(57)【要約】【課題】紫外と青色との間の波長を放出するＬＥＤを効果的にシステムに組み込む。【解決手段】装置（５００）は、アクティブ領域（５３０）、蛍光体層（５５０）及び反射層（５２０）を備える。アクティブ領域は、第１のグループの波長から第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される。蛍光体層は、アクティブ領域と外部媒体との間にあってその双方に接触するように配置される。蛍光体層は、アクティブ領域から放出される光の第１のバンドの波長を第２のバンドの波長に変換するように構成される。第２のバンドの波長の中心波長は、第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい。反射層は、アクティブ領域に光学的に結合される。アクティブ領域は、反射層と蛍光体層との間に配置される。反射層は、少なくとも第１のバンドの波長と第２のバンドの波長とを反射するように構成される。【選択図】図５
2010187028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクティブ層と第１のデバイス層と第２のデバイス層とを有するアクティブ領域であって、前記アクティブ領域が第１のグループの波長からの第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される、アクティブ領域と；
前記アクティブ領域の前記第２のデバイス層と外部媒体との間にあってその双方に直接物理的に接触するように配される蛍光体層であって、前記蛍光体層は、前記アクティブ領域から放出される光の前記第１のバンドの波長を第２のバンドの波長に変換するように構成され、前記第２のバンドの波長の中心波長が前記第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい、蛍光体層と；
前記アクティブ領域に光学的に結合された反射層であって、前記アクティブ領域が前記反射層と前記蛍光体層との間に配置され、前記反射層が少なくとも前記第１のバンドの波長と前記第２のバンドの波長とを反射するように構成される、反射層と、
を備え、
前記蛍光体層の屈折率が、前記アクティブ領域の前記第２のデバイス層の屈折率と実質的に同じである、装置。
【請求項２】
前記第１のデバイス層は、前記反射層と前記アクティブ領域の前記アクティブ層との間にあってその双方に接触している、
請求項１の記載の装置。
【請求項３】
更に、基板を備え、
前記反射層は、前記基板と前記アクティブ領域の前記第１のデバイス層との間にあってその双方に接触する、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
第２のアクティブ領域であって、前記アクティブ領域は、前記第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される、第２のアクティブ領域と；
前記第２のアクティブ領域と前記外部媒体との間にあってその双方に直接物理的に接触するように配置された第２の蛍光体層であって、前記第２の蛍光体層は、前記第２のアクティブ領域から放出された光の前記第１のバンドの波長を第３のバンドの波長に変換するように構成され、前記第３のバンドの波長の中心波長が前記第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい、第２の蛍光体層と；
第３のアクティブ領域であって、前記第３のアクティブ領域は、アクティブ層と第１のデバイス層と第２のデバイス層とを有し、前記第３のアクティブ領域の前記第２のデバイス層は、前記反射層に隣接すると共にそれに接触するように配置され、前記第３のアクティブ領域は、前記第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される、第３のアクティブ領域と、
を更に備え、
前記反射層は、更に前記第２のアクティブ領域と前記第３のアクティブ領域とに光学的に結合され、前記第２のアクティブ領域は前記反射層と前記第２の蛍光体層との間に配置され、前記反射層は、前記第３のバンドの波長を反射するように構成される、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
アクティブ層と第１のデバイス層と第２のデバイス層とを有するアクティブ領域であって、前記アクティブ領域の前記アクティブ層は、第１のグループの波長からの第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される、アクティブ領域と；
蛍光体層であって、前記アクティブ領域の前記第１のデバイス層は、前記蛍光体層と前記アクティブ領域の前記アクティブ層との間にあってその双方に直接物理的に接触するように配置され、前記蛍光体層は、前記アクティブ領域から放出された光の第１のバンドの波長を第２のバンドの波長に変換するように構成され、前記第２のバンドの波長の中心波長は前記第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい、蛍光体層と、を備え、
前記蛍光体層の屈折率が、前記アクティブ領域の前記第２のデバイス層の屈折率と実質的に同じであり、
前記第１のデバイス層は、第１のサイド、第２のサイド、及び前記第１のサイドと前記第２のサイドとの間のサイド壁を有し、前記第１のサイドは、第１のエリアを有すると共に前記アクティブ領域の前記アクティブ層に隣接し、前記第２のサイドは、前記第１のエリアよりも大きな第２のエリアを有すると共に前記蛍光体層に隣接し、
前記サイド壁は、前記第１のデバイス層の前記第２のサイドから傾斜された角度に形成され、前記角度は、９０度未満である、
装置。
【請求項６】
前記角度は、４０度と６０度との間に実質的にある、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
更に、基板を備え、
前記基板は、第１の屈折率を有し、
前記基板の前記サイド壁は、第２の屈折率を有する外部媒体に隣接すると共に接触し、
前記角度は、実質的に［９０度−ａｒｃｓｉｎ（前記第２の屈折率／前記第１の屈折率）］未満である、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記アクティブ領域の前記アクティブ層がサイド壁を有し、前記サイド壁が前記第１のデバイス層の前記サイド壁の前記角度を有し、
前記アクティブ領域の前記第２のデバイス層がサイド壁を有し、前記サイド壁が前記第１のデバイス層の前記サイド壁の前記角度を有する、
請求項５に記載の装置。
【請求項９】
第２のアクティブ層と第３のデバイス層と第４のデバイス層とを含む第２のアクティブ領域であって、前記第２のアクティブ領域の前記第２のアクティブ層は、前記第１のバンドの波長を有する光を放出するように構成される、第２のアクティブ領域と；
第２の蛍光体層であって、前記アクティブ領域の前記第３のデバイス層は、前記第２の蛍光体層に直接物理的に接触するように配置され、前記蛍光体層は、前記第２のアクティブ領域から放出される光の前記第１のバンドの波長を第３のバンドの波長に変換するように構成され、第３のバンドの波長の中心波長は、前記第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい、第２の蛍光体層と、
を更に備え、
前記第３のデバイス層は、第１のサイド、第２のサイド、及び前記第１のサイドと前記第２のサイドとの間のサイド壁を有し、前記第３のデバイス層の前記第１のサイドは、第１のエリアを有すると共に前記第２のアクティブ領域の前記第２のアクティブ層に隣接しており、前記第３のデバイス層の前記第２のサイドは、前記第３のデバイス層の前記第１のエリアよりも大きな第２のエリアを有すると共の前記蛍光体層に隣接し、
前記第３のデバイス層の前記サイド壁は、前記第３のデバイス層の前記第２のサイドから傾斜された第２の角度に形成され、前記第２の角度は、９０度未満である、
請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、１９９８年１０月２１日に出願された、米国仮出願シリアル番号６０／１０５，０５６の利益を請求する。
【０００２】
本発明は、概して発光ダイオードに関する。より詳細には、本発明は、発光ダイオードを有する蛍光体を使用して波長変換を実行する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近まで、紫外と青色との間の波長を有する光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）の外部効率は低く、例えば、赤色発光ＡｌＧａＡｓＬＥＤのような他のデバイスに比較して、その数千分の一パーセントの範囲であった。しかしながら、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸デバイスでの成功は、最良な赤色発光あるいは黄色発光ＬＥＤの効率に匹敵する効率を有する、紫外と青色との間の波長を発するＬＥＤの構成を可能した。例えば、室温でのＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮＬＥＤの外部効率は、４００から４５０ｎｍの発光波長で１０％に達する事が報告されている。Ｎａｋａｍｕｒａ（ナカムラ氏）等の１９９５年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（応用物理文献）６７（１３）ページ１８６８を参照、およびＮａｋａｍｕｒａ（ナカムラ氏）等に対する米国特許５，９５９，３０７を参照のこと、これらは、ここに組み込まれる。ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの高屈折率を考慮して、１０％外部効率は、１００％に近い内部効率を意味する。従って、紫外と青色との間の波長を発するこれらのＬＥＤの内部効率は、周知の赤色発光あるいは黄色発光ＬＥＤの効率よりも高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
紫外と青色との間の波長を放出するＬＥＤの比較的高い効率に起因して、このようなデバイスは、緑色から赤色までの波長（単数又は複数）を有する光を放出するデバイスを設計するのに優れたベースを形成出来る。しかしながら、既知のシステムは、紫外と青色との間の波長を放出するＬＥＤを効果的に組み込むことに失敗している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
装置は、アクティブ領域、蛍光体層及び反射層を備える。アクティブ領域は、第１のグループの波長からの第１のバンドの波長を有する光を放出するよう構成される。蛍光体層は、アクティブ領域と外部媒体との間にあってその双方に接触するように配置される。蛍光体層は、アクティブ領域から放出される光の第１のバンドの波長を第２のバンドの波長に変換するように構成される。第２のバンドの波長の中心波長は、第１のバンドの波長の中心波長よりも大きい。反射層は、光学的にアクティブ領域に結合される。アクティブ領域は、反射層と蛍光体層との間に配置される。反射層は、少なくとも第１のバンドの波長と第２のバンドの波長を反射するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一実施の形態に従う発光デバイスを示す。
【図２】本発明の他の実施の形態に従う発光デバイスを示す。
【図３】本発明の一実施の形態に従う、発光デバイスの外部効率上限対蛍光体層の屈折率を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態に従う３色画素を有する発光デバイスの一部を示す。
【図５】本発明の他の実施の形態に従う少なくとも一つの反射層を有する発光デバイスを示す。
【図６】本発明の更に他の実施の形態に従う反射層を有する発光デバイスを示す。
【図７】本発明の実施の形態に従うメサ構造を有する発光デバイスを示す。
【図８】本発明の実施の形態に従う、各画素がメサ状構造を有する複数画素を有する発光デバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、本発明の実施の形態に従う発光デバイスを示す。発光デバイス１００は、コンタクト層１１０、アクティブ領域１２０、基板１３０、蛍光体層１４０、およびコンタクト１５０を含む。更に、アクティブ領域１２０は、デバイス層１２１、アクティブ層１２２、およびデバイス層１２３を含んでもよい。
【０００８】
アクティブ領域１２０は、誘導放出処理を介して、特定のバンドの波長を有する光を生成するいずれのタイプの層（単数又は複数）でもよい。この特定のバンドの波長は、特定のアクティブ層によって生成可能なサブセットの大きなグループの波長であってよい。例えば、少なくともＡｌxＧａ1-xＮ（ここでｘは、０と１との間の値である）により構成されるアクティブ層１２２は、約３００ナノメートルと約５００ナノメートル間のバンドの波長を有する光を生成出来る。この範囲の波長（即ち、３００ｎｍから５００ｎｍ）は、紫外と青色との間である事で特徴付けができる。他の方法として、アクティブ層１２２によって生成される可能性のある波長のグループは、少なくともＡｌxＧａ1-xＮ（ここでｘは０と１との間の値である）で構成されるアクティブ領域によって生成可能な波長として説明されることができる。
【０００９】
一実施の形態において、アクティブ層１２２は、少なくともＩｎＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮによって構成されることが出来、デバイス層１２１は、アクティブ層１２２と接触するｐ−タイプＡｌＧａＮ層であってよく、且つデバイス層１２３は、アクティブ層１２２と基板１３０との間であってそれらに接触するように配されるｎ−タイプＡｌＧａＮ層であり得る。このタイプのアクティブ領域は、前述の出版物に記述されている。アクティブ領域１２０は、コンタクト１１０とコンタクト１５０によってアクティブにされることが可能で、ここでコンタクト１５０は、デバイス層１２３の回りにリング形状を有する。
【００１０】
用語「デバイス層」と「アクティブ層」の各々は、複数の層を有する超格子構造のような複数層を含み得る。例えば、ｐ−タイプデバイス層は、全体として、ｐ−タイプ性質を現す複数層よりなってもよい。図１で指定されている、デバイス層１２１、アクティブ層１２２、デバイス層１２３の各々は、例えば、超格子構造を有する、例えば、多層より構成されてもよい。
【００１１】
基板１３０は、サファイア基板、炭化珪素やデバイス層１２３に隣接して適切に構成され得るあらゆる他の材料のような、任意の基板であり得る。
【００１２】
蛍光体層１４０は、バインディング材料内に埋め込まれる波長変換蛍光体のマトリックスを有する任意の適切なタイプのコーティングであり得る。この用語「蛍光体」は、入射光の波長（単数又は複数）を変換すると共に発光出来るあらゆる物質を意味することを意図する。「蛍光体」は、例えば、発光出来るポリマーを含み得る。表１は、蛍光体層１４０が構成され得る多くの例示のコーティングを示す。
【表１】
2010187028.tif 000003
【００１３】
図１には、コンタクト１１０がデバイス層１２１の全表面に延在していることが示されているが、コンタクト１１０は、コンタクト１１０と１５０を介してアクティブ層１３３内で適切な過剰キャリア濃度が可能となるように構成され得る。例えば、コンタクト１１０は、リング形状に構成され得る。
【００１４】
図２は、本発明の他の実施の形態による発光デバイスを示す。図２に示される発光デバイス２００は、デバイス１００の基板層１３０がアクティブ層と蛍光体層の間に配置されず、蛍光体層がデバイス層の一つに接触するように直接配置されていることを除いて、図１に示される発光デバイス１００と類似している。具体的には、発光デバイス２００は、基板２１０、コンタクト２５０、アクティブ領域２２０、蛍光体層２３０、およびコンタクト２４０を含む。アクティブ領域２２０は、デバイス層２２１、アクティブ層２２２およびデバイス層２２３を含む。
【００１５】
本発明の実施の形態の特定の構成は、蛍光体層内の蛍光体の濃度によって変化し得る。以下の議論は、二つのタイプの構成を区別し、各構成タイプに対する発光デバイスを設計するための方法を示す。
【００１６】
アクティブ層（例えば、図１に示されるアクティブ層１２２；図２に示されるアクティブ層２２２）内の自然放出が等方性的に発生されると仮定され、且つ蛍光体層（例えば、図１の蛍光体層１４０；図２の蛍光体層２３０）とは反対の方向へ放出される放射を無視する。この場合、アクティブ領域と蛍光体層との間に蛍光体層の屈折率ｎcよりも小さな屈折率を有する他の層が無い場合、以下の等式は、結合効率ηc、即ち蛍光体層に結合されるアクティブ層から放出される放射の一部、を推定する。
（式１）
【数１】
2010187028.tif 000004
方程式（１）において、ｎaは、アクティブ領域のアクティブ層（必ずしも接触する必要はない）と蛍光体層との間に配されるアクティブ領域のデバイス層の屈折率である。例えば、ｎaは、図１に示されるように、デバイス層１２３に関連し、図２に示されるように、デバイス層２２３に関連する。
【００１７】
方程式（１）は、蛍光体層中に伝播する励起放射に対する全内部反射を考慮し、且つ内部層インターフェース（例えば、図１に示されるように、基板１３０と蛍光体層１４０とのインターフェース）でのフレネル反射を無視する。方程式（１）が示すように、アクティブ領域から蛍光体層への結合効率ηcは、蛍光体層の屈折率ｎcが増加すると増加するが、ｎcが増加すると、蛍光体層と蛍光体層の外側の媒体（例えば、空気）との間のインターフェースに対する結合効率は、減少する。方程式（２）は、蛍光体層と蛍光体層の外側媒体との間のインターフェースの結合効率ηpを推定するために使用され得る。
（式２）
【数２】
2010187028.tif 000005
【００１８】
方程式（２）において、蛍光体層と蛍光体層の外側の媒体との間のインターフェースでのフレネル反射が、このインターフェースでの全内部反射と同様に、考察される。方程式（１）と（２）は、（ワン・ライトパス・エミッタに近いもののもとで）発光デバイスの外部効率ηeに対する上限を関数ｎcとして生成する。
【００１９】
図３は、本実施の形態による、発光デバイスに対する外部効率上限対蛍光体層の屈折率を示すグラフである。図３が示すように、デバイスの外部効率ηeは、ｎcがｎaに等しい時に、最大である。その結果、デバイスのインターフェースでのフレネル反射は、最適条件、例えば、屈折率整合装置において、無視され得る。このような考察は、アクティブ領域と蛍光体層との間に介在する層や材料が無い場合（図２に示されるように、基板がアクティブ領域と蛍光体との間に配置されていない場合）、特定の屈折率を有する蛍光体層を選択するための合理的根拠である。
【００２０】
しかしながら、このようなアプローチは、図１に示される発光デバイス１００のような、基板がアクティブ領域と蛍光体層との間に配置される場合、適切ではない。このアプローチは、基板１３０が典型的にアクティブ領域屈折率ｎaよりも小さい屈折率を有するために、この場合には適切でない。例えば、基板１３０がサファイアで構成される場合、その屈折率は、略１．７５であり、それは、アクティブ領域屈折率（例えば、
【数３】
2010187028.tif 000006
）よりもかなり低い。基板の屈折率より大きな屈折率を有する蛍光体層は、外部効率ηeを向上させない。理由は、この効率がアクティブ領域と基板とのインターフェースによって制限されるからである。換言すれば、ｎc＞ｎsの範囲内でｎcを増加することは、蛍光体ポンピングの効率（即ち、アクティブ領域の蛍光体層に対する結合効率）を向上させない。
【００２１】
その結果、基板がアクティブ領域と蛍光体に配置されない場合（例えば、図２に示される発光デバイス２００）、発光デバイスの外部効率は、蛍光体層（例えば、蛍光体層２３０）の屈折率が蛍光体層に隣接するアクティブ領域のデバイス層（例えば、デバイス層２２３）の屈折率と実質的に同じ場合に最大であり得る。反対に、基板がアクティブ領域と蛍光体層の間に配される場合（例えば、図１に示される発光デバイス１００）、基板（例えば、基板１３０）と蛍光体層（例えば、蛍光体層１４０）の屈折率は実質的に等しくあるべきである。
【００２２】
この文脈において用語「実質的に等しい」は、出来る限り実施上近接することを意味する。換言すれば、基板がアクティブ領域と蛍光体層との間に配されない発光デバイスの場合、蛍光体層のバインディング材料と蛍光体は、蛍光体層の屈折率が蛍光体層に隣接するアクティブ領域のデバイス層の屈折率に実施上近くなるように選択され得る。前述の他の方法では、発光デバイスを設計する際に、蛍光体層用のバインディング材料と蛍光体の二つの可能なセットの間で選択を行なった場合、隣接デバイス層により近い整合屈折率を有するバインディング材料と蛍光体のセットが選択されるべきである。
【００２３】
あるいは、基板がアクティブ領域と蛍光体層との間に配される実施の形態では、発光デバイスを設計する際に、蛍光体層用のバインディング材料と蛍光体の二つの可能なセットの間で選択を行なった場合、基板により近い整合屈折率を有するバインディング材料と蛍光体のセットが選択されるべきである。
【００２４】
上記の議論は、蛍光体内の蛍光濃度が低い場合には、十分であり、従って、蛍光体層の屈折率は、光に関連する波長では実質的に変化しない。蛍光体層の屈折率が蛍光体層用のバインディング材料の屈折率によって支配的に定義される場合には、蛍光濃度は低い。前記他の方法では、アクティブ領域によって生成される光に関連する波長での蛍光体層の屈折率が蛍光体層によって波長変換された光に関連する波長での蛍光体層屈折率と実質的に同じである場合に、蛍光濃度は低い。換言すると、蛍光体層が比較的低い分散を有する場合に、蛍光濃度は低い。
【００２５】
蛍光体層がバインディング材料内で高い蛍光濃度を有する場合、他の設計思想が存在する。このような場合、蛍光体層は、発光デバイスのアクティブ領域によって生成される光と関連する波長において強い吸光を有しやすい。その結果、アクティブ領域によって生成される光に関連する波長での蛍光体層の屈折率ｎceは、蛍光体層によって波長変換された光と関連する波長での蛍光体層の屈折率ｎcrと異なる。これは、例えば、不純物イオン活性ＣｄＳおよびＺｎＳ蛍光体並びに有機物質内の強いフランク−コンドン・シフトに起因する有機色素蛍光体を有する場合である。
【００２６】
蛍光体層の屈折率が波長で変化するような場合、バインディング材料と蛍光体は、アクティブ領域によって生成される光に関連する波長での蛍光体層の屈折率ｎceが、蛍光体層に隣接すると共に接触する層（図１に示されるような基板１３０あるいは図２に示されるようなデバイス層２２３）の屈折率と実質的に等しくなるように選択すべきである。
【数４】
2010187028.tif 000007
の場合、反射ロスが発生せず、且つ蛍光体層の方向へ伝播するアクティブ領域中に生成される全ての光が波長変換光へ変換され得る。同様に、また、このバインディング材料と蛍光体は、蛍光体層によって波長変換された光に関連する波長での蛍光体層の屈折率ｎcrが蛍光体層の外側の媒体の屈折率に実質的に等しくなるように選択されるべきである。このような媒体は、例えば、エポキシ（例えば、１．４と１．６との間の屈折率を有する）、空気、水、真空、あるいは独自の屈折率をそれぞれ有する他の媒体であり得る。
【００２７】
この文脈における用語「実質的に等しい」は、出来る限り実施上近いことを意味する。換言すれば、基板がアクティブ領域と蛍光体層との間に配される発光デバイスの場合、バインディング材料と蛍光体は、アクティブ領域によって生成される光に関連する波長での蛍光体層の屈折率ｎceが基板の屈折率に実施上近くなるように選択され得る。同様に、蛍光体層によって波長変換された光に関連する波長での蛍光体の屈折率ｎcrは、蛍光体層の外側の媒体の屈折率に可能な限り実施上近接するように選択され得る。
【００２８】
考察中の蛍光体に対する波長変換の内部効率が１００％に近い事を考慮して、蛍光体層の屈折率ｎcの分散は、デバイスの外部放射効率の絶対値の向上を導き得る。方程式（２）によって与えられるηeに対する近似を使用して、波長変換された放射に対する外部効率と蛍光体層を備えない紫外／青色発光デバイスの効率の比率は、０．５ｎa（ｎa＋１）2／ｎcr（ｎcr＋１）2に等しい。波長変換された放射の半分のみが放出表面の方向へ伝播するため、ファクタ０．５が使用される。これにも拘らず、例えば、ｎa＝ｎce＝２．５およびｎcr＝１．５である場合、波長変換された放射の量子効率は、紫外／青色発光デバイスの効率よりも５０％高くなることが見込まれ、且つその絶対値は、今までのところで考えられるワン・ライトパス・モデルのフレームワークにおいてでさえ５％ほど高くなり得る。
【００２９】
図４は、本発明の一実施の形態に従う三色画素を有する発光デバイスの一部を示す。発光デバイス４００は、基板４１０、デバイス層４２０、および画素４３０、４４０と４５０を含み得る。各画素４３０、４４０と４５０は、ディスプレイ用途の個別のカラーを表し得る。例えば、画素４３０は、赤色に対応する波長を有する光を生成可能であり、画素４４０は緑色に対応する波長を有する光を生成出来、且つ画素４５０は、青色に対応する波長を有する光を生成可能である。勿論、図４は、発光デバイスの例の一部分（即ち、３画素を有する部分）を示すが、このような発光デバイスは、例えば、２次元アレイで多数の画素を含み得る。このような構成において、各画素はカラーディスプレイが提供されるように個々にアドレス可能である。
【００３０】
更に、画素４３０は、コンタクト４３１、蛍光体層４３２、デバイス層４３３、アクティブ層４３４、およびコンタクト４３５を含む。画素４３０に対して、アクティブ領域４３４は、デバイス層４３３、アクティブ層４３４、およびアクティブ層４３４とコンタクト４３５に隣接および接触するデバイス層４２０の一部として画成可能である。
【００３１】
更に、画素４４０は、コンタクト４４１、蛍光体層４４２、デバイス層４４３、アクティブ層４４４、およびコンタクト４４５を含む。画素４４０に対して、アクティブ領域４４４は、デバイス層４４３、アクティブ層４４４、およびアクティブ層４４４とコンタクト４４５に接触するデバイス層４２０の一部として画成可能である。
【００３２】
最後に、画素４５０は、更に、コンタクト４５１、蛍光体層４５２、デバイス層４５３、アクティブ層４５４およびコンタクト４５５を含む。画素４５０に対して、アクティブ領域４５４は、デバイス層４５３、アクティブ層４５４、およびアクティブ層とコンタクト４５５に接触するデバイス層４２０の一部として画成可能である。
【００３３】
蛍光体層４３２、４４２および４５２は、各対応画素４３０、４４０および４５０が、一般に赤色、緑色および青色にそれぞれ対応する波長を有する光をそれぞれ放出するように選択可能である。より具体的には、画素４５０は、約４００ナノメートルと約５５０ナノメートルとの間の中心波長を有するバンドの波長を有する光を放出できる。画素４４０は、約４３０ナノメートルと約６５０ナノメートルとの間の中心波長を有するバンドの波長を有する光を放出できる。画素４３０は、約５５０ナノメートルと約７５０ナノメートルとの間の中心波長を有するバンドの波長を有する光を放出できる。
【００３４】
他の実施の形態において、約４００ナノメートルと約５５０ナノメートルとの間の波長（即ち、青色波長）を有する光を生成する画素と関連する蛍光体層は存在しなくてよい。換言すれば、青色波長に関連する画素のアクティブ層は、そのアクティブ層が青色波長を支配的に有する光を生成するように選択され得る。関連蛍光体層は、波長変換を実行するために必ずしも存在する必要はない。このように、そのアクティブ層で生成された光がその関連画素に対して直接透過され得る。
【００３５】
発光デバイスの外部効率は、マルチパス光プロセスの場合には、大きく増加され得る。波長変換蛍光体層から反対方向へ伝播するアクティブ層によって生成された光は、反射バックされ、それによってアクティブ層の蛍光体層へのポンピング効率を２倍にする。例えば、反射層は、アクティブ領域に光学的に結合され得る。用語「光学的に結合される」は、ここではアクティブ領域から放出された光が反射層によって反射されるように動作上で関連付けられることを意味するために使用される。例えば、反射層は、アクティブ層に隣接すると共にそれに接触することが可能であり、あるいは介在層（例えば、基板）が、反射層とアクティブ層との間に配置されてもよい。
【００３６】
更に、波長選択性の他の反射層がアクティブ領域と蛍光体層との間に配置され得る。このような波長選択反射層は、アクティブ領域内で生成された光が透過されることが可能とされ、且つ蛍光体層で生成された光が発光デバイスの放出表面へ向けて反射バックされることが可能とされる。例えば、波長選択性反射ＧａＮ／ＡｌＧａＮフィルタはサファイア基板上で成長可能である。
【００３７】
図５は、本層の他の実施の形態による少なくとも一つの反射層を有する発光デバイスを示す。発光デバイス５００は、基板５１０、コンタクト５６０、反射層５２０、アクティブ領域５３０、反射層５４０、蛍光体層５５０およびコンタクト５７０を含む。アクティブ領域５３０は、デバイス層５３１、アクティブ層５３２、およびデバイス層５３３を含む。この実施の形態において、反射層５２０は、アクティブ領域５３０のアクティブ層５３２によって生成されたバンドの波長を有する光、並びに蛍光体層５５０において生成された第２のバンドの波長を有する蛍光体変換光を反射するように構成される。換言すれば、アクティブ層５３２は、反射層５２０へ向かって伝播される第１のバンドの波長を有する光（例えば、青色が支配的な光）を生成可能である。同様に、光は、蛍光体層５５０によって波長変換可能であり、反射層５２０に向かって伝播し得る。このような場合、反射層５２０は、第１のバンドの波長を有する光と第２のバンドの波長を有する光（例えば、蛍光体層５００によって波長変換された光）の両方を反射可能である。
【００３８】
反射層５４０は、波長選択性反射層であり得る。換言すれば、反射層５４０は、第１のバンドの波長を有する光（即ち、アクティブ層５３２によって生成される光）が透過されるのに対して、蛍光体層５５０で生成された第２のバンドの波長を有する光（即ち、波長変換された光）が反射層５４０と蛍光体層５５０との間の境界で反射されるように構成され得る。この境界で波長変換された光を反射することによって、次に、この光は、発光デバイス５００をより効率的に出ることが可能とされ、発光デバイス５００の他の層（例えば、デバイス層５３３、アクティブ層５３２、デバイス層５３１）を介して不必要に伝播することがない。
【００３９】
他の実施の形態において、唯一つの反射層が存在し得る。換言すれば、他の実施の形態において、コンタクトとデバイス層との間の反射層は、デバイス層と蛍光体層との間に反射層を設けることなく存在し得る。他の実施の形態において、逆もまた真であり得る。換言すれば、コンタクトとデバイス層との間の反射層は存在しないが、デバイス層と蛍光体層との間の反射層は存在し得る。
【００４０】
図６は、本発明の更に他の実施の形態による反射層を有する発光デバイスを示す。発光デバイス６００は、蛍光体層６１０、コンタクト６２０、アクティブ領域６３０、コンタクト６４０、反射層６５０および基板６６０を含む。アクティブ領域６３０は、デバイス層６３１、アクティブ層６３２およびデバイス層６３３を含む。
【００４１】
反射層６５０は、第１のバンドの波長を有する光（例えば、アクティブ領域６３０のアクティブ層６３２によって生成される光）と第２のバンドの波長を有する光（蛍光体層６１０によって波長変換を介して生成された光）を反射するように構成される。換言すれば、アクティブ層６３２によって生成された光は、反射層６５０の方向へ伝播することが出来、且つ蛍光体層６１０における波長変換を介して生成された光もまた、反射層６５０の方向へ伝播され得る。これらのバンドの波長の何れかを有する光は、反射層６５０によって反射されて光が最終的に発光デバイス６００を出ることが出来る蛍光体層６１０へ再方向付けされる。
【００４２】
図６に示されていないが、波長選択反射層は、デバイス層６３１と蛍光体層６２０との間に配置され得る。このような波長選択反射層は、第１のバンドの波長を有する光（即ち、アクティブ層６３２によって生成された光）が透過されるのに対して、蛍光体層６２０で生成された第２のバンドの波長を有する光（即ち、波長変換された光）が波長選択反射層と蛍光体層６２０との間の境界で反射されるように構成され得る。
【００４３】
図６に示された反射層の概念はまた、例えば、図４に示された発光デバイス４００のような本発明の他の実施の形態に適用可能である。このような実施の形態において、反射層は、デバイス層４２０および基板４１０の間に加えられ得る。このような実施の形態において、反射層は、アクティブ層４３４、４４４および４５４で生成された光に対する波長並びに蛍光体層４３２、４４２および４５２で生成された波長変換された光の全てを反射する。そのような他の方法では、このような反射層は、例えば、アクティブ層で生成された紫外から青色の波長を支配的に有する光を反射することが出来、且つ画素４５０に関連する青色、画素４４０によって生成される緑色および画素４３０によって生成される赤色を支配的に有する波長変換された光を反射し得る。同様に、波長選択反射層は、蛍光体層４３２とデバイス層４３３との間に配置され得る。
【００４４】
上述の発光デバイスの外部効率は、更に、デバイス層の平面に平行に近接する（即ち、発光デバイスから外へ伝播する方向へ平行に近接する）方向に放出される光を収集することによって改良され得る。それらの有効屈折率は基板の有効屈折率よりも高いため、アクティブ領域のＧａＮデバイス層は導波路を形成する。デバイスの傾斜サイド壁（例えば、メサ状構造）は、放出表面（即ち、蛍光体層の外部表面）の方向へ導波された放射を再方向付けでき、それによって、再び発光デバイスの外部効率を略２倍にする。反射層とメサ状構造を組み込む上述の発光デバイスは、可視スペクトルの全てに亘って２０から３０％ほど高いデバイスの外部効率を達成することが潜在的に可能である。
【００４５】
図７は、本発明の実施の形態によるメサ構造を有する発光デバイスを示す。発光デバイス７００は、コンタクト７１０、アクティブ領域７２０、コンタクト７３０、基板７４０および蛍光体層７５０を含む。アクティブ領域７２０は、デバイス層７２１、アクティブ層７２２、およびデバイス層７２３を含む。基板７４０は、第１のサイド７４１．第２のサイド７４２およびサイド壁７４３を含む。また、図７に示すように、発光デバイス７００を介して伝播する光を示す一組の光線は、光線７６０、７７０および７８０である。
【００４６】
基板７４０は、メサ構造を形成する。より具体的には、基板７４０は、基板７４０の第２のサイド７４２の表面に対して垂直ではない傾斜角度θを形成するサイド壁７４０を有する。換言すれば、基盤７４０の第１のサイド７４１が基板７４０の第２のサイド７４２よりも小さな領域を有するので、基板７４０で形成されるサイド壁７４３は傾斜面にある。
【００４７】
媒体は外部に配置され、基板７４０のサイド壁７４３と接触している。この外部媒体は独自の屈折率を有し、７９０として図７にラベルされている。
【００４８】
サイド壁７４３に対して適切な特定の傾斜角度は、基板の屈折率と外部媒体７９０の屈折率に依存する。より詳細には、基板７４０内で放出される光がスネルの法則に従ってサイド壁７４３で相互に作用するので、外部媒体７９０の屈折率と基板７４０の屈折率はファクタである。外部媒体７９０は、例えば、エポキシ（例えば、１．４と１．６との間の屈折率を有する）、空気、真空、あるいは固有の屈折率を有する他のタイプの媒体であり得る。基板７４０の屈折率は、例えば、１．７５と２．０の間であり得る。
【００４９】
基板７４０の特定の屈折率と外部媒体７９０の屈折率は、全内部反射によって基板７４０内で伝播する光がどのように反射され得るかを定義可能である。以下の関係は、最適傾斜角度：
【数５】
2010187028.tif 000008
を定義可能であり、ここでｎ1は基板７４０の屈折率であり、ｎ2は外部媒体７９０の屈折率である。
【００５０】
勿論、この関係は、ｎ2を発光デバイスの他の層の屈折率と等しくし、またｎ1をその層の外側の媒体の屈折率と等しくすることによって、デバイスの他の層に対して汎用化され得る。このように、丁度基板のサイド壁が傾斜され得るように、デバイス層７２１、アクティブ層７２２、およびデバイス層７２３の対応するサイド壁もまた傾斜され得る。層７２１、７２２および７２３に対するサイド壁の傾斜角度は、基板７４０のサイド壁７４３の傾斜角度と同じでもよいし、異なっていてもよい。換言すれば、第１のデバイス層、アクティブ層、第２のデバイス層および／又は基板からの少なくとも一つのサイド壁は、より多くの光を放出表面に向けるように傾斜され得る。
【００５１】
例として、外部媒体が１．４と１．７との間の屈折率を有するエポキシである場合、基板は、約１．７５の屈折率を有するサファイアであり、アクティブ領域の層は、約２．０の屈折率を有し、発光デバイスのサイド壁の傾斜角度θが約４０度と６０度との間である。
【００５２】
光線７７０と７８０のような、伝播の方向から変化する光線がサイド壁７４３で全内部反射によって反射されることを可能とすることによって、より多くの光線が蛍光体層７５０を介して発光デバイス７００から外へ伝播される。
【００５３】
図８は、本発明に従って、各画素がメサ状構造を有する多数画素を有する発光デバイスを示す。発光デバイス８００は、基板８１０、デバイス層８２０、および画素８３０、８４０と８５０を含む。画素８３０は、コンタクト８３１、蛍光体層８３２、デバイス層８３３、アクティブ層８３４およびコンタクト８３５を含む。同様に、画素８４０は、コンタクト８４１、蛍光体層８４２、デバイス層８４３、アクティブ層８４４およびコンタクト８４５を含む。同様に、画素８５０は、コンタクト８５２、蛍光体層８５２、デバイス層８５３、アクティブ層８５４、およびコンタクト８５５を含む。
【００５４】
図７に示される発光デバイス７００を参照して議論されたメサ構造と同様に、図８に示される発光デバイス８００の所与の画素又は複数の画素は、メサ構造を有することが出来る。以下の議論は、画素８３０に関連するが、類似構造がまた画素８４０と８５０、並びに発光デバイス８００に対する２次元画素アレイの任意の他の画素（図示せず）に対して実施されることが出来る。
【００５５】
蛍光体８３２とアクティブ層８３４の間であってそれらに接触するように配置されたデバイス層８３３は、アクティブ層８３４に隣接する第１のサイドと蛍光体層８３２とサイド壁８３６に隣接する第２のサイドを有する。サイド壁８３６の外側の媒体は、図８において、８６０とラベル付けされ、それ固有の屈折率を有する。
【００５６】
サイド壁８３６は、角度(に傾斜され得る。この傾斜角度(は、９０度未満であるべきで、上述のように、(と外部媒体の屈折率とデバイス層８３３の屈折率との間の上述の関係に従って４０と６０度の間で変化してもよい。また、アクティブ層８３４の類似のサイド壁とアクティブ層８３４に隣接するデバイス層８２０の一部は、例えば、傾斜角度(のような角度に傾斜されてもよいことに留意すべきである。
【００５７】
勿論、本発明は、特定の構成を参照して記述されたが、他の構成も当業者には自明であることが理解されるべきである。例えば、図は、横断面図で発光デバイスを示しているが、種々の構成が可能であり、デバイスの平面図が、例えば、矩形、円形あるいは適切な任意の他の形状であってもよい。図面は、比例尺ではない方法で発光デバイスを示していることに留意すべきである。図面に示され且つここで議論された発光デバイスは、層が直接的に一体配置された単一構造として形成されてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１１０  コンタクト
１２１  デバイス層
１２２  アクティブ層
１２３  デバイス層
１３０  基板
１４０  蛍光体層
【図１】
2010187028.tif 000009
【図２】
2010187028.tif 000010
【図３】
2010187028.tif 000011
【図４】
2010187028.tif 000012
【図５】
2010187028.tif 000013
【図６】
2010187028.tif 000014
【図７】
2010187028.tif 000015
【図８】
2010187028.tif 000016
【外国語明細書】
2010187028000001.pdf