多色ＬＥＤおよび関連半導体デバイス
【課題】多色、白色または近白色光を放射可能なＬＥＤデバイスの提供。
【解決手段】ｐｎ接合１０内に位置する第１のポテンシャル井戸１２と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸４とを備える半導体デバイスが提供される。ポテンシャル井戸は量子井戸であり得る。半導体デバイスは通常、ＬＥＤであるとともに、白色または近白色光ＬＥＤであり得る。半導体デバイスはｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸８をさらに備え得る。半導体デバイスは第２または第３の量子井戸の周囲の、または近接するまたは直接隣接する吸収層３，５，７，９をさらに備え得る。さらに半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイおよび照明装置が提供される。
【解決手段】ｐｎ接合１０内に位置する第１のポテンシャル井戸１２と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸４とを備える半導体デバイスが提供される。ポテンシャル井戸は量子井戸であり得る。半導体デバイスは通常、ＬＥＤであるとともに、白色または近白色光ＬＥＤであり得る。半導体デバイスはｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸８をさらに備え得る。半導体デバイスは第２または第３の量子井戸の周囲の、または近接するまたは直接隣接する吸収層３，５，７，９をさらに備え得る。さらに半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイおよび照明装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は「白色」または多色ＬＥＤを始めとするＬＥＤであり得る、ポテンシャル井戸構造、通常、量子井戸構造を備える半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は電流がアノードとカソードとの間に通された場合に発光する固体状態半導体デバイスである。従来のＬＥＤは単一ｐｎ接合を含む。ｐｎ接合は中間非ドープ領域を含み得る。このタイプのｐｎ接合はｐｉｎ接合とも称され得る。非発光半導体ダイオードと同様に従来のＬＥＤは一方向、すなわち電子がｎ領域からｐ領域に移動する方向により容易に電流を通す。電流がＬＥＤ内を「順」方向に通る場合、ｎ領域からの電子はｐ領域からのホールと再結合して光の光子を生成する。従来のＬＥＤにより放射された光は外見が単色である、すなわち波長の単一の狭帯域で生成される。放射された光の波長は、電子−ホール対の再結合と関連するエネルギーに相当する。最も簡単な場合、そのエネルギーは再結合が発生する半導体のほぼバンドギャップエネルギーである。
【０００３】
従来のＬＥＤはｐｎ接合において、高濃度の電子およびホールを両方とも捕獲する、１つまたは複数の量子井戸をさらに含み、光生成再結合を増強し得る。
【０００４】
何人もの研究者が白色光、または人間の目の３色知覚に白色に見える光を放射するＬＥＤデバイスを作製しようとしてきた。
【０００５】
何人もの研究者が、多数の量子井戸が異なる波長で光を放射することを目的とした、ｐｎ接合内に多数の量子井戸を有するＬＥＤの意図的設計および製造を報告している。以下の参照文献はこのような技術に関連し得るが、それは米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，３０３，４０４号明細書、米国特許第６，５０４，１７１号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、ダミラノ（Ｄａｍｉｌａｎｏ）ら著、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多数の量子井戸によるモノリシック白色光発光ダイオード（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ）日本、日本応用物理学会誌、第４０巻（２００１年）ｐｐ．Ｌ９１８〜Ｌ９２０、山田ら著、ＩｎＧａＮ多数量子井戸で構成された蛍光体のない高発光効率白色発光ダイオード（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ Ｈｉｇｈ−Ｌｕｍｉｎｏｕｓ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＩｎＧａＮ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）日本、日本応用物理学会誌、第４１巻（２００２年）ｐｐ．Ｌ２４６〜Ｌ２４８、ダルマッソ（Ｄａｌｍａｓｓｏ）ら著、蛍光体のないＧａＮによる白色発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス・スペクトルの注入依存性（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ ＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）、ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１９２、第１号、１３９−１４２（２００３年）である。
【０００６】
何人かの研究者が単一の装置内で異なる波長での独立発光を目的とする、２つの従来のＬＥＤを結合したＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。以下の参照文献はこのような技術に関連し得るが、それは米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、米国特許出願公開第２００２／００４１１４８Ａ１号明細書、米国特許出願公開第２００２／０１３４９８９Ａ１号明細書、およびルオ（Ｌｕｏ）ら著、フルカラーおよび白色発光体用パターン化３色ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ量子井戸構造（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｏｒ ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｆｕｌｌ−ｃｏｌｏｒ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｅｒｓ）、応用物理学術誌、第７７巻、第２６号、４２５９〜４２６１頁（２０００年）である。
【０００７】
何人かの研究者が、ＬＥＤ素子によって放射された光の一部分を吸収するとともにより長い波長の光を再放射することを目的とした、従来のＬＥＤ素子をイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などの化学蛍光体と結合した、ＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。米国特許第５，９９８，９２５号明細書および米国特許第６，７３４，４６７号明細書はこのような技術に関連し得る。
【０００８】
何人かの研究者が、ＬＥＤ素子によって放射された光の一部分を吸収するとともにより長い波長の光を再放射することを目的とした、基板内に蛍光発光中心を生成するためにＩ、Ａｌ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＧａまたはＩｎでｎドープされたＺｎＳｅ基板上に成長したＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。米国特許第６，３３７，５３６号明細書および日本特許出願公開第２００４−０７２０４７号公報はかかる技術に関連し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
簡単に言えば本発明は、ｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイスを提供する。ポテンシャル井戸は通常、量子井戸である。半導体デバイスは通常、ＬＥＤである。半導体デバイスはｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸をさらに備え得る。半導体デバイスは第２の量子井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する吸収層をさらに備え得る。通常、吸収層は第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する。半導体デバイスは第３の量子井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する他の吸収層をさらに備え得る。通常、第２の吸収層は第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第３のポテンシャル井戸の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する。
【００１０】
一実施形態において、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは緑色、青色または紫色の可視光、より典型的には青色または紫色可視光に相当し、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは黄色、緑色または青色可視光、より典型的には黄色または緑色可視光に相当し、さらに第３のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは赤色、橙色または黄色可視光、より典型的には赤色または橙色に相当する。他の実施形態において第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは紫外光に相当するとともに、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは可視光に相当する。他の実施形態において第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは可視光に相当するとともに、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは赤外光に相当する。
【００１１】
他の態様において本発明は、本発明による半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイを提供する。
【００１２】
他の態様において本発明は、本発明による半導体デバイスを備える照明装置を提供する。
【００１３】
本出願において、
半導体デバイス内の層のスタックに関して、「直接隣接する」とは介在層がなく連続して隣接することを意味し、「近接する」とは数層の介在層を有して連続して隣接することを意味し、さらに「周囲の」とは連続の前後両方を意味するものであり、
「ポテンシャル井戸」とは、周囲層より低いバンドギャップエネルギー、または周囲層より高い価電子帯エネルギー、もしくはその両方を有する半導体デバイス内の半導体層を意味し、
「量子井戸」とは、量子化効果が井戸内の電子−ホール対の遷移エネルギーを増加させるために十分に薄い、通常、１００ｎｍ以下の厚さを有するポテンシャル井戸を意味し、
「遷移エネルギー」とは電子−ホール再結合エネルギーを意味し、
「格子整合する」とは、基板上のエピタキシャルフィルムなどの２つの結晶材料に関して、分離して考えた場合、各材料が格子定数を有すること、およびこれらの格子定数が実質的に同等、通常、互いに０．２％以下異なる、より典型的には互いに０．１％以下異なる、さらに最も典型的には互いに０．０１％以下異なることを意味し、
「擬似格子整合する（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）」とは、エピタキシャルフィルムと基板のような、所与の厚さの第１の結晶層と第２の結晶層に関して、分離して考えた場合、各層が格子定数を有すること、およびこれらの格子定数が実質的に同じであり、所与の厚さの第１の層が、実質的に不整合欠陥を生成することなく、層の平面内に第２の層の格子間隔を採用することができることを意味する。
【００１４】
ｎドープおよびｐドープ半導体領域を備える、本明細書で説明する、本発明のいずれの実施形態に対しても、ｎドーピングをｐドーピングおよびその逆のさらなる実施形態が本明細書に開示されたものとして考えられるということが理解できよう。
【００１５】
「ポテンシャル井戸」、「第１のポテンシャル井戸」、「第２のポテンシャル井戸」および「第３のポテンシャル井戸」の各々が本明細書で引用される場合、単一ポテンシャル井戸を設け得る、または通常、同様な特性を共有する多数のポテンシャル井戸を設け得るということは理解できよう。同様に「量子井戸」、「第１の量子井戸」、「第２の量子井戸」および「第３の量子井戸」の各々が本明細書で引用される場合、単一量子井戸を設け得る、または通常、同様な特性を共有する多数の量子井戸を設け得るということは理解できよう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のある実施形態の利点は、多色、白色または近白色光を放射可能なＬＥＤデバイスを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による構成の半導体の伝導帯および価電子帯のフラット・バンド図である。層厚さは一定の縮尺で表わされてはいない。
【図２】様々なＩＩ−ＶＩ族二元化合物およびその合金に対する格子定数とバンドギャップエネルギーとを示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態によるデバイスから放射する光のスペクトルを表わすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明はｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸とｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイスを提供する。ポテンシャル井戸は通常、量子井戸である。半導体デバイスは通常、ＬＥＤである。ＬＥＤは通常、２つの波長の光、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する１つの光および第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する第２の光を放射可能である。典型的な動作において第１のポテンシャル井戸は、ｐｎ接合を流れる電流に応じて光子を放射するとともに、第２のポテンシャル井戸は、第１のポテンシャル井戸から放射された光子の一部分の吸収に応じて光子を放射する。半導体デバイスは第２のポテンシャル井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する１つまたは複数の吸収層をさらに備え得る。吸収層は通常、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第２のポテンシャル井戸より大きいバンドギャップエネルギーを有する。典型的な動作において吸収層は第１のポテンシャル井戸から放射された光子の吸収を助ける。半導体デバイスは、ｐｎ接合内に位置するまたはｐｎ接合内に位置しないさらなるポテンシャル井戸と、さらなる吸収層とを備え得る。
【００１９】
本発明による半導体デバイスは、ＳｉまたはＧｅ（発光層内以外）などのＩＶ族元素、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、およびそれらの合金などのＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳおよびそれらの合金などのＩＩ−ＶＩ族化合物、または上記のうちのいずれかの合金を始めとする任意の適当な半導体で構成され得る。必要に応じて半導体は任意の適当な方法によりまたは任意の適当なドーパントの含有により、ｎドープまたはｐドープされ得る。
【００２０】
本発明による半導体デバイスは基板を含み得る。任意の適当な基板を本発明の実施で用い得る。典型的な基板材料には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｂおよびＩｎＡｓがある。最も典型的には基板はＩｎＰである。基板は任意の適当な方法によりまたは任意の適当なドーパントの含有により達成し得る、ｎドープ、ｐドープ、または半絶縁性であり得る。代替的には本発明による半導体デバイスは基板がなくてもよい。一実施形態において本発明による半導体デバイスを基板上に形成した後、基板から分離し得る。
【００２１】
本発明の一実施形態において、半導体デバイスの様々な層の組成は以下のことを考慮して選択される。各層は通常、その層の所与の厚さにおいて基板に擬似格子整合するか、または基板に格子整合する。代替的には各層は直接隣接する層に擬似格子整合または格子整合し得る。量子井戸層材料および厚さは通常、量子井戸から放射される光の波長に対応する所望の遷移エネルギーを提供するように選択される。例えば図２内に４６０ｎｍ、５４０ｎｍおよび６３０ｎｍと標識付けされた点は、ＩｎＰ基板のものに近い格子定数（５．８６８７オングストロームまたは０．５８６８７ｎｍ）と、４６０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）および６３０ｎｍ（赤色）に相当するバンドギャップエネルギーとを有するＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を表わす。量子化が井戸内のバルクバンドギャップエネルギーを超えて遷移エネルギーを上昇させるようにポテンシャル井戸層が十分に薄い場合、ポテンシャル井戸は量子井戸としてみなされ得る。各量子井戸層の厚さは、量子井戸内の遷移エネルギーを決定するためにバルクバンドギャップエネルギーに追加される量子井戸内の量子化エネルギー量を決定する。このように各量子井戸に関連する波長は量子井戸層厚さの調節により調整することができる。通常、量子井戸層の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍであり、より典型的には２ｎｍ〜３５ｎｍである。通常、量子化エネルギーは、バンドギャップエネルギーのみに基づいて予期されるものに対して２０〜５０ｎｍの波長の低減になる。発光層の歪みは、擬似格子整合層間の格子定数の不完全な整合に起因する歪みを始めとする、ポテンシャル井戸および量子井戸の遷移エネルギーも変化し得る。ｐｎ接合を構成する層を始めとする、ポテンシャル井戸または吸収層を備えていない半導体デバイスの追加のｎドープ、ｐドープ、または非ドープ（真性）層を備える材料は、通常、ＬＥＤにより生成される光に対して透明であるように選択される。これらの追加層の厚さは通常、ポテンシャル井戸に対する厚さより大幅に大きく、通常、少なくとも５０ｎｍ且つ１００μｍまでである。
【００２２】
歪みまたは非歪みポテンシャル井戸または量子井戸の遷移エネルギーを算出する技術は当該技術、例えばヘルベルト・クレーマー（Ｈｅｒｂｅｒｔ Ｋｒｏｅｍｅｒ）著、工業量子力学、材料科学および応用物理（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）（ニュージャージー州イングルウッド・クリフス（Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，１９９４年）のプレンティス・ホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ））、５４〜６３頁、およびゾリ（Ｚｏｒｙ）編集、量子井戸レーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒｓ）（カリフォルニア州サンディエゴ（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９９３年）のアカデミック（Ａｃａｄｅｍｉｃ）出版）７２〜７９頁で既知である。
【００２３】
赤外、可視、および紫外帯域の波長を始めとする任意の適当な発光波長が選択され得る。本発明の一実施形態において発光波長は、デバイスにより放射された光の合成出力が、白色または白色に近い色、パステルカラー、マゼンタ、シアン等を始めとする２つ、３つ、またはそれより多くの単色光源の組み合わせにより生成することができる任意の色の外観を生成するように選択される。他の実施形態において本発明による半導体デバイスは、デバイスが作動中であることの表示として不可視赤外または紫外波長および可視波長の光を放射する。通常、第１のポテンシャル井戸は最も高い遷移エネルギー（最も短い波長）に関連しているため、第１のポテンシャル井戸から放射された光子は他のポテンシャル井戸を駆動するための十分なエネルギーを有する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態による構成の半導体の伝導帯および価電子帯を表わすバンド図である。層厚さは一定の縮尺で表わされてはいない。表Ｉはこの実施形態の層１〜１４の組成と、その組成のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）とを示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
層１０、１１、１２、１３および１４はｐｎ接合、より具体的には、中間非ドープ（「真性」ドーピング）層１１、１２、および１３がｎドープ層１０とｐドープ層１４との間に介在するため、ｐｉｎ接合を表わす。層１２は約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸であるｐｎ接合内の単一のポテンシャル井戸を表わす。代替的にはデバイスはｐｎ接合内に多数のポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。層４および８は各々約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸である、ｐｎ接合内にはない第２および第３のポテンシャル井戸を表わす。代替的にはデバイスはｐｎ接合内にはないさらなるポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。さらなる代替例においてデバイスはｐｎ接合内にはない単一のポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。層３、５、７および９は各々約１０００ｎｍの厚さを有する吸収層を表わす。図示しない電気コンタクトはｐｎ接合に電流を供給する経路を提供する。電気コンタクトは電気を伝導するとともに、通常、導電性金属で構成されている。正の電気コンタクトは、直接的にまたは中間構造を介して間接的に層１４に電気的に接続されている。負の電気コンタクトは、直接的にまたは中間構造を介して間接的に層１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０のうちの１つまたは複数に電気的に接続されている。
【００２７】
理論に制約されるものではないが、本発明のこの実施形態は以下の原理により動作すると思われる。電流が層１４から層１０へ流れる場合、青色波長光子がｐｎ接合内の量子井戸（１２）から放射される。層１４の方向に進行する光子はデバイスを離れる。反対方向に進行する光子は吸収されるとともに、緑色波長の光子として第２の量子井戸（８）から、または赤色波長光子として第３の量子井戸（４）から放射され得る。青色波長光子の吸収は電子−ホール対を生成し、それらは第２および第３の量子井戸で再結合し、その後光子を放射し得る。層１４の方向に進行する緑色または赤色波長光子はデバイスを離れ得る。デバイスから放射された青色、緑色および赤色波長光の多色組み合わせは、色が白色または近白色に見え得る。デバイスから放射された青色、緑色および赤色波長の強度は、各タイプのポテンシャル井戸の数の操作およびフィルタまたは反射層の使用を始めとする、任意の適当な方法でバランスを取り得る。図３は本発明によるデバイスの一実施形態から放射する光のスペクトルを表わす。
【００２８】
再度図１により表わされた実施形態を参照すると、吸収層３、５、７および９は、第１の量子井戸（１２）の遷移エネルギーと第２および第３の量子井戸（８および４）の遷移エネルギーとの間の中間であるバンドギャップエネルギーを有するため、第１の量子井戸（１２）から放射された光子を吸収するのに特に適当であり得る。吸収層３、５、７および９内の光子の吸収により生成された電子−ホール対は通常、第２および第３の量子井戸８および４により捕獲された後、光子の付随放射を伴って再結合する。吸収層は場合によっては通常、周囲層と同様にドープされ得るが、本実施形態においてｎ−ドーピングであることもある。吸収層は場合によってはそれらの厚さのすべてまたは一部分にわたって組成の傾斜を有し、電子および／またはホールをポテンシャル井戸に向かって注ぎ込むまたは指向し得る。
【００２９】
本発明による半導体デバイスは追加の導体、半導体、または非導体層を備え得る。電気コンタクト層を追加してＬＥＤのｐｎ接合への電流供給の経路を提供してもよい。ｐｎ接合へ供給された電流がｐｎ接合内にはないポテンシャル井戸にも流れるように、または電流がｐｎ接合内にはないポテンシャル井戸には流れないように、電気コンタクト層を配置し得る。光フィルタ層を追加して、デバイスにより放射された光の波長のバランスを変更または修正し得る。輝度および効率を改善するために、ミラーまたは反射体を備える層をＬＥＤ素子の背後、例えば基板とＬＥＤ素子との間、基板およびＬＥＤ素子の背後、基板内にまたは備えて、または基板の除去後にＬＥＤの背後に配置し得る。
【００３０】
一実施形態において本発明による半導体デバイスは、青色、緑色、黄色、および赤色帯域の４つの主な波長で発光する白色または近白色ＬＥＤである。一実施形態において本発明による半導体デバイスは、青色および黄色帯域の２つの主な波長で発光する白色または近白色ＬＥＤである。
【００３１】
本発明による半導体デバイスは、レジスタ、ダイオード、ツェナーダイオード、従来のＬＥＤ、キャパシタ、トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、光トランジスタ、光検出器、ＳＣＲ、サイリスタ、トライアック（登録商標）、電圧調整器、および他の回路要素などのアクティブまたはパッシブ構成要素を備えるさらなる半導体素子を備え得る。本発明による半導体デバイスは集積回路を備え得る。本発明による半導体デバイスはディスプレイパネルまたは照明パネルを備え得る。
【００３２】
本発明による層構造は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、化学蒸着、液相エピタキシおよび気相エピタキシを含み得る任意の適当な方法により製造され得る。
【００３３】
本発明による半導体デバイスは、大型または小型画面ビデオモニタ、コンピュータモニタまたはディスプレイ、テレビ、電話装置または電話装置ディスプレイ、携帯情報端末または携帯情報端末ディスプレイ、携帯無線呼出し器または携帯無線呼出し器ディスプレイ、計算機または計算機ディスプレイ、ゲームまたはゲームディスプレイ、玩具または玩具ディスプレイ、大型または小型器具もしくは大型または小型器具ディスプレイ、自動車ダッシュボードまたは自動車ダッシュボード・ディスプレイ、自動車室内または自動車室内ディスプレイ、船舶ダッシュボードまたは船舶ダッシュボード・ディスプレイ、船舶室内または船舶室内ディスプレイ、航空機ダッシュボードまたは航空機ダッシュボード・ディスプレイ、航空機室内または航空機室内ディスプレイ、交通制御装置または交通制御装置ディスプレイ、広告ディスプレイ、看板等などのグラフィックディスプレイの構成要素または重要な構成要素であり得る。
【００３４】
本発明による半導体デバイスは、ディスプレイへのバックライトとして液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または同様なディスプレイの構成要素または重要構成要素であり得る。一実施形態において本発明による半導体デバイスは、本発明による半導体デバイスによって放射された色をＬＣＤディスプレイのカラーフィルタと整合させることにより、液晶ディスプレイ用のバックライトとしての使用に特に向いている。
【００３５】
本発明による半導体デバイスは、自立または内蔵照明器具またはランプ、庭園または建造物照明器具、手持ち式または車両搭載ランプ、自動車ヘッドライトまたはテールライト、自動車室内照明器具、自動車または非自動車信号装置、道路照明装置、交通制御歩信号装置、船舶ランプまたは信号装置または室内照明器具、航空機ランプまたは信号装置または室内照明器具、大型または小型器具または大型または小型器具ランプ等、もしくは赤外、可視、または紫外線源として用いられる任意のデバイスまたは構成要素などの照明装置の構成要素または重要構成要素であり得る。
【００３６】
当業者には本発明の範囲と原理とから逸脱することなく、本発明の様々な変形例および変更例が明らかになるであろうとともに、本発明は以上に説明した例示的実施形態に必要以上に限定されないことは理解できよう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は「白色」または多色ＬＥＤを始めとするＬＥＤであり得る、ポテンシャル井戸構造、通常、量子井戸構造を備える半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は電流がアノードとカソードとの間に通された場合に発光する固体状態半導体デバイスである。従来のＬＥＤは単一ｐｎ接合を含む。ｐｎ接合は中間非ドープ領域を含み得る。このタイプのｐｎ接合はｐｉｎ接合とも称され得る。非発光半導体ダイオードと同様に従来のＬＥＤは一方向、すなわち電子がｎ領域からｐ領域に移動する方向により容易に電流を通す。電流がＬＥＤ内を「順」方向に通る場合、ｎ領域からの電子はｐ領域からのホールと再結合して光の光子を生成する。従来のＬＥＤにより放射された光は外見が単色である、すなわち波長の単一の狭帯域で生成される。放射された光の波長は、電子−ホール対の再結合と関連するエネルギーに相当する。最も簡単な場合、そのエネルギーは再結合が発生する半導体のほぼバンドギャップエネルギーである。
【０００３】
従来のＬＥＤはｐｎ接合において、高濃度の電子およびホールを両方とも捕獲する、１つまたは複数の量子井戸をさらに含み、光生成再結合を増強し得る。
【０００４】
何人もの研究者が白色光、または人間の目の３色知覚に白色に見える光を放射するＬＥＤデバイスを作製しようとしてきた。
【０００５】
何人もの研究者が、多数の量子井戸が異なる波長で光を放射することを目的とした、ｐｎ接合内に多数の量子井戸を有するＬＥＤの意図的設計および製造を報告している。以下の参照文献はこのような技術に関連し得るが、それは米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，３０３，４０４号明細書、米国特許第６，５０４，１７１号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、ダミラノ（Ｄａｍｉｌａｎｏ）ら著、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多数の量子井戸によるモノリシック白色光発光ダイオード（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ）日本、日本応用物理学会誌、第４０巻（２００１年）ｐｐ．Ｌ９１８〜Ｌ９２０、山田ら著、ＩｎＧａＮ多数量子井戸で構成された蛍光体のない高発光効率白色発光ダイオード（Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ Ｈｉｇｈ−Ｌｕｍｉｎｏｕｓ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＩｎＧａＮ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）日本、日本応用物理学会誌、第４１巻（２００２年）ｐｐ．Ｌ２４６〜Ｌ２４８、ダルマッソ（Ｄａｌｍａｓｓｏ）ら著、蛍光体のないＧａＮによる白色発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス・スペクトルの注入依存性（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｆｒｅｅ ＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｗｈｉｔｅ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ）、ｐｈｙｓ．ｓｔａｔ．ｓｏｌ．（ａ）１９２、第１号、１３９−１４２（２００３年）である。
【０００６】
何人かの研究者が単一の装置内で異なる波長での独立発光を目的とする、２つの従来のＬＥＤを結合したＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。以下の参照文献はこのような技術に関連し得るが、それは米国特許第５，８５１，９０５号明細書、米国特許第６，７３４，４６７号明細書、米国特許出願公開第２００２／００４１１４８Ａ１号明細書、米国特許出願公開第２００２／０１３４９８９Ａ１号明細書、およびルオ（Ｌｕｏ）ら著、フルカラーおよび白色発光体用パターン化３色ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ量子井戸構造（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｏｒ ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＣｄＭｇＳｅ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ｆｕｌｌ−ｃｏｌｏｒ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｅｒｓ）、応用物理学術誌、第７７巻、第２６号、４２５９〜４２６１頁（２０００年）である。
【０００７】
何人かの研究者が、ＬＥＤ素子によって放射された光の一部分を吸収するとともにより長い波長の光を再放射することを目的とした、従来のＬＥＤ素子をイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）などの化学蛍光体と結合した、ＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。米国特許第５，９９８，９２５号明細書および米国特許第６，７３４，４６７号明細書はこのような技術に関連し得る。
【０００８】
何人かの研究者が、ＬＥＤ素子によって放射された光の一部分を吸収するとともにより長い波長の光を再放射することを目的とした、基板内に蛍光発光中心を生成するためにＩ、Ａｌ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＧａまたはＩｎでｎドープされたＺｎＳｅ基板上に成長したＬＥＤデバイスの意図的設計および製造を報告している。米国特許第６，３３７，５３６号明細書および日本特許出願公開第２００４−０７２０４７号公報はかかる技術に関連し得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
簡単に言えば本発明は、ｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイスを提供する。ポテンシャル井戸は通常、量子井戸である。半導体デバイスは通常、ＬＥＤである。半導体デバイスはｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸をさらに備え得る。半導体デバイスは第２の量子井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する吸収層をさらに備え得る。通常、吸収層は第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する。半導体デバイスは第３の量子井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する他の吸収層をさらに備え得る。通常、第２の吸収層は第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第３のポテンシャル井戸の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する。
【００１０】
一実施形態において、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは緑色、青色または紫色の可視光、より典型的には青色または紫色可視光に相当し、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは黄色、緑色または青色可視光、より典型的には黄色または緑色可視光に相当し、さらに第３のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは赤色、橙色または黄色可視光、より典型的には赤色または橙色に相当する。他の実施形態において第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは紫外光に相当するとともに、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは可視光に相当する。他の実施形態において第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは可視光に相当するとともに、第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーは赤外光に相当する。
【００１１】
他の態様において本発明は、本発明による半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイを提供する。
【００１２】
他の態様において本発明は、本発明による半導体デバイスを備える照明装置を提供する。
【００１３】
本出願において、
半導体デバイス内の層のスタックに関して、「直接隣接する」とは介在層がなく連続して隣接することを意味し、「近接する」とは数層の介在層を有して連続して隣接することを意味し、さらに「周囲の」とは連続の前後両方を意味するものであり、
「ポテンシャル井戸」とは、周囲層より低いバンドギャップエネルギー、または周囲層より高い価電子帯エネルギー、もしくはその両方を有する半導体デバイス内の半導体層を意味し、
「量子井戸」とは、量子化効果が井戸内の電子−ホール対の遷移エネルギーを増加させるために十分に薄い、通常、１００ｎｍ以下の厚さを有するポテンシャル井戸を意味し、
「遷移エネルギー」とは電子−ホール再結合エネルギーを意味し、
「格子整合する」とは、基板上のエピタキシャルフィルムなどの２つの結晶材料に関して、分離して考えた場合、各材料が格子定数を有すること、およびこれらの格子定数が実質的に同等、通常、互いに０．２％以下異なる、より典型的には互いに０．１％以下異なる、さらに最も典型的には互いに０．０１％以下異なることを意味し、
「擬似格子整合する（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）」とは、エピタキシャルフィルムと基板のような、所与の厚さの第１の結晶層と第２の結晶層に関して、分離して考えた場合、各層が格子定数を有すること、およびこれらの格子定数が実質的に同じであり、所与の厚さの第１の層が、実質的に不整合欠陥を生成することなく、層の平面内に第２の層の格子間隔を採用することができることを意味する。
【００１４】
ｎドープおよびｐドープ半導体領域を備える、本明細書で説明する、本発明のいずれの実施形態に対しても、ｎドーピングをｐドーピングおよびその逆のさらなる実施形態が本明細書に開示されたものとして考えられるということが理解できよう。
【００１５】
「ポテンシャル井戸」、「第１のポテンシャル井戸」、「第２のポテンシャル井戸」および「第３のポテンシャル井戸」の各々が本明細書で引用される場合、単一ポテンシャル井戸を設け得る、または通常、同様な特性を共有する多数のポテンシャル井戸を設け得るということは理解できよう。同様に「量子井戸」、「第１の量子井戸」、「第２の量子井戸」および「第３の量子井戸」の各々が本明細書で引用される場合、単一量子井戸を設け得る、または通常、同様な特性を共有する多数の量子井戸を設け得るということは理解できよう。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のある実施形態の利点は、多色、白色または近白色光を放射可能なＬＥＤデバイスを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による構成の半導体の伝導帯および価電子帯のフラット・バンド図である。層厚さは一定の縮尺で表わされてはいない。
【図２】様々なＩＩ−ＶＩ族二元化合物およびその合金に対する格子定数とバンドギャップエネルギーとを示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態によるデバイスから放射する光のスペクトルを表わすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明はｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸とｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイスを提供する。ポテンシャル井戸は通常、量子井戸である。半導体デバイスは通常、ＬＥＤである。ＬＥＤは通常、２つの波長の光、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する１つの光および第２のポテンシャル井戸の遷移エネルギーに相当する第２の光を放射可能である。典型的な動作において第１のポテンシャル井戸は、ｐｎ接合を流れる電流に応じて光子を放射するとともに、第２のポテンシャル井戸は、第１のポテンシャル井戸から放射された光子の一部分の吸収に応じて光子を放射する。半導体デバイスは第２のポテンシャル井戸の周囲のまたは近接するまたは直接隣接する１つまたは複数の吸収層をさらに備え得る。吸収層は通常、第１のポテンシャル井戸の遷移エネルギー以下であるとともに第２のポテンシャル井戸より大きいバンドギャップエネルギーを有する。典型的な動作において吸収層は第１のポテンシャル井戸から放射された光子の吸収を助ける。半導体デバイスは、ｐｎ接合内に位置するまたはｐｎ接合内に位置しないさらなるポテンシャル井戸と、さらなる吸収層とを備え得る。
【００１９】
本発明による半導体デバイスは、ＳｉまたはＧｅ（発光層内以外）などのＩＶ族元素、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、およびそれらの合金などのＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＢｅＳｅ、ＭｇＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＢｅＴｅ、ＭｇＴｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＢｅＳ、ＭｇＳおよびそれらの合金などのＩＩ−ＶＩ族化合物、または上記のうちのいずれかの合金を始めとする任意の適当な半導体で構成され得る。必要に応じて半導体は任意の適当な方法によりまたは任意の適当なドーパントの含有により、ｎドープまたはｐドープされ得る。
【００２０】
本発明による半導体デバイスは基板を含み得る。任意の適当な基板を本発明の実施で用い得る。典型的な基板材料には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｂおよびＩｎＡｓがある。最も典型的には基板はＩｎＰである。基板は任意の適当な方法によりまたは任意の適当なドーパントの含有により達成し得る、ｎドープ、ｐドープ、または半絶縁性であり得る。代替的には本発明による半導体デバイスは基板がなくてもよい。一実施形態において本発明による半導体デバイスを基板上に形成した後、基板から分離し得る。
【００２１】
本発明の一実施形態において、半導体デバイスの様々な層の組成は以下のことを考慮して選択される。各層は通常、その層の所与の厚さにおいて基板に擬似格子整合するか、または基板に格子整合する。代替的には各層は直接隣接する層に擬似格子整合または格子整合し得る。量子井戸層材料および厚さは通常、量子井戸から放射される光の波長に対応する所望の遷移エネルギーを提供するように選択される。例えば図２内に４６０ｎｍ、５４０ｎｍおよび６３０ｎｍと標識付けされた点は、ＩｎＰ基板のものに近い格子定数（５．８６８７オングストロームまたは０．５８６８７ｎｍ）と、４６０ｎｍ（青色）、５４０ｎｍ（緑色）および６３０ｎｍ（赤色）に相当するバンドギャップエネルギーとを有するＣｄ（Ｍｇ）ＺｎＳｅ合金を表わす。量子化が井戸内のバルクバンドギャップエネルギーを超えて遷移エネルギーを上昇させるようにポテンシャル井戸層が十分に薄い場合、ポテンシャル井戸は量子井戸としてみなされ得る。各量子井戸層の厚さは、量子井戸内の遷移エネルギーを決定するためにバルクバンドギャップエネルギーに追加される量子井戸内の量子化エネルギー量を決定する。このように各量子井戸に関連する波長は量子井戸層厚さの調節により調整することができる。通常、量子井戸層の厚さは１ｎｍ〜１００ｎｍであり、より典型的には２ｎｍ〜３５ｎｍである。通常、量子化エネルギーは、バンドギャップエネルギーのみに基づいて予期されるものに対して２０〜５０ｎｍの波長の低減になる。発光層の歪みは、擬似格子整合層間の格子定数の不完全な整合に起因する歪みを始めとする、ポテンシャル井戸および量子井戸の遷移エネルギーも変化し得る。ｐｎ接合を構成する層を始めとする、ポテンシャル井戸または吸収層を備えていない半導体デバイスの追加のｎドープ、ｐドープ、または非ドープ（真性）層を備える材料は、通常、ＬＥＤにより生成される光に対して透明であるように選択される。これらの追加層の厚さは通常、ポテンシャル井戸に対する厚さより大幅に大きく、通常、少なくとも５０ｎｍ且つ１００μｍまでである。
【００２２】
歪みまたは非歪みポテンシャル井戸または量子井戸の遷移エネルギーを算出する技術は当該技術、例えばヘルベルト・クレーマー（Ｈｅｒｂｅｒｔ Ｋｒｏｅｍｅｒ）著、工業量子力学、材料科学および応用物理（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）（ニュージャージー州イングルウッド・クリフス（Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ， Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ，１９９４年）のプレンティス・ホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ））、５４〜６３頁、およびゾリ（Ｚｏｒｙ）編集、量子井戸レーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｌａｓｅｒｓ）（カリフォルニア州サンディエゴ（Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１９９３年）のアカデミック（Ａｃａｄｅｍｉｃ）出版）７２〜７９頁で既知である。
【００２３】
赤外、可視、および紫外帯域の波長を始めとする任意の適当な発光波長が選択され得る。本発明の一実施形態において発光波長は、デバイスにより放射された光の合成出力が、白色または白色に近い色、パステルカラー、マゼンタ、シアン等を始めとする２つ、３つ、またはそれより多くの単色光源の組み合わせにより生成することができる任意の色の外観を生成するように選択される。他の実施形態において本発明による半導体デバイスは、デバイスが作動中であることの表示として不可視赤外または紫外波長および可視波長の光を放射する。通常、第１のポテンシャル井戸は最も高い遷移エネルギー（最も短い波長）に関連しているため、第１のポテンシャル井戸から放射された光子は他のポテンシャル井戸を駆動するための十分なエネルギーを有する。
【００２４】
図１は本発明の一実施形態による構成の半導体の伝導帯および価電子帯を表わすバンド図である。層厚さは一定の縮尺で表わされてはいない。表Ｉはこの実施形態の層１〜１４の組成と、その組成のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）とを示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
層１０、１１、１２、１３および１４はｐｎ接合、より具体的には、中間非ドープ（「真性」ドーピング）層１１、１２、および１３がｎドープ層１０とｐドープ層１４との間に介在するため、ｐｉｎ接合を表わす。層１２は約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸であるｐｎ接合内の単一のポテンシャル井戸を表わす。代替的にはデバイスはｐｎ接合内に多数のポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。層４および８は各々約１０ｎｍの厚さを有する量子井戸である、ｐｎ接合内にはない第２および第３のポテンシャル井戸を表わす。代替的にはデバイスはｐｎ接合内にはないさらなるポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。さらなる代替例においてデバイスはｐｎ接合内にはない単一のポテンシャルまたは量子井戸を備え得る。層３、５、７および９は各々約１０００ｎｍの厚さを有する吸収層を表わす。図示しない電気コンタクトはｐｎ接合に電流を供給する経路を提供する。電気コンタクトは電気を伝導するとともに、通常、導電性金属で構成されている。正の電気コンタクトは、直接的にまたは中間構造を介して間接的に層１４に電気的に接続されている。負の電気コンタクトは、直接的にまたは中間構造を介して間接的に層１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０のうちの１つまたは複数に電気的に接続されている。
【００２７】
理論に制約されるものではないが、本発明のこの実施形態は以下の原理により動作すると思われる。電流が層１４から層１０へ流れる場合、青色波長光子がｐｎ接合内の量子井戸（１２）から放射される。層１４の方向に進行する光子はデバイスを離れる。反対方向に進行する光子は吸収されるとともに、緑色波長の光子として第２の量子井戸（８）から、または赤色波長光子として第３の量子井戸（４）から放射され得る。青色波長光子の吸収は電子−ホール対を生成し、それらは第２および第３の量子井戸で再結合し、その後光子を放射し得る。層１４の方向に進行する緑色または赤色波長光子はデバイスを離れ得る。デバイスから放射された青色、緑色および赤色波長光の多色組み合わせは、色が白色または近白色に見え得る。デバイスから放射された青色、緑色および赤色波長の強度は、各タイプのポテンシャル井戸の数の操作およびフィルタまたは反射層の使用を始めとする、任意の適当な方法でバランスを取り得る。図３は本発明によるデバイスの一実施形態から放射する光のスペクトルを表わす。
【００２８】
再度図１により表わされた実施形態を参照すると、吸収層３、５、７および９は、第１の量子井戸（１２）の遷移エネルギーと第２および第３の量子井戸（８および４）の遷移エネルギーとの間の中間であるバンドギャップエネルギーを有するため、第１の量子井戸（１２）から放射された光子を吸収するのに特に適当であり得る。吸収層３、５、７および９内の光子の吸収により生成された電子−ホール対は通常、第２および第３の量子井戸８および４により捕獲された後、光子の付随放射を伴って再結合する。吸収層は場合によっては通常、周囲層と同様にドープされ得るが、本実施形態においてｎ−ドーピングであることもある。吸収層は場合によってはそれらの厚さのすべてまたは一部分にわたって組成の傾斜を有し、電子および／またはホールをポテンシャル井戸に向かって注ぎ込むまたは指向し得る。
【００２９】
本発明による半導体デバイスは追加の導体、半導体、または非導体層を備え得る。電気コンタクト層を追加してＬＥＤのｐｎ接合への電流供給の経路を提供してもよい。ｐｎ接合へ供給された電流がｐｎ接合内にはないポテンシャル井戸にも流れるように、または電流がｐｎ接合内にはないポテンシャル井戸には流れないように、電気コンタクト層を配置し得る。光フィルタ層を追加して、デバイスにより放射された光の波長のバランスを変更または修正し得る。輝度および効率を改善するために、ミラーまたは反射体を備える層をＬＥＤ素子の背後、例えば基板とＬＥＤ素子との間、基板およびＬＥＤ素子の背後、基板内にまたは備えて、または基板の除去後にＬＥＤの背後に配置し得る。
【００３０】
一実施形態において本発明による半導体デバイスは、青色、緑色、黄色、および赤色帯域の４つの主な波長で発光する白色または近白色ＬＥＤである。一実施形態において本発明による半導体デバイスは、青色および黄色帯域の２つの主な波長で発光する白色または近白色ＬＥＤである。
【００３１】
本発明による半導体デバイスは、レジスタ、ダイオード、ツェナーダイオード、従来のＬＥＤ、キャパシタ、トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、光トランジスタ、光検出器、ＳＣＲ、サイリスタ、トライアック（登録商標）、電圧調整器、および他の回路要素などのアクティブまたはパッシブ構成要素を備えるさらなる半導体素子を備え得る。本発明による半導体デバイスは集積回路を備え得る。本発明による半導体デバイスはディスプレイパネルまたは照明パネルを備え得る。
【００３２】
本発明による層構造は、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、化学蒸着、液相エピタキシおよび気相エピタキシを含み得る任意の適当な方法により製造され得る。
【００３３】
本発明による半導体デバイスは、大型または小型画面ビデオモニタ、コンピュータモニタまたはディスプレイ、テレビ、電話装置または電話装置ディスプレイ、携帯情報端末または携帯情報端末ディスプレイ、携帯無線呼出し器または携帯無線呼出し器ディスプレイ、計算機または計算機ディスプレイ、ゲームまたはゲームディスプレイ、玩具または玩具ディスプレイ、大型または小型器具もしくは大型または小型器具ディスプレイ、自動車ダッシュボードまたは自動車ダッシュボード・ディスプレイ、自動車室内または自動車室内ディスプレイ、船舶ダッシュボードまたは船舶ダッシュボード・ディスプレイ、船舶室内または船舶室内ディスプレイ、航空機ダッシュボードまたは航空機ダッシュボード・ディスプレイ、航空機室内または航空機室内ディスプレイ、交通制御装置または交通制御装置ディスプレイ、広告ディスプレイ、看板等などのグラフィックディスプレイの構成要素または重要な構成要素であり得る。
【００３４】
本発明による半導体デバイスは、ディスプレイへのバックライトとして液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または同様なディスプレイの構成要素または重要構成要素であり得る。一実施形態において本発明による半導体デバイスは、本発明による半導体デバイスによって放射された色をＬＣＤディスプレイのカラーフィルタと整合させることにより、液晶ディスプレイ用のバックライトとしての使用に特に向いている。
【００３５】
本発明による半導体デバイスは、自立または内蔵照明器具またはランプ、庭園または建造物照明器具、手持ち式または車両搭載ランプ、自動車ヘッドライトまたはテールライト、自動車室内照明器具、自動車または非自動車信号装置、道路照明装置、交通制御歩信号装置、船舶ランプまたは信号装置または室内照明器具、航空機ランプまたは信号装置または室内照明器具、大型または小型器具または大型または小型器具ランプ等、もしくは赤外、可視、または紫外線源として用いられる任意のデバイスまたは構成要素などの照明装置の構成要素または重要構成要素であり得る。
【００３６】
当業者には本発明の範囲と原理とから逸脱することなく、本発明の様々な変形例および変更例が明らかになるであろうとともに、本発明は以上に説明した例示的実施形態に必要以上に限定されないことは理解できよう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２のポテンシャル井戸に近接する吸収層をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２のポテンシャル井戸に直接隣接する吸収層をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、さらに前記吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、さらに前記吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
ｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第２のポテンシャル井戸に直接隣接する第１の吸収層と、前記第３のポテンシャル井戸に直接隣接する第２の吸収層とをさらに備える請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、前記第３のポテンシャル井戸が第３の遷移エネルギーを有し、前記第１の吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい第１の吸収層バンドギャップエネルギーを有し、さらに前記第２の吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第３の遷移エネルギーより大きい第２の吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項４に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項５に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項１５】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１７】
ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１８】
ＬＥＤである請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項１９】
ＬＥＤである請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項２０】
ＬＥＤである請求項４に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
ＬＥＤである請求項５に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
ＬＥＤである請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項２３】
ＬＥＤである請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項２４】
ＬＥＤである請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項２５】
ＬＥＤである請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項２６】
ＬＥＤである請求項１０に記載の半導体デバイス。
【請求項２７】
ＬＥＤである請求項１１に記載の半導体デバイス。
【請求項２８】
ＬＥＤである請求項１２に記載の半導体デバイス。
【請求項２９】
ＬＥＤである請求項１３に記載の半導体デバイス。
【請求項３０】
ＬＥＤである請求項１４に記載の半導体デバイス。
【請求項３１】
ＬＥＤである請求項１５に記載の半導体デバイス。
【請求項３２】
ＬＥＤである請求項１６に記載の半導体デバイス。
【請求項３３】
前記第１の遷移エネルギーが緑色、青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色、緑色または青色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色、橙色または黄色可視光に相当する請求項２４に記載の半導体デバイス。
【請求項３４】
前記第１の遷移エネルギーが青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色または緑色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色または橙色可視光に相当する請求項２４に記載の半導体デバイス。
【請求項３５】
前記第１の遷移エネルギーが紫外光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが可視光に相当する請求項２１に記載の半導体デバイス。
【請求項３６】
前記第１の遷移エネルギーが可視光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが赤外光に相当する請求項２１に記載の半導体デバイス。
【請求項３７】
前記第１の遷移エネルギーが緑色、青色または紫色の可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色、緑色または青色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色、橙色または黄色可視光に相当する請求項３２に記載の半導体デバイス。
【請求項３８】
前記第１の遷移エネルギーが青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色または緑色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色または橙色可視光に相当する請求項３２に記載の半導体デバイス。
【請求項３９】
前記第１の遷移エネルギーが紫外光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが可視光に相当する請求項２９に記載の半導体デバイス。
【請求項４０】
前記第１の遷移エネルギーが可視光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが赤外光に相当する請求項２９に記載の半導体デバイス。
【請求項４１】
請求項１に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４２】
請求項１に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４３】
請求項２１に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４４】
請求項２１に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４５】
請求項２４に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４６】
請求項２４に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４７】
請求項２９に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４８】
請求項２９に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４９】
請求項３２に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項５０】
請求項３２に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項５１】
マゼンタ発光ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５２】
シアン発光ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５３】
請求項１に記載の半導体デバイスを備える液晶ディスプレイ。
【請求項５４】
前記第１、第２および第３の遷移エネルギーが液晶ディスプレイのカラーフィルタに整合されている、請求項３３に記載の半導体デバイスを備える液晶ディスプレイ。
【請求項１】
ｐｎ接合内に位置する第１のポテンシャル井戸と、ｐｎ接合内に位置しない第２のポテンシャル井戸とを備える半導体デバイス。
【請求項２】
前記第２のポテンシャル井戸に近接する吸収層をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記第２のポテンシャル井戸に直接隣接する吸収層をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、さらに前記吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、さらに前記吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項６】
ｐｎ接合内に位置しない第３のポテンシャル井戸をさらに備える請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項７】
前記第２のポテンシャル井戸に直接隣接する第１の吸収層と、前記第３のポテンシャル井戸に直接隣接する第２の吸収層とをさらに備える請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項８】
前記第１のポテンシャル井戸が第１の遷移エネルギーを有し、前記第２のポテンシャル井戸が第２の遷移エネルギーを有し、前記第３のポテンシャル井戸が第３の遷移エネルギーを有し、前記第１の吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第２の遷移エネルギーより大きい第１の吸収層バンドギャップエネルギーを有し、さらに前記第２の吸収層が前記第１の遷移エネルギー以下であるとともに前記第３の遷移エネルギーより大きい第２の吸収層バンドギャップエネルギーを有する請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項９】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項１１】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項１２】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項４に記載の半導体デバイス。
【請求項１３】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であるとともに、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項５に記載の半導体デバイス。
【請求項１４】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項１５】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項１６】
前記第１のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第２のポテンシャル井戸が量子井戸であり、前記第３のポテンシャル井戸が量子井戸である請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項１７】
ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項１８】
ＬＥＤである請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項１９】
ＬＥＤである請求項３に記載の半導体デバイス。
【請求項２０】
ＬＥＤである請求項４に記載の半導体デバイス。
【請求項２１】
ＬＥＤである請求項５に記載の半導体デバイス。
【請求項２２】
ＬＥＤである請求項６に記載の半導体デバイス。
【請求項２３】
ＬＥＤである請求項７に記載の半導体デバイス。
【請求項２４】
ＬＥＤである請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項２５】
ＬＥＤである請求項９に記載の半導体デバイス。
【請求項２６】
ＬＥＤである請求項１０に記載の半導体デバイス。
【請求項２７】
ＬＥＤである請求項１１に記載の半導体デバイス。
【請求項２８】
ＬＥＤである請求項１２に記載の半導体デバイス。
【請求項２９】
ＬＥＤである請求項１３に記載の半導体デバイス。
【請求項３０】
ＬＥＤである請求項１４に記載の半導体デバイス。
【請求項３１】
ＬＥＤである請求項１５に記載の半導体デバイス。
【請求項３２】
ＬＥＤである請求項１６に記載の半導体デバイス。
【請求項３３】
前記第１の遷移エネルギーが緑色、青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色、緑色または青色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色、橙色または黄色可視光に相当する請求項２４に記載の半導体デバイス。
【請求項３４】
前記第１の遷移エネルギーが青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色または緑色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色または橙色可視光に相当する請求項２４に記載の半導体デバイス。
【請求項３５】
前記第１の遷移エネルギーが紫外光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが可視光に相当する請求項２１に記載の半導体デバイス。
【請求項３６】
前記第１の遷移エネルギーが可視光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが赤外光に相当する請求項２１に記載の半導体デバイス。
【請求項３７】
前記第１の遷移エネルギーが緑色、青色または紫色の可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色、緑色または青色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色、橙色または黄色可視光に相当する請求項３２に記載の半導体デバイス。
【請求項３８】
前記第１の遷移エネルギーが青色または紫色可視光に相当し、前記第２の遷移エネルギーが黄色または緑色可視光に相当し、前記第３の遷移エネルギーが赤色または橙色可視光に相当する請求項３２に記載の半導体デバイス。
【請求項３９】
前記第１の遷移エネルギーが紫外光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが可視光に相当する請求項２９に記載の半導体デバイス。
【請求項４０】
前記第１の遷移エネルギーが可視光に相当するとともに、前記第２の遷移エネルギーが赤外光に相当する請求項２９に記載の半導体デバイス。
【請求項４１】
請求項１に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４２】
請求項１に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４３】
請求項２１に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４４】
請求項２１に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４５】
請求項２４に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４６】
請求項２４に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４７】
請求項２９に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項４８】
請求項２９に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項４９】
請求項３２に記載の半導体デバイスを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項５０】
請求項３２に記載の半導体デバイスを備える照明装置。
【請求項５１】
マゼンタ発光ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５２】
シアン発光ＬＥＤである請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項５３】
請求項１に記載の半導体デバイスを備える液晶ディスプレイ。
【請求項５４】
前記第１、第２および第３の遷移エネルギーが液晶ディスプレイのカラーフィルタに整合されている、請求項３３に記載の半導体デバイスを備える液晶ディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１８７９７７（Ｐ２０１１−１８７９７７Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１１２９４（Ｐ２０１１−１１１２９４）
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【分割の表示】特願２００７−５４５４３９（Ｐ２００７−５４５４３９）の分割
【原出願日】平成１７年８月２２日（２００５．８．２２）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１８日（２０１１．５．１８）
【分割の表示】特願２００７−５４５４３９（Ｐ２００７−５４５４３９）の分割
【原出願日】平成１７年８月２２日（２００５．８．２２）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]