KR20190000396A - 파장 변환된 발광 장치 - Google Patents

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마이클 데이비드 캄라스
올레그 보리소비치 쉬첸킨
라파엘 이그나시오 알다즈 그란넬
패트릭 놀란 그릴롯
프랭크 마이클 스테란카
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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

본 발명의 실시예는 제1 피크 파장을 가지는 제1 광을 방출할 수 있는 반도체 발광 장치(10) 및 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 가지는 제2 광을 방출할 수 있는 반도체 파장 변환 요소(12)를 포함한다. 반도체 파장 변환 요소(12)는 지지부(51)에 부착되고 반도체 발광 장치에 의해 방출된 광의 경로에 배치된다. 반도체 파장 변환 요소는 반도체 파장 변환 물질의 적어도 두 개의 제1 영역(46) 및 상기 적어도 두 개의 제1 영역 사이에 배치되는, 반도체 파장 변환 물질이 없는 적어도 하나의 제2 영역(48)을 포함하기 위해 패터닝된다.

Description

파장 변환된 발광 장치{WAVELENGTH CONVERTED LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 파장 변환된 반도체 발광 장치와 관련된다.
발광 다이오드(LEDs: light emitting diodes), 공진 공동 발광 다이오드(RCLEDs: resonant cavity light emitting diodes), 수직 공동 레이저 다이오드(VCSELs: vertical cavity laser diodes) 및 측면 발광 레이저(edge emitting lasers)를 포함한 반도체 발광 장치들은 현재 이용가능한 가장 효율적인 광원들에 속한다. 가시 스펙트럼 전체에 걸쳐 오퍼레이션 할 수 있는 고휘도(high-brightness) 발광 장치들의 제조에 있어 현재 관심을 끌고 있는 물질 시스템에는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, 특히 Ⅲ족 질화물 물질(Ⅲ-nitride materials)이라고도 불리는 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 질소의 이원(binary), 삼원(ternary) 및 사원(quaternary) 합금이 있다. 전형적으로, Ⅲ족 질화물 발광 장치는, 사파이어(sapphire), 실리콘 카바이드(silicon carbide), Ⅲ족 질화물 또는 기타 적합한 기판 상에 갖가지 조성(compositions)과 도펀트 농도(dopant concentrations)로 된 반도체층들의 스택을 금속 유기 화학 증착(MOCVD: metal-organic chemical vapor deposition), 분자빔 에피택시(MBE: molecular beam epitaxy) 또는 기타 에피택셜 기술에 의해 에피택셜 성장시킴으로써(epitaxially growing) 제조된다. 스택은 기판 상에 형성되고, 일례로 Si로 도핑된(doped) 하나 이상의 n 타입층, 상기 n 타입층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역(active region)에 있는 하나 이상의 발광층, 상기 활성 영역 위에 형성되고, 일례로 Mg로 도핑된 하나 이상의 p 타입층을 포함한다. n 타입 및 p 타입 영역 상에는 전기 콘택들(electrical contacts)이 형성된다.
도 1은 미합중국 출원 제 7,341,878호에 더 상세히 서술된 LED를 도시한다. 발광 영역을 포함하는 반도체 구조체(130)는 계면(interface; 56)에 의해 세라믹 형광체(ceramic phosphor; 52)에 부착되어 있다. 반도체 구조체(130) 상에 콘택들(18 및 20)이 형성되는데, 이 콘택들은 금속 계면들(134)에 의해 패키지 요소(132)로 연결된다. 몇몇의 실시예에서, 패키지 요소(132)와 세라믹 형광체(52) 사이에 배치된 모든 층들은 100미크론(microns)보다 작은 두께를 가진다. 도 1에는 두 콘택(18 및 20) 모두가 반도체 구조체의 같은 쪽에 형성된 플립 칩 구성(flip chip configuration)에서 패키지 요소(132) 상에 마운트된(mounted) 반도체 구조체(130)가 도시되어 있지만, 대안적 실시예에서, 콘택(18)이 콘택(20)과 반도체 구조체(130)의 반대쪽 상에서 형성되도록 세라믹 형광체(52)의 부분을 제거할 수 있다.
미합중국 출원 제 7,341,878호는, 1차 발광층(primary light emitting layer)에 의해 방출되는 광의 고 흡수(high absorption) 특성 및 고 양자 효율(high quantum efficiency)과 같은 형광체의 바람직한 특성들을 가진 임의의 발광 물질(luminescent material)이, 전술된 실시예에서 광을 효율적으로 생산하기 위해 사용될 수 있음을 알려준다. 일례로 몇몇의 Ⅲ-Ⅴ족 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체들과 같이, 발광 영역에 의해 방출된 파장에서는 큰 허수 성분의 굴절률 k를 가지는 동시에 변환된 파장에서는 무시할 수 있는 정도의 k를 가진 파장 변환 물질들이, 형광체 대신에 사용될 수 있다. 특히, 적절한 물질들의 경우, 1차 발광 영역에 의해 방출된 파장에서의 k는 0.01보다 크고, 더 바람직하게 0.1보다 크며, 더 바람직하게는 1보다 크다. 텍스처링(texturing), 러프닝(roughening) 또는 세이핑(shaping)과 같이 발광 물질로부터 광을 추출하기 위한 수단이 제공될 수 있다.
효율적으로 광을 방출하는 파장 변환된 반도체 발광 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 실시예들은 제1 피크 파장(peak wavelength)을 가진 제1 광을 방출할 수 있는 반도체 발광 장치 및 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 가진 제2 광을 방출할 수 있는 반도체 파장 변환 요소를 포함한다. 상기 반도체 파장 변환 요소는 지지부에 부착되고 반도체 발광 장치에 의해 방출된 광의 경로에 배치된다. 상기 반도체 파장 변환 요소는 반도체 파장 변환 물질의 적어도 두 개의 제1 영역들과, 적어도 두 개의 제1 영역들 사이에 배치된 반도체 파장 변환 물질이 없는 적어도 하나의 제2 영역을 포함하기 위해 패터닝된다.
본 발명의 실시예들은, 제1 피크 파장을 가진 제1 광을 방출할 수 있는 반도체 발광 장치 및 상기 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 가진 제2 광을 방출할 수 있는 반도체 파장 변한 요소를 포함한다. 반도체 파장 변환 요소는 상기 반도체 발광 장치로부터 방출된 광의 경로에 배치되고, 반도체 파장 변환 물질의 적어도 두 개의 제1 영역들과, 적어도 두 개의 제1 영역들 사이에 배치된 반도체 파장 변환 물질이 없는 적어도 하나의 제2 영역을 포함하기 위해 패터닝된다. 파장 변환 요소는 적어도 하나의 제2 영역에 배치되는데, 상기 파장 변환 요소는 제1 광을 흡수하고 제3 피크 파장을 가지는 제3 광을 방출할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 제1 피크 파장을 가지는 제1 광을 방출할 수 있는 제1 발광 장치, 제2 피크 파장을 가지는 제2 광을 방출할 수 있는 제2 발광 장치를 포함한다. 제2 발광 장치는 제3 피크 파장을 가지는 제3 광을 방출할 수 있는 반도체 발광 장치 및 제3 광을 흡수하고 제2 광을 방출할 수 있는 반도체 파장 변환 요소를 포함한다.
반도체 파장 변환 요소는 양호한 컬러 렌더링 및 고 발광 출력을 위한 효율적이고 스펙트럼적으로 좁은 파장 변환을 제공할 수 있다.
도 1은 LED에 부착된 세라믹 형광체층을 포함하는 선행 기술 장치를 도시한 도면.
도 2는 박막 플립 칩 반도체 발광 장치를 도시한 도면.
도 3은 수직 반도체 발광 장치를 도시한 도면.
도 4는 반도체 파장 변환 요소, 선택적인(optional) 제2 파장 변환 요소 및 선택적인 광 추출 요소와 결합된 LED를 도시한 도면.
도 5는 반도체 파장 변환 요소의 일 실시예를 도시한 도면.
도 6은 백색광을 생성하기 위한 광원을 도시한 도면.
도 7은 패터닝된 반도체 파장 변환 요소를 포함하는 장치를 도시한 도면.
도 8은 지지부 멤버(support member) 상에 형성된 패터닝된 반도체 파장 변환 요소를 포함하는 장치를 도시한 도면.
도 9는 패턴으로 형성된 복수의 파장 변환 요소들을 포함하는 장치를 도시한 도면.
도 10은 형광체 및 반도체 파장 변환 요소의 방출 스펙트럼을 도시한 도면.
본 발명의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소는 반도체 발광 장치와 결합된다. 아래의 예에서는 반도체 발광 장치가 청색 또는 UV광을 방출하는 Ⅲ족 질화물 LED지만, 다른 Ⅲ-Ⅴ족 물질, Ⅲ족 인화물(Ⅲ-phosphide), Ⅲ족 비화물(Ⅲ-arsenide), Ⅱ-Ⅵ족 물질 또는 Si 기반의 물질과 같이 다른 물질 시스템들로부터 만들어진 레이저 다이오드들 및 반도체 발광 장치들과 같은, LED 외의 반도체 발광 장치들이 사용될 수 있다.
임의의 적합한 LED가 사용될 수 있다. 도 2 및 도 3은 적합한 LED(10)의 두 예를 도시한다. 도 2 및 도 3에 도시된 장치들을 만들기 위해, 성장 기판 위로 반도체 구조체(22)가 성장되었다. 반도체 구조체(22)는 n 타입 및 p 타입 영역 사이에 샌드위칭된(sandwiched) 발광 또는 활성 영역을 포함한다. n 타입 영역은 가장 먼저 성장될 수 있고 갖가지 조성과 도펀트 농도로 된 복수의 층을 포함할 수 있는데, 이러한 층들에는, 예를 들어 효율적으로 광을 방출하기 위한 발광 영역용으로 바람직한 특정 광학적 또는 전기적 특성을 위해 고안된 n 타입 또는 심지어 p 타입 소자층들과 그리고 n 타입이거나 의도적으로 도핑되지 않은 버퍼층 또는 핵형성층(nucleation layers)과 같은 예비층들(preparation layers)이 있다. 발광 또는 활성 영역은 n 타입 영역 위로 성장된다. 적합한 발광 영역들의 예는, 단일의 두껍거나 얇은 발광층, 또는 배리어층들과 분리된 복수의 얇거나 두꺼운 발광층들을 포함하는 복수의 양자 우물 발광 영역(quantum well light emitting region)을 포함한다. p 타입 영역은 그 다음 발광 영역 위로 성장될 수 있다. n 타입 영역과 마찬가지로, p 타입 영역은, 의도적으로 도핑되지 않은 층들 또는 n 타입층들을 포함해, 갖가지 조성, 두께 및 도펀트 농도로 된 복수의 층을 포함할 수 있다. p 콘택 금속(26)은 p 타입 영역 상에 배치되고, 그 다음 p 타입 영역 및 활성 영역의 부분들은, 도 2에 도시된 바와 같이 금속화(metallization)를 위해 n 타입층을 노출하기 위해 에칭될(etched away) 수 있다. 이 실시예의 p 콘택들(26) 및 n 콘택들(24)은 장치의 같은 쪽 상에 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 필수적인 것은 아니지만, p 콘택들(26)은 복수의 n 콘택 영역들(24) 사이에 배치될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, n 콘택(24)과 p 콘택(26) 둘 중 하나 또는 둘 모두 반사특성을 가질 수 있고, 도 2에 도시된 방향에서 장치의 최상단을 통해 광이 추출되도록 장치가 마운트된다. 몇몇의 실시예들에서, 콘택들은 규모가 제한되거나 투명하게 만들어질 수 있고, 콘택들이 형성된 표면을 통해 광이 추출되도록 장치가 마운트될 수 있다. 반도체 구조체는 마운트(28)에 부착된다. 성장 기판은 도 2에 도시된 바와 같이 제거될 수도 있고, 또는 성장 기판이 장치의 일부분으로 남을 수도 있다. 몇몇의 실시예에서, 성장 기판을 제거함으로써 노출된 반도체층이 패터닝되거나 러프닝되는데(roughened), 이는 장치로부터 광 추출을 향상시킬수 있다.
도 3에 도시된 수직 주입(vertical injection) LED에서, n 콘택은 반도체 구조체의 한 쪽 상에 형성되고 p 콘택은 반도체 구조체의 다른 쪽 상에 형성된다. 예를 들어, p 콘택(26)은 p 타입 영역 상에 형성될 수 있고, 장치는 p 콘택(26)을 통해 마운트(28)에 부착될 수 있다. 기판의 전부 혹은 일부분은 제거될 수 있고, n 콘택(24)은 기판의 일부분을 제거함으로써 노출된 n 타입 영역의 표면 상에 형성될 수 있다. n 콘택으로의 전기적 콘택은 도 3에서 도시된 바와 같이 와이어 본드(wire bond)로, 또는 임의의 다른 적합한 구조로 만들어질 수 있다.
반도체 파장 변환 요소는 LED(10)로부터 방출된 광의 경로에 배치된다. 반도체 파장 변환 요소는 장치 내에서 유일한 파장 변환 물질일 수도 있고, 또는 형광체들, 양자점들(quantum dots), 기타의 반도체 파장 변환 요소들 또는 백색광이나 다른 컬러들의 단색광(monochromatic light)을 만드는 염료들과 같은 여러가지 기타의 파장 변환 물질들과 결합할 수 있다. 여러가지 기타의 파장 변환 물질들은, 예를 들어 LED에 접착되거나 본딩되는 또는 LED로부터 공간을 두고 떨어져 있는 미리 형성된 세라믹 형광체이거나, LED 위에 스텐실되거나(stenciled), 스크린 또는 잉크젯 프린트되거나, 스프레이되거나, 세디먼트되거나(sedimented), 증발되거나, 스퍼터링되거나(sputtered) 또는 그렇지 않으면 디스펜스된(dispensed) 무기(inorganic) 또는 유기 인캡슐런트(encapsulant)에 배치된 분말 형광체 또는 양자점들일 수 있다. 파장 변환 물질들은 LED에 의해 방출된 광을 흡수하고 다른 파장의 광을 방출한다. LED에 의해 방출된 광의 전부 또는 오직 일부분이 파장 변환 물질들에 의해 변환될 수 있다. LED에 의해 방출된, 변환되지 않은 광은, 필요 없다 할지라도, 광의 최종 스펙트럼의 부분일 수 있다. 반도체 파장 변환 요소는 흡수한 광을 다른 파장의 광으로 효율적으로 변환할 수 있다. 반도체 파장 변환 요소에 의해 방출된 광은 종래의 형광체에 의해 방출된 광보다 더 좁은 스펙트럼 폭을 가질 수 있다. 더 좁은 스펙트럼 폭은, 특히 적색 발광 반도체 파장 변환 요소에 있어서, 양호한 컬러 렌더링과 고 발광 효율을 가진 백색광을 방출하는 장치들을 생성하는데 이롭다.
일반적인 조합들의 예는 황색 발광 파장 변환 물질과 결합된 청색 발광 LED, 녹색 및 적색 발광 파장 변환 물질들과 결합된 청색 발광 LED, 청색 및 황색 발광 파장 변환 물질과 결합된 UV 발광 LED, 및 청색, 녹색 및 적색 파장 변환 물질들과 결합된 UV 발광 LED를 포함한다. 광의 다른 컬러들을 방출하는 파장 변환 물질들이 장치로부터 방출되는 광의 스펙트럼을 조절하기 위해 추가될 수 있다. 적합한 파장 변환 물질들의 예는 (Lu,Y,Gd)3(AlGa)5O12:CePr, Lu3Al5O12:Ce3+, Y3Al5O12:Ce3+, (Sr,Ca,Ba)SixNyOz:Eu2+ ( x = 1.5 - 2.5, y = 1.5 - 2.5, z = 1.5 - 2.5), (Ba,Ca,Sr)3Si6O12N2:Eu2+, (Sr,Ca,Ba)2Si5N8:Eu2+ 및 SrSi2N202:Eu2+를 포함한다.
도 4는 LED(10) 및 반도체 파장 변환 요소(12)를 포함하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 반도체 파장 변환 요소(12)는 적어도 하나의 에피택셜 성장한 반도체층이다. n 및 p 콘택들을 통해 순방향 바이어스되는(forward biased) 경우 광을 방출하는 것을 의미하는, 전기적으로 펌핑되는 LED(10)의 활성 영역과 달리, 반도체 파장 변형 요소는 광학적으로 펌핑되는데, 이는 제1 파장의 광(LED(10)의 활성 영역으로부터의 광)을 흡수하고 그에 대응하여 제2의, 더 긴 파장의 광을 방출하는 것을 의미한다. 반도체 파장 변환 요소(12)는 전기적으로 수동이고 따라서 금속 콘택들에 연결될 필요가 없다. 대안적으로, 반도체 파장 변환 요소(12)는 전기적으로 도전성이 되도록 도핑될 수 있고, LED(10)의 n 또는 p 콘택의 전기적 도전 경로(electrical conduction path)의 부분일 수 있다.
반도체 파장 변환 요소(12)가 LED(10) 상 또는 분리된 성장 기판 상에 성장된다. 몇몇의 실시예들에서, 반도체 파장 변환 요소(12)가 LED(10)의 성장 및 프로세싱으로부터 독립된, 분리된 성장 기판 상에서 성장될 수 있다. 반도체 파장 변환 요소(12)는 선택적인 본딩층(11)에 의해 LED(10)에 본딩될 수 있고 또는 개입하는 본딩층 없이 LED(10)에 직접적으로 본딩될 수 있다. LED(10)에 또는 기계적 지지부를 위한 또 다른 구조체에 본딩한 후에, 반도체 파장 변환 요소(12)의 성장 기판이 장치의 부분으로 남을 수 있거나, 에칭, 연삭(grinding) 또는 레이저 멜팅(laser melting) 및 리프트 오프(lift-off)와 같은 임의의 적합한 기술들에 의해 제거될 수도 있다.
몇몇의 실시예들에서, 반도체 파장 변환 요소(12)는 단일 발광층이다. 도 5는 멀티-층 반도체 파장 변환 요소(12)를 도시한다. 도 5에 도시된 구조체에서, 세 개의 발광층(32)은 배리어층들(34)에 의해 분리된다. 발광층들(32)보다 많거나 적은 층들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 발광층들(32) 및 배리어층들(34)은 멀티 양자 우물 또는 초격자(superlattice) 구조를 형성할 수 있다. 발광층들(32) 및 배리어층들(34)은 두 개의 선택적인 크래딩(cladding) 또는 한정층들(confining layers; 30) 사이에 배치되어 있다. 한정층들(30)은 배리어층(34)과 같은 조성, 도핑 및 두께를 가질 수도 있고, 또는 다를 수도 있다. 몇몇의 실시예들에서, 반도체 파장 변환 요소(12)의 발광 영역(33)은, 예를 들어 이중 헤테로구조(heterostructure) 또는 단일 양자 우물 헤테로구조로서 두 개의 크래딩층들(30) 사이에 배치된 단일 발광층(32)이다.
반도체 파장 변환 요소(12)는, 한정층들(30) 및 배리어층들(34)과 같은 비-발광층들(non-light emitting layers)에서 흡수가 최소화되도록, 예를 들어 LED(10)으로부터의 광을 최소한의 손실로 효율적으로 변환하거나 전송하고 변환된 광의 출력을 최대화하기 위해 고안될 수 있다. 전 변환(total conversion)을 위해서, 손실을 최소화하고 변환의 효율을 최대화하면서, LED(10)에 의해 방출되고 반도체 파장 변환 요소(12) 상에 입사되는 모든 포톤들(photons; 예를 들어 UV, 청색, 녹색 및/또는 황색)이 흡수되어, 변환된 광(예를 들어 녹색, 황색 및/또는 적색)의 포톤들을 생성한다.
한정층(30), 배리어층(34) 및 발광층(32)은 모두 LED(10)로부터 광을 흡수할 수 있으나, 일반적으로 오직 발광층만이 광을 방출한다. 따라서, 몇몇의 실시예에서, 비-발광 한정층 및 배리어층의 두께에 비해 발광층의 두께를 최대화하는 것이 바람직하다. 반도체 파장 변환 요소의 총 두께는, x는 광 흡수 물질(반도체 파장 변환 요소)의 두께이고 α는 흡수 계수일 때, 베르의 법칙(Beer's Law)
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를 통해 파장 변환 요소에 의해 흡수되는 LED(10)로부터의 광의 양에 영향을 미친다. 만약 파장 변환 요소가 너무 두껍다면, LED(10)로부터의 어떠한 광도 통과하지 않을 것이다. 몇몇의 실시예들에서, 발광층은 비-방사 재결합 센터(non-radiative recombination centers)로서의 역할을 하는 결함(defects)을 포함한다. 발광층들이 너무 두꺼우면, 비-방사 재결합이 방사 재결합보다 우세할 수 있는데, 이는 반도체 파장 변환 요소의 효율을 바람직하지 않게 낮게 만든다. 게다가, 몇몇의 실시예에서, 한정층들은 캐리어 재결합을 위한 싱크(sinks)로서의 역할을 하는 표면들을 가진다. 한정층들이 너무 얇으면, 캐리어들이 발광층으로부터 빠져나가서, 이들이 비-방사적으로 재결합하는 한정층들의 표면에 확산할(diffuse) 수 있는데, 이는 반도체 파장 변환 요소의 효율을 감소시킨다.
반도체 파장 변환 요소의 표면 패시베이션(passivation)은 표면 상태들의 밀도를 감소시킬 수 있고 표면 재결합을 감소시킬 수 있다. 표면 패시베이션은, 높은 표면 재결합 속도(예를 들어, In0.5Al0.5P에 대해 대략 106cm/s정도)를 가질 수 있는 고 Al 함유(high-Al-content) 한정층들에 있어 특히 중요할 수 있다. 반도체 파장 변환 요소의 표면 패시베이션은 반도체 표면의 댕글링 본드들(dangling bonds) 및 결함들을 패시베이션할(passivate) 수 있고 표면 재결합을 감소시킬 수 있다. 적합한 표면 패시베이션 물질 및 기술의 예는, 예를 들어 (NH4)2Sx 처리로 도포된 황, 수소 패시베이션, 산소 패시베이션, 질소 패시베이션 및 자연 산화물 형성(native oxide formation)을 포함한다.
몇몇의 실시예에서, 예를 들어 한정층(30) 또는 배리어층(34)과 같이, 반도체 파장 변환 요소(12)에서의 적어도 하나의 비-발광층은 AlInGaP, AlInGaAs 또는 AlInP와 같은 알루미늄 함유 Ⅲ족 인화물 또는 Ⅲ족 비화물 물질이다. AlInGaP 또는 AlInP층들의 Al 함유는 높을 수 있다,(예를 들어, Al > 50%). 배리어층들(34) 및/또는 크래딩층들(30)은, 의도적으로 도핑되지 않거나 (예를 들어, 1018cm-3보다 적은 도펀트 농도로) 가볍게 n 도핑된 AlInGaP 또는 AlInP층들일 수 있다. 이러한 배리어층들(34) 및 크래딩층들(30)은 바람직하게는 얇은데, 예를 들어 몇몇의 실시예들에서 2000Å보다 작은 두께이고 몇몇의 실시예들에서는 1000Å보다 작다. 몇몇의 실시예들에서는, LED(10)에 가장 가까운 한정층(30)이 1000Å보다 작은 두께이다. LED(10)로부터 반대쪽의 한정층(30)은 더 두꺼울 수 있으며, 예를 들어 1㎛ 이상의 두께일 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 발광층(32)은 GaAs와 매칭되는 격자인 (AlxGa1-x)0.5In0.5P이다. 이러한 발광층들은 녹색부터 적색까지(x = 1에 대해 대략 5300Å 또는 2.33eV, x = 0에 대해 6600Å 또는 1.89eV) 파장 범위를 커버한다. GaAs에 대해 4% 격자 부정합(lattice mismatch)을 가진 GaP는, 예를 들어 한정층(30), 배리어층(34) 또는 발광층(32)으로 사용될 수 있다. 반도체 파장 변환 요소에서 모든 발광층의 총 두께는 몇몇의 실시예에서 10㎚와 3㎛ 사이, 몇몇의 실시예에서 20㎚와 1㎛ 사이, 몇몇의 실시예에서 최소한 10㎚, 몇몇의 실시예에서 50과 100㎚ 사이이다.
몇몇의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소(12) 중 적어도 하나의 발광층(32)은, 청색부터 적색까지(4600Å에서 6300Å까지)의 파장 범위를 커버하는, InP과 밀접하게 격자 매칭되는 CdMgZnSe과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체(compound semiconductor)이다. 적합한 발광층(32)의 예는, 참조로서 본원에 포함된 미합중국 출원 제 2007/0284565호에 서술되어 있다. Ⅱ-Ⅵ족 실시예에서, 한정층(30)은 그 조성이 펌프 파장에 투명하게 되도록 튜닝된다면(tuned) 더 두꺼워질 수 있는데, 예를 들어 Cd0.24Mg0.43Zn0.33Se은 2.9eV 또는 4280Å의 밴드갭을 가진다. 예를 들어, 배리어들(34)은 펌프를 흡수하도록 정확하게 튜닝될 수 있는데, 예를 들어 Cd0.35Mg0.27Zn0.38Se은 2.6eV 또는 4800Å의 밴드갭을 가진다. 발광층 또는 발광층들(32)은 원하는 변환된 파장에 대해 정확하게 튜닝될 수 있는데, 그럼으로써, 예를 들어 Cd0.33Zn0.67Se이 2.3eV 또는 5400Å으로 녹색을 방출하는 것부터 Cd0.70Zn0.30Se이 1.9eV 또는 655㎚로 적색을 방출하는 것까지 가능하다. 전술한 Ⅲ-Ⅴ족을 포함한 실시예와 같이, Ⅱ-Ⅵ족 파장 변환기는, 예를 들어 멀티 양자 우물 구조, 초격자, 단일 층, 이중 헤테로구조 또는 단일 양자 우물 헤테로구조인 발광 영역을 가질 수 있다.
몇몇의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소(12)는 구조체에 두께 및 기계적 강건성을 더하는 지지부(35)를 포함한다. 상대적으로 투명하거나 반투명하거나 산란성의 임의의 것, 또는 예를 들어 사파이어, 유리, SiC, ScAlMgO, ZnS, ZnSe, GaP, 세라믹, 세라믹 형광체, 유리 내의 형광체 또는 산란성의 물질, 또는 폴리머와 같은 파장 변환 물질이 사용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 반도체 파장 변환 요소의 총 두께는 20㎛ 이상일 수 있다. 다른 실시예들에서, 반도체 파장 변환 요소(12)의 총 두께는 5 ㎛ 이하일 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소(12)는 세라믹 형광체를 포함하는 지지부(35)를 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 지지부(35)는 렌즈와 같은 광학적 요소이다. 예를 들어, 지지부(35)는 반구형의 렌즈 또는 프레넬 렌즈일 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 예를 들어 지지부(35)가 렌즈라면, 지지부(35)의 지름은 LED(10)의 모서리 또는 대각선의 길이보다 더 클 수도 있다.
반도체 파장 변환 요소(12)는, LED(10)에 부착된 자립 구조(freestanding structure), 지지부(35), 또는 예를 들어 세라믹 형광체와 같은 또 다른 층 또는 물질일 수 있다. 반도체 파장 변환 요소 물질이 또한 쪼개지거나(cleaved), 부러지거나(broken), 갈아지거나(powdered), 갈려서(ground), 예를 들어 실리콘, 솔 겔, 또는 아래에 열거된 것과 같은 본딩 물질 또는 층과 같은 바인더에 추가될 수도 있다. 반도체 파장 변환 요소(12)는 양자점 또는 나노입자(nanoparticles)일 수도 있다.
본딩층(11)은 염화 납(lead chloride), 브롬화 납(lead bromide), 불화 칼륨(potassium fluoride), 불화 아연(zinc fluoride), 알루미늄, 안티몬, 비스무트, 붕소, 납, 리튬, 인, 칼륨, 규소, 나트륨, 텔루르, 탈륨, 텅스텐 또는 아연의 산화물, 또는 이들의 임의의 혼합물과 같은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 본딩층(11)은 또한 갈륨 비소(gallium arsenide), 질화 갈륨(gallium nitride), 갈륨 인화물(gallium phosphide) 및 인듐 갈륨 인화물(indium gallium phosphide)을 포함하나 이에 제한되지 않는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체들; 카드뮴 셀레나이드(cadmium selenide), 황화 카드뮴(cadmium sulfide), 카드뮴 텔루라이드(cadmium telluride), 황화 아연(zinc sulfide), 아연 셀레나이드(zinc selenide) 및 아연 텔루라이드(zinc telluride)를 포함하나 이에 제한되지 않는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체들; 게르마늄, 규소 및 탄화규소(silicon carbide)를 포함하나 이에 제한되지 않는 Ⅳ족 반도체들 및 화합물들; 알루미늄, 안티몬, 비소, 비스무트, 붕소, 카드뮴, 세륨, 크롬, 코발트, 구리, 갈륨, 게르마늄, 인듐, 인듐주석(indium tin), 납, 리튬, 몰리브덴, 네오디뮴, 니켈, 니오븀, 인(phosphorous), 칼륨, 규소, 나트륨, 텔루르, 탈륨, 티타늄, 텅스텐, 아연 또는 지르코늄의 산화물을 포함하나 이에 제한되지 않는 유기 반도체, 산화물, 금속 산화물 및 희토류 산화물; 비스무트 산염화물(bismuth oxychloride)과 같은 할로겐산화물(oxyhalide); 칼슘, 납, 마그네슘, 칼륨, 나트륨 및 아연의 불화물, 염화물, 브롬화물을 포함하나 이에 제한되지 않는 불화물, 염화물, 브롬화물; 인듐, 마그네슘, 주석, 아연을 포함하나 이에 제한되지 않는 금속들; 이트륨 알루미늄 가넷(YAG), 인 화합물, 비소 화합물, 안티몬 화합물, 질화물 화합물, 고 굴절 유기 화합물(high index organic compounds); 및 이들의 혼합물 또는 합금들도 또한 포함할 수 있다. 본딩층(11)의 굴절률은 몇몇의 실시예에서 1.5보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.6보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.7보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.8보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.9보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 2.0보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 2.1보다 크거나 몇몇의 실시예에서 2.2보다 클 수 있다.
본딩층(11)이, 에폭시와 같은 종래의 유기 기반 접착제를 실질적으로 포함하지 않을 수 있는데, 이는 이러한 접착제가 낮은 굴절률을 가지는 경향이 있기 때문이다. 본딩층(11)은, 또한 굴절률이 낮은 물질, 즉, LED 다이(LED die)의 방출 파장에서 약 1.5보다 작은 굴절률을 가지는 물질로부터 형성될 수도 있다. 예를 들어, 불화 마그네슘이 이러한 본딩 물질 중 하나이다. 낮은 굴절률 광학 유리, 에폭시 및 실리콘들이 또한 적합한 낮은 굴절률 본딩 물질일 수 있다.
본딩층(11)은 또한, Schott 유리 LaSFN35, LaFlO, NZK7, NLAF21, LaSFN18, SF59 또는 LaSF3, Ohara 유리 SLAH51 또는 SLAM60, 또는 이들의 혼합물들과 같은 유리 본딩 물질로부터 형성될 수도 있다. 본딩층(11)은 또한, 예를 들어 (Ge, As, Sb, Ga)(S, Se, Te, F, CI, I, Br) 칼코겐화물(chalcogenide) 또는 칼코겐 할로겐화 유리와 같은 고 굴절률 유리로부터 형성될 수도 있다. 유리 및 폴리머와 같은 낮은 굴절률 물질들이 사용될 수 있다. 실리콘 또는 실록산과 같은 높은 굴절률 수지와 낮은 굴절률 수지 모두 일본, 토쿄의 신에츠화학사(Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.)와 같은 제조사에서 이용가능하다. 실록산 백본의 곁 가지(side chains)는 실리콘의 굴절률을 변경하기 위해 수정될 수 있다.
본딩층(11)은, 증발, 스퍼터링, 화학적 증착, 디스펜싱, 프린팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅 또는 블레이드 코팅을 포함하여 임의의 적합한 방법에 의해 도포될(applied) 수 있다. 높은 굴절률 본딩 물질은, 유체 형태로 피착될(deposited) 수 있으며, 접속의 순간까지 유체로 남아있을 수도 있고, 또는 접속의 순간에 부분적으로 고형화되거나 젤 상태가 될 수도 있고, 또는 쉬운 접속이 가능하도록 가열되자마자 점착화되는 고체일 수도 있다. 고 굴절률 본딩 물질은, 젤화된 상태에서 경질수지(hard resin)까지의 범위를 가질 수 있는 고형화된 본딩을 형성하기 위해 반응할 수 있다.
몇몇의 실시예에서 선택적인 제2 파장 변환 요소(14)가 반도체 파장 변환 요소(12) 위에 배치된다. 선택적인 제2의 파장 변환 요소(14)는 전술된 파장 변환 물질들 중 임의의 것일 수 있다. 선택적인 본딩(15) 층이 반도체 파장 변환 요소(12)에 제2 파장 변환 요소(14)를 부착할 수 있고, 또는 반도체 파장 변환 요소(12) 및 제2 파장 변환 요소(14)가 중간 본딩층 없이 직접적으로 본딩되거나 이들이 서로 공간을 두고 떨어져 있을 수도 있다. 본딩층(15)은, 본딩층(11)에 대해 전술한 방법과 물질로부터 형성될 수 있다. 본딩층(15)은 본딩층(11)과 동일한 물질일 필요는 없다. 몇몇의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소(12) 및 제2 파장 변환 요소(14)의 위치는, 제2 파장 변환 요소(14)가 LED(10)와 반도체 파장 변환 요소(12) 사이에 배치될 수 있도록 뒤바뀔(reversed) 수 있다.
몇몇의 실시예들에서, LED(10)는 청색광을 방출하고, 반도체 파장 변환 요소(12)는 청색광을 흡수하고 적색광을 방출하며, 제2 파장 변환 요소(14)는 청색광을 흡수하고 황색 또는 녹색광을 방출하는 세라믹 형광판이다. 몇몇의 실시예에서, 최상단 파장 변환 요소(도 4에 도시된 구성에서 제2 파장 변환 요소(14))의 광 출구 표면(종종 최상단 표면임)은, 예를 들어 추가적인 포토리소그래피(photolithography) 또는 임프린팅(imprinting) 단계들을 포함하거나 포함하지 않는 에칭에 의해, 광 추출을 증가시킬 수 있도록 러프닝되거나 패터닝된다.
몇몇의 실시예에서, 선택적인 광 추출 요소(16)는 최상단 파장 변환 요소 위에 배치된다. 광 추출 요소(16)의 예는, 러프닝되거나 패터닝된 최상단 및/또는 최하단 표면을 가진 블록 또는 판, 또는 렌즈와 같은 광학적인 요소를 포함한다. 몇몇의 실시예에서, 광 추출 요소(16)는 제2 파장 변환 요소(14), 반도체 파장 변환 요소(12) 또는 LED(10)와 밀접히 매칭되는 굴절률을 가진다. 선택적인 본딩층(17)이 최상단 파장 변환 요소에 광 추출 요소(16)를 부착할 수 있고, 또는 최상단 파장 변환 요소 및 광 추출 요소(16)가 중간 본딩층 없이 직접적으로 본딩되거나 서로 공간을 두고 떨어져 있을 수도 있다. 본딩층(17)은 본딩층(11)에 대해 전술한 방법과 물질로부터 형성될 수 있다. 본딩층(17)은 본딩층(11) 및/또는 본딩층(15)과 동일한 물질일 필요는 없다. 몇몇의 실시예에서, 본딩층(17)의 굴절률은 제2 파장 변환 요소(14) 또는 LED(10)와 밀접히 매칭된다. 광 추출 요소(16)와 본딩층(17), 본딩층(11) 또는 본딩층(15)의 굴절률은 몇몇의 실시예에서 1.5보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.6보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.7보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.8보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 1.9보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 2.0보다 크거나, 몇몇의 실시예에서 2.1보다 크거나 몇몇의 실시예에서 2.2보다 클 수 있다. 광 추출 요소(16)와 본딩층(17)의 굴절률은 몇몇의 실시예에서 2.4 이하일 수 있거나 몇몇의 실시예에서 3.5 이하일 수도 있다. 몇몇의 실시예에서, 광 추출 요소(16)는 LED(10)보다 더 클 수도 있고 LED(10)의 모서리를 넘어서 확장할 수도 있다. 예를 들어, 광 추출 요소(16)가 렌즈라면, 렌즈의 지름은 LED(10)의 모서리 또는 대각선의 길이보다 더 클 수도 있다.
몇몇의 실시예에서, LED(10), 반도체 파장 변환 요소(12) 및 제2 파장 변환 요소(14) 중 하나 또는 몇몇의 또는 전부의 최상단 표면이, 예를 들어 기계적 연마(mechanical polishing), 건식 에칭, 광전기화학적 에칭(photoelectrochemical etching), 몰딩, 연삭(grinding), 머시닝(machining), 스탬핑, 핫 스탬핑 또는 화학적 연마에 의해 러프닝되거나 텍스처링되거나 패터닝된다.
몇몇의 실시예에서, 본딩층(11, 15 및 17) 중 하나 이상이 LED(10)의 활성 영역에 의해 방출되는 파장의 광을 다른 파장으로 변환하는 발광 물질을 포함한다. 발광 물질은 종래의 형광체 입자, 유기 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, Ⅱ-Ⅵ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체의 양자점 또는 나노크리스탈, 염료, 폴리머, 또는 발광성(luminesce) GaN와 같은 물질일 수 있다. 만약 본딩층이 종래의 형광체 입자를 포함한다면, 본딩층은, 전형적으로 대략 5미크론에서 대략 50미크론의 크기를 가지는 입자를 수용할만큼 충분히 두꺼워야 한다.
몇몇의 실시예에서, 반도체 파장 변환 요소(12)는 도 7,8 및 9에서 도시된 바와 같이 패터닝된다. 예를 들어, 반도체 파장 변환 요소(12)는 반도체 파장 변환 물질의 적어도 두 개의 제1 영역, 및 제1 영역들 사이에 배치되고 반도체 파장 변환 물질이 없는 적어도 하나의 제2 영역을 포함하도록 패터닝될 수 있다.
도 7에 도시된 장치에서, 반도체 파장 변환 요소(12)가 파장 변환 물질의 영역(46) 및 파장 변환 물질이 없는 영역(48)을 형성하기 위해 패터닝된다. 반도체 파장 변환 요소(12)는, 예를 들어 스텐실이나, 스크린 또는 잉크젯 프린트에 의해 오직 특정한 영역에서만 선택적으로 형성될 수도 있고, 또는 예를 들어 종래의 리소그래픽(lithographic) 기술에 의해 물질의 연속적인 시트에서 영역(48)을 제거함으로써 형성될 수도 있다. 파장 변환된 광은 영역(46)에 의해 방출되고, LED(10)로부터 변환되지 않은 광은 영역(48)에서 방출된다. 도 7에 도시된 장치의 일례에서, 결합된 광이 백색으로 보이도록 LED(10)는 청색광을 방출하고 영역(46)은 황색광을 방출한다. 도 7에 도시된 장치의 또 다른 예에서, LED(10)는 청색광을 방출하고 영역(46)은 황색 또는 녹색광을 방출하며, 이 장치는, 도 7의 장치로부터 서로 공간을 두고 떨어져 있는 적색 방출 파장 변환 멤버와 결합한다. 도 7에 도시된 장치의 또 다른 예에서, LED(10)는 청색광을 방출하고, 영역(46)은 적색광을 방출하며, 이 장치는 도 7의 장치로부터 서로 공간을 두고 떨어져 있는 황색 또는 녹색 방출 파장 변환 멤버와 결합한다. 청색광과 황색 또는 녹색광에 적색광을 추가하여 더 따뜻한 백색광을 제공할 수 있고, 적색광이 없는 장치보다 더 양호한 컬러 렌더링을 제공할 수 있다.
도 8에 도시된 장치에서, 패터닝된 반도체 파장 변환 요소(12)는 선택적인 지지부 멤버(51) 상에 형성된다. 패터닝된 반도체 파장 변환 요소(12)는 파장 변환 물질의 영역(46) 및 다른 물질의 영역(50)을 포함한다. 몇몇의 실시예에서 영역(50)은 투명하거나 반투명하거나 영역(46)들 사이의 갭을 메우는 실리콘과 같은 산란성의 물질이다. 몇몇의 실시예에서, 영역(50)은 다른 컬러의 광을 방출하는 기타의 파장 변환 물질이다. 영역(50)은, 또 다른 반도체 파장 변환 물질이거나 형광체와 같은 또 다른 반도체 파장 변환 물질일 수 있다. 예를 들어, 영역(46)은 황색 또는 녹색광을 방출할 수 있고, 영역(50)은 적색광을 방출할 수 있는데, 그 역도 가능하다. 지지부 멤버는, 예를 들어 세라믹 형광체와 같은 또 다른 파장 변환 요소 또는 전술된 비-파장 변환 지지부 멤버일 수 있다. 도 8에 도시된 장치의 일례에서, 지지부 멤버(51)는 황색 또는 녹색광을 방출하는 세라믹 형광체이고, 영역(46)은 적색광을 방출하는 반도체 파장 변환 요소이다. 이 예에서, 영역(50)은 투명한 물질이거나 또는 영역들(46) 사이의 갭을 남겨둔 채 생략된다. 예를 들어, 백색광을 형성하기 위해, LED(10)에 의해 방출되는 청색광은, 세라믹 형광체(51)에 의해 방출되는 황색 또는 녹색광, 및 반도체 파장 변환 요소(12)에 의해 방출되는 적색광과 결합할 수 있다. 또 다른 예에서, 백색광을 형성하기 위해, LED(10)에 의해 방출되는 청색광은, 반도체 파장 변환 요소(12)에 의해 방출되는 황색 또는 녹색광, 및 세라믹 형광체(51)에 의해 방출되는 적색광과 결합할 수 있다. 또 다른 예에서, 백색광을 형성하기 위해, LED(10)에 의해 방출되는 UV광은, 세라믹 형광체(51)에 의해 방출되는 청색광, 및 반도체 파장 변환 요소(12)에 의해 방출된 황색 또는 녹색광과 결합할 수 있다. 지지부(51)는, 도 8에 도시된 바와 같이 LED(10)와 패터닝된 반도체 파장 변환 요소(12) 사이에 있을 수도 있고, 또는 패터닝된 반도체 파장 변환 요소(12)를 사이에 두고 LED(10)로부터 반대 쪽에 있을 수도 있다.
도 9에 도시된 장치에서, 패터닝된 반도체 파장 변환 요소(12)는 세 개의 다른 영역(50, 52 및 54)을 포함한다. 몇몇의 실시예에서, 영역(50, 52 및 54) 세 개 모두 서로 다른 파장 변환 물질인데, 그 중 적어도 하나는 반도체이다. 몇몇의 실시예에서, 영역(50, 52 및 54) 중 두 개는 서로 다른 파장 변환 요소이고, 영역(50, 52 및 54) 중 세 번째는 비-파장 변환 투명 또는 반투명 물질이거나 상기 영역(50, 52 및 54) 중 두 개 사이에 어떤 물질도 없는 갭이다. 몇몇의 실시예에서, 오직 두 개의 서로 다른 파장 변환 물질의 두 타입의 영역만이 포함되고 제3 타입의 영역은 생략된다. 도 9에 도시된 장치의 일례에서, LED(10)는 청색광을 방출하고, 영역들(52 및 54) 중 하나가 반도체 파장 변환 물질이고, 영역(52)은 적색광을 방출하는 형광체 또는 반도체 물질이고, 영역(54)은 황색 또는 녹색광을 방출하는 형광체 또는 반도체 물질이고, 영역(50)은 생략된다. 도 9에 도시된 장치의 또 다른 예에서, LED(10)는 청색광을 방출하고, 영역들(52 및 54) 중 하나가 반도체 파장 변환 물질이고, 영역(52)은 적색광을 방출하는 형광체 또는 반도체 물질이고, 영역(54)은 황색 또는 녹색광을 방출하는 형광체 또는 반도체 물질이고, 영역(50)은 LED(10)로부터의 청색광이 변환되지 않고 빠져나가게 하는 투명한 물질 또는 갭이다.
도 7, 8 및 9에 도시된 패터닝된 반도체 파장 변환 요소가 본원에 서술된 발명의 임의의 다른 특징들과 결합할 수 있다. 도 7, 8 및 9에 도시된 패터닝된 반도체 파장 변환 요소가, 도시된 바와 같이 LED(10) 상에 배치되기보다 LED(10)로부터 공간을 두고 떨어져 있을 수 있다.
도 6은 백색광 생성용 광원을 도시한다. 적색광을 생성하는 장치(41)는, 녹색광을 생성하는 장치(42) 및 청색광을 생성하는 장치(43)와 결합한다. 장치(41, 42 및 43) 중 임의의 것 또는 전부는 전술된 장치 중 임의의 것일 수 있고 전술된 특징 중 일부 또는 전부를 포함할 수도 있다. 녹색 및 청색광을 생성하는 장치(42 및 43)는, 예를 들어 Ⅲ족 질화물 발광 다이오드일 수 있다. 이러한 다이오드로부터의 광은 파장 변환된 것일 수도 아닐 수도 있다. 예를 들어, 녹색광을 생성하는 장치(42)는 녹색 파장 변환 요소와 결합한 청색 또는 UV 발광 LED일 수 있다. 적색광을 생성하는 장치(41)가 적색광을 방출하는 반도체 파장 변환 요소와 결합한 LED를 포함하고 도 4 및 도 5를 참조하여 전술된 것과 같을 수 있다. LED가 녹색, 청색 또는 UV광을 방출할 수도 있다. 반도체 파장 변환 요소는, 장치(41)로부터의 광이 적색으로 보이도록, LED로부터 방출된 충분한 광이 변환되도록 구성된다. 몇몇의 실시예에서, 장치(41, 42 및 43) 모두는 플립 칩이다.
도 6의 몇몇의 실시예에서, 장치(43)는 생략된다. 예를 들어, 장치(41)는, 장치(42)에 의해 방출되는 황색 또는 녹색광과 결합되는 청색광을 방출한다. 장치(42)는, 황색 또는 녹색광을 방출하는 형광체, 세라믹 형광체 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합되는 청색 방출 LED일 수 있다. LED로부터의 청색광은, 장치(42)에 의해 방출된 광의 스펙트럼에 존재할 수도 존재하지 않을 수도 있다. 또 다른 예에서, 청색광을 방출하는 장치(41) 및 황색 또는 녹색광을 방출하는 장치(42)는, 백색광원을 생성하기 위해 적색 방출 형광체, 세라믹 형광체 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합한다. 또 다른 예에서, 황색 또는 녹색 방출 장치(41)는, 백색 광원을 생성하기 위해 적색 및 청색 방출 장치(42)와 결합한다. 황색 또는 녹색 방출 장치(41)는, Ⅲ족 질화물 또는 Ⅲ족 인화물 발광층에 의해 직접적으로 황색 또는 녹색광을 생성하는 LED일 수도 있고, 황색 또는 녹색 방출 형광체, 세라믹 형광체 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합되는 청색 방출 LED일 수 있다. 적색 및 청색 방출 장치(42)는, 적색 방출 형광체, 세라믹 형광체, 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합되는 청색 발광 LED일 수 있다. 또 다른 예에서, 적색 방출 장치(41)는, 백색 광원을 생성하기 위해 황색 또는 녹색, 및 청색 방출 장치(42)와 결합할 수 있다. 적색 방출 장치(41)는, 적색광을 직접적으로 생성하는 LED일 수 있고, 또는 적색 방출 형광체, 세라믹 형광체, 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합되는 청색 발광 LED일 수도 있다. 황색 또는 녹색, 및 청색 방출 장치(42)는, 황색 또는 녹색 방출 형광체, 세라믹 형광체 또는 반도체 파장 변환 요소와 결합되는 청색 방출 LED일 수 있다.
청색, 녹색 또는 황색 방출 LED와 결합되는, 적색광을 방출하는 반도체 파장 변환 요소의 사용은, 종래의 형광체로 생성하기 어려운 스펙트럼적으로 좁은 적색 광을 생산하기 위해 이용될 수 있다. 스펙트럼적으로 좁은 적색 소스는, 효율적이고 양호한 컬러 렌더링을 가지는 백색 광원에서 사용될 수 있다. 도 10은 적색 형광체 및 반도체 파장 변환 요소의 스펙트럼을 도시한다. 도 10 상에서 두꺼운 선은, 약 100㎚의 반치 전폭(FWHM: full width half maximum)을 가지는 적색 니트리도실리케이트 형광체의 방출 스펙트럼이다. 도 10 상에서 가는 선은 약 25㎚ 이하의 FWHM을 가지는 적색 방출 반도체 파장 변환 요소의 방출 스펙트럼이다.
본원에 서술된 반도체 파장 변환 요소 및 반도체 발광 장치의 조합은 현재 형광체가 행할 수 없는 바람직한, 좁은 스펙트럼 폭을 가진 적색광을 효율적으로 방출할 수 있다. 적색광을 생성할 때 형광체의 제한 때문에, 종래의 백색 광원은 서로 다른 물질 시스템들로 된 장치들을 종종 결합하는데, 예를 들어 적색광 생성용의 Ⅲ족 인화물 또는 Ⅲ족 비화물 장치를 청색광 및 녹색광 생성용의 Ⅲ족 질화물 장치와 결합하는 경우가 있을 수 있다. 서로 다른 물질 시스템의 장치는, 전류(드룹: droop) 또는 온도(뜨겁고/ 차가운 요소)에 따른 효율, 순방향 전압, 순방향 및 역방향 전류 용량, 열 방출(heat dissipation) 및 온도 핸들링 능력(temperature handling capabilities)과 같은 서로 다른 오퍼레이팅 특성 및 구성을 가질 수도 있다. 게다가 문제는, 서로 다른 사이즈의 풋 프린트, 서로 다른 사이즈의 칩 및 플립 칩이 달린 수직 칩과 같이 서로 다른 기하학적 구조의 장치들을 혼합하는 것으로부터 초래될 수 있다. 그에 반해, 본 발명의 실시예에서, 백색 광원은 오직 Ⅲ족 질화물 장치들만으로부터 형성될 수 있다. 스펙트럼적으로 좁은 적색광은, 반도체 파장 변환 요소와 결합하는 Ⅲ족 질화물 장치에 의해 생성될 수 있다. 이러한 광원은 최적의 컬러, 효율 및 오퍼레이팅 특성으로 형성될 수 있다.
본 발명을 상세히 서술하였는바, 당업자는 본 개시가 있으면, 본원에 서술된 발명의 개념의 의미에서 벗어나지 않고 본 발명에 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위가 도시되고 서술된 구체적 실시예로 제한되는 것은 결코 아님을 밝혀둔다.

Claims (20)

  1. 구조체로서,
    제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하도록 구성된 발광층; 및
    상기 발광층 위에 있고 상기 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장을 갖는 제2 광을 방출하도록 구성된 제1 파장 변환 물질을 포함하고, 상기 제1 파장 변환 물질은,
    제1 세그먼트와 제2 세그먼트; 및
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트를 분리하는 갭을 포함하고, 상기 갭은 상기 제1 광을 흡수하고 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출하도록 구성된 제2 파장 변환 물질을 포함하는, 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광층의 제1 표면 위의 제1 크래딩층 및 상기 발광층의 제2 표면 위의 제2 크래딩층을 더 포함하고, 상기 제2 표면은 상기 제1 크래딩층으로부터 먼 쪽에 있고, 상기 제1 및 제2 크래딩층은 상기 발광층 내에 캐리어들을 한정할 수 있을 정도의 크기의 밴드갭을 갖는, 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 피크 파장은 적색인, 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 물질 또는 상기 제2 파장 변환 물질 중 적어도 하나는 적어도 하나의 발광층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 발광층은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 중 하나인, 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 물질 및 상기 제2 파장 변환 물질에 부착된 지지부를 더 포함하고, 상기 지지부는 제4 피크 파장을 갖는 제4 광을 방출하도록 구성된, 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 지지부는 세라믹이고, 투명성, 반투명성, 또는 산란성 세라믹 중 적어도 하나를 포함하는, 구조체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 지지부는 렌즈인, 구조체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 렌즈는 반구형 렌즈 및 프레넬 렌즈 중 하나인, 구조체.
  9. 제7항에 있어서, 상기 렌즈의 지름은 상기 구조체를 포함하는 발광 장치의 대각선보다 큰, 구조체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제3 피크 파장은 녹색 또는 황색 중 하나인, 구조체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 물질 또는 상기 제2 파장 변환 물질 중 적어도 하나의 표면은 텍스처링되거나 러프닝되어 있는, 구조체.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 물질 및 상기 제2 파장 변환 물질 내의 발광층의 총 두께는 50㎚와 100㎚ 사이인, 구조체.
  13. 제5항에 있어서, 적어도 하나의 본딩층을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 본딩층은 상기 발광층과 상기 제1 파장 변환 물질 사이의 계면 및 상기 제1 파장 변환 물질과 상기 지지부 사이의 계면 중 하나에 배치되는, 구조체.
  14. 제13항에 있어서, 상기 본딩층은 산화물인, 구조체.
  15. 구조체로서,
    제1 피크 파장을 갖는 제1 광을 방출하도록 구성된 발광층;
    상기 발광층 위에 있고 표면 재결합을 감소시키도록 구성된 패시베이션된 표면을 갖는 파장 변환 물질 - 상기 파장 변환 물질은 상기 제1 광을 흡수하고 제2 피크 파장의 제2 광을 방출하도록 구성되고, 상기 파장 변환 물질은,
    제1 세그먼트와 제2 세그먼트; 및
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트를 분리하는 갭을 포함하고, 상기 갭은 투명성 물질, 산란성 물질, 또는 반투명성 물질 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 갭은 상기 제1 광을 수신 및 방출하도록 구성됨 -; 및
    상기 파장 변환 물질에 부착된 지지부를 포함하고, 상기 지지부는 제3 피크 파장을 갖는 제3 광을 방출하도록 구성되는, 구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발광층의 제1 표면 위의 제1 크래딩층 및 상기 발광층의 제2 표면 위의 제2 크래딩층을 더 포함하고, 상기 제2 표면은 상기 제1 크래딩층으로부터 먼 쪽에 있고, 상기 제1 및 제2 크래딩층은 상기 발광층 내에 캐리어들을 한정할 수 있을 정도의 크기의 밴드갭을 갖는, 구조체.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 발광층은, 제1 및 제2 발광층, 및 상기 제1 및 제2 발광층 사이에 있고 상기 제1 및 제2 발광층과 직접 접촉하는 배리어층을 포함하는, 구조체.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 지지부는 세라믹 형광체를 포함하는, 구조체.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 지지부는 렌즈인, 구조체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 렌즈는 반구형 렌즈 및 프레넬 렌즈 중 하나인, 구조체.
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