 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도는 발광 시스템을 빠져나가는 제1 파장의 광 전부의 적분된 발광 강도의 적어도 4배인 발광 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 전계발광 소자의 형상은 전계발광 소자 내에서 전계발광 소자의 측면 쪽으로 전파하는 제1 파장 광의 상당 부분이 상부 표면 쪽으로 방향 전환되도록 되어 있는 발광 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 전계발광 소자가 제1 측면 및 제1 측면에 평행하지 않은 제2 측면을 가지는 발광 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 전계발광 소자가 상부 표면에 수직인 평면에서 실질적으로 사다리꼴인 단면을 가지는 발광 시스템.
  24. 제20항에 있어서, 전계발광 소자가 LED를 포함하는 발광 시스템.
  25. 제20항에 있어서, II-VI 전위 우물이 Cd(Mg)ZnSe 또는 ZnSeTe를 포함하는 발광 시스템.
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