(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む第１の広帯域ＬＥＤチップであって、前記第１の複数の活性層は、第１の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、第１の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成した第１の広帯域ＬＥＤチップと、
第２の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む第２の広帯域ＬＥＤチップであって、前記第２の複数の活性層は、第２の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、前記第１の波長範囲のものより大きな波長を含む第２の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成した第２の広帯域ＬＥＤチップと、
第３の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む第３の広帯域ＬＥＤチップであって、前記第３の複数の活性層は、第３の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、前記第２の波長範囲のものより大きな波長を含む第３の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成した第３の広帯域ＬＥＤチップと、
を備える、白色光を発生するマルチ・チップ発光デバイス（ＬＥＤ）ランプであって、
前記第１、第２、および／または第３の複数のバリア層は、前記第１、第２、および／または第３の半導体化合物の要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、
前記第３の半導体化合物は、前記第２の半導体化合物より狭いバンドギャップを有し、前記第２の半導体化合物は、前記第１の半導体化合物より狭いバンドギャップを有し、前記第１、第２、および第３の広帯域ＬＥＤチップが放射する光を混合すると白色光に見えるマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項２】
前記第３の広帯域ＬＥＤチップが放射する光に関連する非放射エネルギー損失は、前記第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光のものより小さい、請求項１記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項３】
前記第３の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第３の波長範囲にわたる第３のスペクトル分布を定め、かつ前記第２および第３のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記第２および第３のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅値の和より大きくない、請求項２記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項４】
前記第１の波長範囲は青色光に対応し、前記第２の波長範囲は緑色光に対応し、かつ前記第３の波長範囲は赤色光に対応する、請求項３記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項５】
前記第１、第２、および第３の波長範囲は、それぞれ約３０ナノメートル（ｎｍ）より大きい、請求項４記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項６】
前記第１および／または第２の波長範囲内の第１の波長で放射する光は、前記第１および第２の広帯域ＬＥＤチップの１つが前記第１および／または第２の波長範囲内の第２の波長で放射する光のエネルギーの約１２５％以下のエネルギーを有し、または
前記第１および／または第２の波長範囲内の第１の波長で放射する光子の数は、前記第１および第２の広帯域ＬＥＤチップの１つが前記第１および／または第２の波長範囲内の第２の波長で放射する光子の数の約１２５％以下である、請求項１記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項７】
光変換材料を含まない、請求項４記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項８】
前記第１および／または第２の複数のバリア層は、前記第１および／または第２の半導体化合物のそれぞれの要素のグレーディングが与えられた濃度をそれぞれ有する、請求項１記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項９】
前記第１および第２の半導体化合物は、異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物を含む、請求項３記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１０】
前記第１の半導体化合物は、ＧａＮを含み、前記第２の半導体化合物は、ＩｎＧａＮを含み、前記第３の半導体化合物は、ＡｌＧａＩｎＰを含む、請求項９記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１１】
前記複数の第２の活性層は、ＩｎxＧａ1-xＮの第１の層とＩｎyＧａ1-yＮの第２の層と（ただし、ｘとｙとは等しくない）を含む、請求項１０記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１２】
前記複数の第３の活性層は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰの第１の層とＡｌwＧａzＩｎ1-w-zＰの第２の層と（ただし、ｘとｗとは等しくなく、またｙとｚとは等しくない）を含む、請求項１１記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１３】
第１の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む第１の広帯域ＬＥＤチップであって、前記第１の複数の活性層は、第１の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、第１の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成した第１の広帯域ＬＥＤチップと、
第２の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む第２の広帯域ＬＥＤチップであって、前記第２の複数の活性層は、第２の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、前記第１の波長範囲のものより大きな波長を含む第２の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成した第２の広帯域ＬＥＤチップと、
前記第１および／または第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光の少なくとも一部を吸収して、前記第１および第２の波長範囲の間の第３の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を再放射するよう構成した光変換材料であって、前記第１および第２の広帯域ＬＥＤチップと前記光変換材料とが放射する光を混合すると白色光に見えるような光変換材料と、
を備える、白色光を発生するマルチ・チップ発光デバイス（ＬＥＤ）ランプであって、
前記第１および／または第２の複数のバリア層は、前記第１および／または第２の半導体化合物の要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、
前記第２の半導体化合物は、前記第１の半導体化合物より狭いバンドギャップを有し、前記第１および／または第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記それぞれの第１および／または第２の波長範囲にわたる非対称スペクトル分布を定めるマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１４】
前記光変換材料は、前記第１および／または第２の広帯域ＬＥＤチップ直上にはない、請求項１３記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１５】
前記第１の広帯域ＬＥＤチップの前記活性層は、青色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射して約４０ナノメートル（ｎｍ）より大きな半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する青色スペクトル分布を定めるよう構成し、
前記第２の広帯域ＬＥＤチップの前記活性層は、緑色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射して約４０ナノメートル（ｎｍ）より大きな半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する緑色スペクトル分布を定めるよう構成し、かつ
前記第３の広帯域ＬＥＤチップの前記活性層は、赤色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射して約５０ナノメートル（ｎｍ）より大きな半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する赤色スペクトル分布を定めるよう構成した、請求項７記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１６】
前記第１、第２、および／または第３のＬＥＤチップが放射する光は、前記それぞれの波長範囲にわたる非対称スペクトル分布を定める、請求項４記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１７】
前記第１の広帯域ＬＥＤチップの前記活性層は、青色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射して青色スペクトル分布を定めるよう構成し、
前記第２の広帯域ＬＥＤチップの前記活性層は、赤色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射して赤色スペクトル分布を定めるよう構成し、かつ
前記光変換材料は、前記第１および／または第２のＬＥＤチップが放射する光の少なくとも一部を吸収して、緑色波長範囲にわたる光を再放射して緑色スペクトル分布を定めるよう構成し、
前記青色および緑色のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記青色および緑色のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅の和より大きくなく、かつ前記赤色および緑色のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記赤色および緑色のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅の和より大きくない、請求項１３記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１８】
前記第１の半導体化合物のバンドギャップと前記第１のＬＥＤチップが放射する光のエネルギーとの差は、前記第２の半導体化合物のバンドギャップと前記第２のＬＥＤチップが放射する光のエネルギーとの差より小さい、請求項１７記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【請求項１９】
前記第１および第２のＬＥＤチップのそれぞれが放射する光は、前記それぞれの波長範囲にわたる非対称スペクトル分布を定める、請求項１７記載のマルチ・チップＬＥＤランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願の相互参照
本出願は、２００８年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／０２９，０９３号の優先権を主張し、上記の開示全体をここに援用する。
【０００２】
本発明は、半導体発光デバイスに関するもので、より具体的には、半導体発光デバイスを含むランプに関する。
【背景技術】
【０００３】
発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードは、十分な電流を供給すると光を発生可能な周知の固体発光要素である。発光ダイオードおよびレーザ・ダイオードを一般に発光デバイス（ＬＥＤ）ということがある。発光デバイスは、一般にサファイア、珪素、炭化珪素、ガリウム砒素等の基板上に成長させたエピタキシャル層内に形成されたｐ−ｎ接合を含む。ＬＥＤが発生する光の波長分布は、一般に、ｐ−ｎ接合を作る材料と、デバイスの活性領域を作る薄いエピタキシャル層の構造とに依存する。
【０００４】
一般に、ＬＥＤチップは、基板と、基板上に形成されたｎ型エピタキシャル領域と、ｎ型エピタキシャル領域の上に形成されたｐ型エピタキシャル領域（またはその逆）とを含む。デバイスへの電流供給を促進するために、アノード・コンタクトをデバイスのｐ型領域（一般に、露出したｐ型エピタキシャル層）上に形成し、カソード・コンタクトをデバイスのｎ型領域（基板または露出したｎ型エピタキシャル層等）上に形成することがある。ポテンシャルをオーミック・コンタクトに印加すると、電子がｎ型層から活性領域内に注入され、正孔がｐ型層から活性領域内に注入される。活性領域内で電子と正孔とが放射再結合すると光を発生する。ＬＥＤチップには、ｎ型層とｐ型層の間またはその接合部の近くに多数の発光領域すなわち活性層（マルチ量子井戸構造としても知られている）を持つ活性領域を含むものがある。
【０００５】
ＬＥＤは、発光／照明の応用において、例えば、従来の白熱電球および／または蛍光灯に代わるものとして用いられることがある。この場合、光に照らされた対象がより自然に見えるように比較的高い演色評価指数（ＣＲＩ）を有する白色光を発生する光源を用いると望ましいことが多い。光源の演色評価指数は、光源から発生する光が広範囲の色を正確に照らす能力の客観的な尺度である。演色評価指数は、単色光源の場合のほぼゼロから白熱光源の場合のほぼ１００までの範囲にある。代わりに、ＣＲＩ評価指数の高い光源とは全く異なっても、状況に応じたスペクトルの光源を提供することが望ましいことがある。
【０００６】
更に、特定の光源の色度を光源の「色点」ということがある。白色光源の色度を光源の「白色点」ということがある。白色光源の白色点は、所定の温度に加熱された黒体放射体が放射する光の色に対応する色度点の軌跡に沿って下がる。したがって、白色点は、光源の相関色温度（ＣＣＴ）、すなわち加熱された黒体放射体が白色光源の色すなわち色相と一致する温度、により識別してよい。白色光のＣＣＴは、一般に約４０００から８０００Ｋの間である。４０００ＫのＣＣＴを持つ白色光は、黄色がかった色を有する。８０００ＫのＣＣＴを持つ白色光の色は、より青みを帯びていて、「冷白色」ということがある。約２６００Ｋから６０００Ｋの間のＣＣＴを持つ白色光を記述するには「温白色」を用いることがあり、その色はより赤みを帯びている。
【０００７】
単色ＬＥＤからの光を用い蛍光体等の波長変換材料でＬＥＤを囲んで、白色光を発生させることがある。「蛍光体」という用語は、ここでは、吸収と再放射の間の遅れや関連する波長にかかわらず、１つの波長範囲内の光を吸収して異なる波長範囲内の光を再放射する任意の材料をいうのに用いことがある。光の一部は、入射光とほぼ同じ波長で、ダウン変換をほとんどまたは全く受けずに、蛍光体を通過および／または蛍光体から再放射することがある。したがって、「蛍光体」という用語はここでは、時々、蛍光および／または燐光と呼ぶ材料をいうのに用いることがある。一般に、蛍光体はより短い波長を有する光を吸収して、より長い波長を有する光を再放射する。この場合、蛍光体粒子は、ＬＥＤが第１の波長で放射する光の一部または全部を吸収し、これに応じて第２の波長の光を放射することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許公開第２００６／００６３２８９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、単一の青色を放射するＬＥＤを、セリウムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）等の黄色蛍光体で囲むことがある。得られる光は、青色光と黄色光の混合であって、人には白色に見えることがある。より具体的には、黄色光を作るには、約２．６６電子ボルト（ｅＶ）の青色光子を黄色蛍光体が吸収して、約２．１１ｅＶの黄色光子を放射する。この場合、平均して約０．５５ｅＶのエネルギーが非放射プロセスにより失われると考えられる。このように、青色ＬＥＤを黄色蛍光体で囲むと青色から黄色への変換によりかなりの量のエネルギーを失う。また、赤色蛍光体を含めて演色を改善するとエネルギー損失は更に大きくなり、そのために効率は更に大きく低下する。
【００１０】
また、多数の異なる色のＬＥＤが放射する光を混合して望ましい強さおよび／または色の白色光を発生させることがある。例えば、赤色、緑色、および青色を放射するＬＥＤを同時に活性化すると、得られる混合光は、構成要素である赤色、緑色、および青色の光源の相対的強さに依存して、白色またはほぼ白色に見えることがある。かかるランプを用いてかなり高い発光効率を得ることは可能であろう（少なくとも部分的には蛍光体変換がないので）が、各ＬＥＤから放射される光のスペクトル分布が限られるために演色は不十分なことがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある実施形態による白色光を発生するマルチ・チップ発光デバイス（ＬＥＤ）ランプは、第１および第２の広帯域ＬＥＤチップを備える。第１の広帯域ＬＥＤチップは、第１の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む。前記第１の複数の活性層は、第１の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、第１の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。第２の広帯域ＬＥＤチップは、第２の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む。前記第２の複数の活性層は、第２の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、前記第１の波長範囲のものより大きな波長を含む第２の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。
【００１２】
ある実施形態では、前記第１および第２の広帯域ＬＥＤチップの少なくとも１つが放射する光のスペクトル分布は、約３５ナノメートル（ｎｍ）より大きな半値全幅（ＦＷＨＭ）を有してよい。
他の実施形態では、前記第１の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第１の波長範囲にわたる第１のスペクトル分布を定め、前記第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第２の波長範囲にわたる第２のスペクトル分布を定めてよい。前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅値の和より大きくなくてよい。
【００１３】
ある実施形態では、前記ランプは第３の広帯域ＬＥＤチップを更に備えてよい。前記第３の広帯域ＬＥＤチップは、第３の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む。前記第３の複数の活性層は、第３の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、前記第２の波長範囲のものより大きな波長を含む第３の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成してよい。前記第３の半導体化合物は、第３のスペクトル分布の光を発生して、前記第２の半導体化合物より狭いバンドギャップを有し、前記第１、第２、および第３の広帯域ＬＥＤチップが放射する光を混合すると白色光に見える。
【００１４】
他の実施形態では、前記第１の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第１の波長範囲にわたる第１のスペクトル分布を定め、前記第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第２の波長範囲にわたる第２のスペクトル分布を定め、前記第３の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第３の波長範囲にわたる第３のスペクトル分布を定めてよい。前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅値の和より大きくなくてよい。前記第２および第３のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記第２および第３のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅値の和より大きくなくてよい。
【００１５】
ある実施形態では、前記第１の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第１の波長範囲にわたる第１のスペクトル分布を定め、前記第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光は、前記第２の波長範囲にわたる第２のスペクトル分布を定めてよい。前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの中心波長の間隔は、前記第１および第２のスペクトル分布のそれぞれの半値半幅値の和より小さくなくてよい。
【００１６】
他の実施形態では、前記ランプは、前記第１および／または第２の広帯域ＬＥＤチップが放射する光の少なくとも一部を吸収して、前記第１および第２の波長範囲の間の第３の波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を再放射するよう構成した光変換材料を更に含んでよい。この場合、前記第１および第２の広帯域ＬＥＤチップと前記光変換材料とが放射する光を混合して白色光を発生する。
【００１７】
本発明の他の実施形態では、白色光を発生するマルチ・チップ発光デバイス（ＬＥＤ）ランプは、青色、緑色、および赤色の広帯域ＬＥＤチップを備える。青色広帯域ＬＥＤチップは、第１の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含み、前記第１の複数の活性層は、第１の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、青色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。緑色広帯域ＬＥＤチップは、第２の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含み、前記第２の複数の活性層は、第２の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、緑色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。
【００１８】
赤色広帯域ＬＥＤチップは、第３の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含み、前記第３の複数の活性層は、第３の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、赤色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。第３の半導体化合物は、前記第２の半導体化合物より狭いバンドギャップを有し、前記第２の半導体化合物は、前記第１の半導体化合物より狭いバンドギャップを有する。青色、緑色、および赤色の広帯域ＬＥＤチップが放射する光を混合すると優れた演色を持つ白色光に見える。
【００１９】
本発明のさらなる実施形態では、白色光を発生するマルチ・チップ発光デバイス（ＬＥＤ）ランプは、青色および赤色の広帯域ＬＥＤチップと光変換材料とを備える。青色広帯域ＬＥＤチップは、第１の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む。前記第１の複数の活性層は、第１の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、青色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。赤色広帯域ＬＥＤチップは、第２の複数の交互に重なる活性層およびバリア層を含むマルチ量子井戸活性領域を含む。前記第２の複数の活性層は、第２の半導体化合物の少なくとも２つの要素の異なる相対濃度をそれぞれ含み、赤色波長範囲にわたる複数の異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。光変換材料は、青色および／または赤色のＬＥＤチップが放射する光の少なくとも一部を吸収して、緑色波長範囲にわたる光を再放射するよう構成される。第２の半導体化合物は、第１の半導体化合物より狭いバンドギャップを有する。青色および赤色の広帯域ＬＥＤチップと光変換材料とが放射する光を混合すると白色光に見える。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明のある実施形態によるＬＥＤランプを示す上面図である。
【図１Ｂ】本発明のある実施形態によるＬＥＤランプ内に用いるＬＥＤチップを示す断面図である。
【図１Ｃ】本発明の他の実施形態によるＬＥＤチップを示す平面図である。
【図２Ａ−Ｃ】本発明のある実施形態によるＬＥＤランプ内のマルチ量子井戸構造を示す断面図および対応するエネルギー線図である。
【図３Ａ−Ｃ】本発明の他の実施形態によるＬＥＤランプ内のマルチ量子井戸構造を示す断面図および対応するエネルギー線図である。
【図４Ａ−Ｄ】本発明のある実施形態による発光デバイス・ランプのスペクトル放射特性例を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明のさらなる実施形態による発光デバイス・ランプを示す上面図である。
【図５Ｂ】本発明のさらなる実施形態による発光デバイス・ランプのスペクトル放射特性例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明について、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して以下により詳細に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形で実施してよく、ここに述べる実施形態に限定されるものに解釈すべきでない。むしろ、これらの実施形態は、この開示を徹底的かつ完全に行って、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように提供するものである。図面中、サイズや層および領域の相対的なサイズは、分かりやすくするために誇張することがある。図面を通して、同じ番号は同じ要素をいう。
【００２２】
理解されるように、層、領域、または基板等の要素が他の要素の「上」にあるという場合は、他の要素の上に直接あってもよいし、介在する要素があってもよい。理解されるように、（表面等の）要素の一部が「内に」という場合は、その要素の他の部分よりそのデバイスの外から遠くにある。更に、「下に」または「重なる」等の相対的用語は、ここでは、図に示す基板またはベース層に関する１つの層または領域と他の層または領域との関係を述べるのに用いる。理解されるように、これらの用語は、図に示す方向に加えてデバイスの異なる方向を含めることを意図したものである。最後に、「直接」という用語は介在する要素がないことを意味する。ここで用いる「および／または」という用語は、列挙した関連項目の１つ以上の任意のおよび全ての組合せを含む。
【００２３】
また理解されるように、第１、第２等の用語は、ここでは種々の要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションを述べるのに用いることがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／またはセクションは、これらの用語により限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、またはセクションを他の領域、層、またはセクションから区別するためにだけ用いる。したがって、以下の第１の要素、構成要素、領域、層、またはセクションは、本発明の教示からそれることなく、第２の要素、構成要素、領域、層、またはセクションといってもよい。
【００２４】
本発明の実施形態について、ここでは本発明の理想化された実施形態の略図である断面図、透視図、および／または平面図を参照して述べる。それ自体、例えば、製造技術および／または許容誤差の結果、略図に図示した形とは異なる形のものが予想される。したがって、本発明の実施形態は、ここに示す領域の特定の形に限定されるものではなく、例えば、製造の結果起こる変形を含むものと理解すべきである。例えば、長方形として示しまた説明した領域が、一般に通常の製造許容誤差のために丸または曲線の形になる。このように、図に示す領域はもともと略図であり、その形は、デバイスの領域の正確な形を示すものではなく、また本発明の範囲を限定することを意図していない。
【００２５】
別段の定めがない限り、ここで用いる全ての用語（技術および科学用語）は、本発明が属する技術の当業者が共通に理解するものと同じ意味を有する。更に、理解されるように、一般に用いられる辞書に定義されている用語は、関係する技術およびこの明細書の文脈内における意味と一致する意味を有するものと解釈すべきであり、ここに明確な定義がない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味に解釈されない。
【００２６】
ここに用いる「半導体発光デバイス」および／または「ＬＥＤ」という用語は、発光ダイオード、レーザ・ダイオード、および／または他の半導体デバイス（珪素、炭化珪素、窒化化合物、および／または他の半導体材料を含む１つ以上の半導体層を含む）を含んでよい。窒化化合物の例は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ、Ａｌ0.2Ｉｎ0.1Ｇａ0,7Ｎ、およびＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎを含んでよい。より一般的な（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎという表記法は、以下では、窒化化合物ＡｌｘＩｎｙＧａ１-ｘ-ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１、およびｘ＋ｙ≦１）をいうのに用いる。発光デバイスは、基板（サファイア、珪素、炭化珪素、ゲルマニウム、窒化ガリウム、および／または他のマイクロエレクトロニック基板）を含んでも含まなくてもよい。発光デバイスは、金属および／または他の導電層を含む１つ以上のコンタクト層を含んでよい。ある実施形態では、紫外線、青色、シアン色、緑色、琥珀色、および／または赤色のＬＥＤを形成してよい。半導体発光デバイスの設計および製造は当業者に周知であり、ここに詳細に説明する必要はない。
【００２７】
ここで用いる「半値全幅」という用語は、その最大値の約半分におけるスペクトル分布の幅（単位はナノメートル）をいう。同様に、ここで用いる「半値半幅」はその最大値の半分におけるスペクトル分布の幅（単位はナノメートル）の半分に対応する値をいう。
【００２８】
本発明のある実施形態は、赤色、緑色、および青色のＬＥＤを含む従来のＬＥＤランプでは構成要素であるＬＥＤのスペクトル・パワー分布が比較的狭いという認識に基づく。市販のＬＥＤは、一般に狭い半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。すなわち、赤色ＬＥＤのＦＷＨＭは１７−１８ｎｍ、黄色ＬＥＤのＦＷＨＭは１２−１５ｎｍ、青色ＬＥＤのＦＷＨＭは１８−２０ｎｍ、緑色ＬＥＤのＦＷＨＭは３５−３６ｎｍになることがある。一般的なＦＷＨＭより大きいものが市販の緑色ＬＥＤに見られるが、緑色ＬＥＤ量子井戸内のインジウム（Ｉｎ）の量および凝集（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｏｎ）を制御することが困難なためである。これらのＬＥＤは、スペクトル幅が狭いため、赤色、緑色、および青色等の多数の色を用いても、かかる光で照らされた対象は、光のスペクトルが制限されるために自然色を有するようには見えないことがある。
【００２９】
したがって、本発明のある実施形態は、赤、青、紫、黄、および琥珀の波長範囲にわたる約２０ｎｍより大きなそれぞれのスペクトル出力と、緑の波長範囲にわたる約３５ｎｍより大きなスペクトル出力とを有する、複数の「広帯域」ＬＥＤチップ（ここで「広帯域ＬＥＤ」ともいう）を含むＬＥＤランプを提供する。より具体的には、本発明のある実施形態は、調整されたスペクトル出力を有し改善された演色を与える３つの広帯域ＬＥＤチップを含むＬＥＤランプを提供する。ある実施形態では、広帯域ＬＥＤチップの１つ以上は約３５ナノメートル（ｎｍ）より大きな半値全幅（ＦＷＨＭ）を持つスペクトル分布を有してよい。広帯域ＬＥＤの材料および／または化学量論は、白熱電球等の従来の光源と、輝度、性能、ＣＲＩ、および／または全スペクトル分布が同等で、エネルギー効率がより高い白色光出力を生成するよう選択してよい。
【００３０】
図１Ａは、本発明のある実施形態によるＬＥＤランプを示す。図１Ａを参照すると、マルチ・チップＬＥＤランプ１００は、第１、第２、および第３のダイ取付け領域１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃを含む共通基板またはサブマウント１０１を含む。ダイ取付け領域１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃは、広帯域ＬＥＤチップを受けるようそれぞれ構成される。ここで用いる「広帯域ＬＥＤ」または「広帯域ＬＥＤチップ」は、従来のＬＥＤに比べて広いスペクトル幅を持つ光（すなわち、緑色ＬＥＤでは約３０-３５ｎｍより大きく、赤色、青色、紫色、黄色、琥珀色、および他のカラーＬＥＤでは約２０ｎｍより大きい）を放射するよう構成したＬＥＤチップをいう。例えば、赤色または青色または琥珀色のＬＥＤは、赤色または青色または琥珀色（それぞれ）を中心とする、すなわち中心波長を有するスペクトル分布で放射するが、それぞれのスペクトル分布は、２０ｎｍまたは２５ｎｍまたは３０ｎｍまたは４０ｎｍまたは５０ｎｍまたは７５ｎｍまたはそれ以上の半値全幅を有してよい。同様に、緑色ＬＥＤは、緑色を中心とする全幅を有するスペクトル分布で放射するが、３５ｎｍまたは４０ｎｍまたは５０ｎｍまたは７５ｎｍまたはそれ以上の半値全幅を有してよい。
【００３１】
広帯域ＬＥＤが放射する光は、従来のＬＥＤの光出力で一般に観測されるガウス状のピーク形とはかなり異なるスペクトルの形を有してよい。スペクトルは、例えば、「シルクハット」すなわちほぼ一様な分布、ラプラス型分布、双峰分布、鋸歯分布、多峰分布、および／またはこれらの分布（ガウス分布を含む）の１つ以上の合成分布を有してよい。本発明のある実施形態では、広帯域ＬＥＤは、約５０ｎｍより大きな波長範囲にわたる光を放射するよう構成されてよい。他の実施形態では、広帯域ＬＥＤは、約７５-１００ｎｍより大きな波長範囲にわたる光を放射するよう構成されてよい。
【００３２】
更に、図１Ａを参照すると、第１、第２、および第３の広帯域ＬＥＤチップ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃは、サブマウント１０１のダイ取付け領域１０２ａ、１０２ｂ、および１０２ｃ上にそれぞれ取り付ける。例えば、第１の広帯域ＬＥＤチップ１０３ａは、青色波長範囲（すなわち、約４１０-４９５ｎｍの間）内の光を放射するよう構成した青色ＬＥＤチップでよく、第２のＬＥＤチップ１０３ｂは、緑色波長範囲（すなわち、約４９５-５９０ｎｍの間）内の光を放射するよう構成した緑色ＬＥＤチップでよく、また第３のＬＥＤチップ１０３ｃは、赤色波長範囲（すなわち、約６００-７２０ｎｍの間）内の光を放射するよう構成した赤色ＬＥＤチップでよい。このような第１、第２、および第３の広帯域ＬＥＤチップ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃが放射する光を混合して白色光を発生する。
【００３３】
第１、第２、および第３の広帯域ＬＥＤチップ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃは、比較的高いＣＲＩの白色光出力を比較的高い効率で生成するよう選択した異なる材料で形成してよい。例えば、緑色ＬＥＤチップ１０３ｂは、青色ＬＥＤチップ１０３ａに用いる半導体化合物より狭いバンドギャップを有する半導体化合物で形成してよく、また赤色ＬＥＤチップ１０３ｃは、緑色ＬＥＤチップ１０３ｂに用いる半導体化合物より狭いバンドギャップを有する半導体化合物で形成してよい。更に、ＬＥＤランプ１００は蛍光体等の光変換材料を含まないことに注意していただきたい。したがって、蛍光体を用いないので、ＬＥＤランプ１００は、吸収、再放射、および／または非放射再結合に関連するエネルギー損失を含まない。
【００３４】
以上では、ＬＥＤチップ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃが放射する光の特定の色を参照して説明したが、理解されるように、異なる色の広帯域ＬＥＤチップの他の組合せを用いて白色光出力を生成してよい。例えば、ある実施形態では、ＬＥＤチップ１０３ａ、１０３ｂ、および１０３ｃは、シアン色、黄色、およびマゼンタ色のＬＥＤチップでよい。
【００３５】
図１Ｂは本発明のある実施形態による広帯域ＬＥＤチップを示す断面図である。図１Ｂに示すように、ＬＥＤチップ１０３は、ｐ型クラッド層１０８とｎ型クラッド層１０９との間にはさんだ活性領域１０５を含む。ＬＥＤチップ１０３は、ｐ型クラッド層１０８の上のｐ型コンタクト層１１１と、ｎ型クラッド層１０９の上のｎ型コンタクト層１１２も含む。コンタクト層１１１および／または１１２は、クラッド層とは異なるドープされた半導体であり、クラッド層の前で電荷を拡散させる働きをする。活性領域１０５は、複数の交互に重なる活性層１０６および１０６’とバリア層１０７、１０７’、および１０７”とを含むマルチ量子井戸構造である。活性層１０６および１０６’は、異なる化学量論すなわち相対的濃度の半導体化合物の要素をそれぞれ含み、この場合、選択した波長範囲にわたる異なる放射波長の光を放射するようそれぞれ構成される。
【００３６】
例えば、ＬＥＤチップ１０３が青色ＬＥＤチップの場合は、活性層１０６および１０６’は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層でよく、各層は、青色波長範囲（例えば、約４１０−５１０ｎｍ）にわたる異なる波長で光を放射するよう構成した異なる濃度のガリウムおよび／または窒化物を含んでよい。同様に、ＬＥＤチップ１０３が緑色ＬＥＤチップの場合は、活性層１０６および１０６’は、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）層でよく、各層は、緑色波長範囲（例えば、約４９５−５９０ｎｍ）にわたる異なる波長で光を放射するよう構成した異なる濃度のインジウム、ガリウムおよび／または窒化物を含んでよい。同様に、ＬＥＤチップ１０３が赤色ＬＥＤチップの場合は、活性層１０６および１０６’は、リン化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）層でよく、各層は、赤色波長範囲（例えば、約６００−７２０ｎｍ）にわたる異なる波長で光を放射するよう構成した異なる濃度のアルミニウム、ガリウム、インジウム、および／またはリン化物を含んでよい。それに追加してまたはその代りに、活性層１０６および１０６’を異なる厚さに形成して望ましい波長範囲の放射波長を与えてよい。
【００３７】
したがって、活性層１０６および１０６’は、複数の異なるバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択した異なる厚さおよび／または組成を有してよい。化学量論は層から層にだけでなく、特定の層内でも変化してよい。この場合、ポテンシャルをオーミック・コンタクト１２６および１２８に印加すると、各活性層１０６および１０６’のそれぞれでの電子および正孔の放射再結合により異なる波長の光放射が発生する。言い換えると、活性層１０６および１０６’の化学量論および／または幅を調整して望ましいスペクトル出力を達成してよい。
【００３８】
ＬＥＤチップ１０３は、更に、基板１１０、クラッド層１０８および１０９とコンタクト１２６および１２８との間の１つ以上のキャッピング層（図示せず）、および／またはマルチ量子井戸活性領域１０５の最後の量子井戸層１０７”および１０７とクラッド層１０８および／または１０９との間の１つ以上の閉じ込め層（図示せず）を含んでよい。例えば、各閉じ込め層は、隣接するクラッド層と活性領域１０５との間に遷移を与えるように構成した均一のまたはグレーデッド半導体合金組成を有してよい。ある実施形態では、閉じ込め層は、クラッド層１０８および１０９とバリア層１０７および１０７”との間にバンドギャップ・エネルギーをそれぞれ与え、キャリヤ（すなわち、電子と正孔）を閉じ込めて活性領域１０５内の再結合の効率を高めてよい。また、クラッド層１０８および／または１０９の化学量論を変えて、隣接するバリア層１０７”および１０７との間のバンドギャップ・エネルギーの差を減らしてよい。
【００３９】
図１Ｂに活性領域１０５内の特定の数の層を示したが、理解されるように、活性領域１０５の層の数、厚さ、および／または組成は、応用が異なれば変化してよい。例えば、２つの活性層１０６および１０６’だけを含むように示したが、理解されるように、本発明のある実施形態による広帯域ＬＥＤチップは、同じおよび／または異なる化学量論を有する追加の活性層を含んでよく、またこれらの層の数、厚さ、および／または組成は、望ましいスペクトル出力を生成するよう選択してよい。言い換えると、広帯域ＬＥＤのスペクトル出力は、活性領域１０５の量子井戸の特性を調整して適合させてよい。各広帯域ＬＥＤのスペクトル出力の幅は、約１００ｎｍ以下なので、種々の化学量論のものを比較的高い効率で製造できる。更に、理解されるように、ある実施形態では、バリア層１０７および/または１０７”を隣接するクラッド層１０９および／または１０８の中にそれぞれ組み込んでよい。
【００４０】
図１Ｃは、本発明の他の実施形態によるＬＥＤランプを示し、また望ましい光スペクトル分布の形成を容易にするためにランプ内のＬＥＤを変更するいくつかの方法を示す。特に、図１Ｃは、本発明のある実施形態による広帯域ＬＥＤを含むＬＥＤランプが特定の色の１つ以上のＬＥＤを用いてよく、サイズの異なるＬＥＤチップを用いてよく、および／または異なる形を有するＬＥＤチップを用いてよいことを示す。図１Ｃを参照すると、マルチ・チップＬＥＤランプ１５０は、第１、第２、第３、および第４のダイ取付け領域１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、および１５２ｄを含む共通基板またはサブマウント１５１を含む。ダイ取付け領域１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、および１５２ｄは、広帯域ＬＥＤチップを受けるようそれぞれ構成される。
【００４１】
更に、図１Ｃを参照すると、第１、第２、第３、および第４の広帯域ＬＥＤチップ１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、および１５３ｄは、サブマウント１５１のダイ取付け領域１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、および１５２ｄ上にそれぞれ取り付ける。例えば、第１の広帯域ＬＥＤチップ１５３ａは、第２のＬＥＤチップ１５３ｄ（Ｃ１）と実質的に同じ色範囲（Ｃ１）の光を放射してよい。第３のＬＥＤチップ１５３ｃは他のチップより大きいかまたは小さく、異なる量および／または性質の光（Ｃ２）を放射してよい。第４のＬＥＤチップ１５３ｃは、異なる形で、第３の色強度および／または性質の光（Ｃ３）を放射してよい。理解されるように、３つの色Ｃ１、Ｃ２、およびＣ３の光を混合して白色光または他の望ましい色分布を生成してよい。
【００４２】
図２Ａ−２Ｃは、本発明のある実施形態による広帯域ＬＥＤチップおよび対応するエネルギー・バンド図を示す。図２Ａを参照すると、第１のＬＥＤチップ２０３ａは、ｐ型クラッド層２０８ａとｎ型クラッド層２０９ａとの間に形成される窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）ベースの活性領域２０５ａを含む。ＩｎＧａＮベースの活性領域２０５ａは、複数の交互に重なる活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”とバリア層２０７ａ、２０７ａ’、２０７ａ”、２０７ａ'''とを含むマルチ量子井戸構造である。ある実施形態では、ＬＥＤチップ２０３ａは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ａに対応してよい。
【００４３】
活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”は、広帯域青色ＬＥＤを形成するよう選択した異なる相対濃度のインジウム（Ｉｎ）およびガリウム（Ｇａ）をそれぞれ含む。例えば、活性層２０６は、ＩｎxＧａ1-xＮを含んでよい。ただし、平均インジウム濃度ｘは、約４４０ｎｍから５００ｎｍの光に対応する範囲０．１２≦ｘ≦０．１９内でよい。より具体的には、活性層２０６ａは、平均インジウム濃度ｘが約０．１３のＩｎxＧａ1-xＮを含んでよく、活性層２０６ａ’は、平均インジウム濃度ｙが約０．１５のＩｎyＧａ1-yＮを含んでよく、活性層２０６ａ”は平均インジウム濃度ｚが約０．１７のＧａzＮ1-zを含んでよい。
【００４４】
窒化インジウム・ガリウム活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”は、例えば、約１ｎｍから１００ｎｍの間の等しいおよび／または異なる厚さを有してよい。ある実施形態では、インジウムおよび／またはガリウムの濃度も、活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”の１つ以上における厚さにわたって変化して、１つ以上の層の中でステップ状および／または連続的なグレーディングを与えられてよい。窒化インジウム・ガリウム活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”の相対濃度および／または厚さは、ＬＥＤチップ２０３ａが青色波長範囲（例えば、約４４０ｎｍから約５００ｎｍ）にわたる複数の異なる波長の光を放射するよう選択する。理解されるように、上記例で与えたインジウム濃度は近似でありまた例示であって、それ自体、量子井戸のそれぞれで調整して望ましい濃度を得てよい。
【００４５】
より具体的には、図２Ａのエネルギー・バンド図に示すように、ＬＥＤチップ２０３ａのマルチ量子井戸層２０５ａは、種々の化学量論のＩｎＧａＮ活性量子井戸層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”を含む。伝導バンド端２１１ａおよび価電子バンド端２１２ａのエネルギー・レベルの概要を示す。このレベルは、バリア層２０７ａ、２０７ａ’、２０７ａ”、および２０７ａ'''を作るのに用いる材料に関連する。広帯域青色ＬＥＤ２０３ａでは、バリア層２０７ａ、２０７ａ’、２０７ａ”、および２０７ａ'''はＧａＮで形成する。量子井戸活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”内のインジウムおよびガリウムの相対濃度は、複数の異なるバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択する。このような量子井戸活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”内の電子と正孔とは再結合して、量子井戸２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”により定まる異なるバンドギャップと一致するエネルギー（それぞれ、Ｅ１blue、Ｅ２blue、Ｅ３blue）を持つ光を放射する。
【００４６】
異なるバンドギャップは、青色波長範囲内の異なる平均放射波長λ1a、λ2a、およびλ3aの光を発生し、これは加法的に混合して、統合された広帯域の青色出力光２１５ａを発生する。量子井戸層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”内のインジウムおよびガリウムの相対濃度は、約４６５ｎｍの中心波長を持つ約３０ｎｍより大きな波長範囲にわたる出力光２１５ａを発生するよう選択してよい。理解されるように、特定の量子井戸活性層は、目標放射波長で光を放射するよう目標インジウム濃度で形成してよいが、量子井戸内のインジウムは、均質ではないので、バンドギャップ内に、したがって放射光のエネルギー内にいくらかの変動があってよい。更に、熱スミアリングや散乱等の他の物理的プロセスのために、目標波長だけでなく目標波長に近い波長の光も放射してよい。
【００４７】
出力光２１５ａの発生に関連する非放射エネルギー損失Ｅloss,blueは、入力エネルギーＥg,blue（電子を価電子バンド２１２ａから伝導バンド２１１ａまで上げるのに要するエネルギーと定義する）と出力エネルギーＥout,blueとの差で表す。Ｅout,blueは、バンドギャップ・エネルギーＥ１blue、Ｅ２blue、およびＥ３blueの関数であり、ある場合には平均でよい。例えば、本発明のある実施形態によるベース半導体材料ＧａＮ（約３．６５ｅＶのバンドギャップ）から形成した広帯域青色ＬＥＤチップ２０３ａは、量子井戸のバンドギャップが約３．０ｅＶから約２．６５ｅＶの範囲の場合は、約０．６５ｅＶから約１．０ｅＶの非放射エネルギー損失Ｅloss,blueを有することがある。ＬＥＤは、図２ＡのＬＥＤの略図には示していない追加の層またはデバイス要素／構造も有してよいが、上に定義した非放射エネルギー損失Ｅloss,blueの他に追加のエネルギー損失を生じることがある。
【００４８】
更に、図２Ａを参照して、ＧａＮバリア層２０７ａ、２０７ａ’、２０７ａ”、および２０７ａ'''は、活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”より大きなバンドギャップを与えるよう選択した（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ組成を有する。同じ相対濃度の（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎをそれぞれが含むように示しているが、ある実施形態では、バリア層２０７ａ、２０７ａ’、２０７ａ”、および２０７ａ'''の１つ以上は、異なる化学量論を有してよい。これについては図３Ａを参照して後で詳細に説明する。更に、図２Ａには連続的に減少するバンドギャップ・エネルギーを与えるよう選択した化学量論を有するように示しているが（例えば、製造を容易にするため）、他の化学量論を各活性層で、または活性層の１つ以上の中で用いてもよい。
【００４９】
次に図２Ｂを参照すると、第２のＬＥＤチップ２０３ｂは、ｐ型クラッド層２０８ｂとｎ型クラッド層２０９ｂとの間に形成される窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）ベースの活性領域２０５ｂを含む。活性領域２０５ｂは、複数の交互に重なるＩｎＧａＮ活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”とバリア層２０７ｂ、２０７ｂ’、２０７ｂ”、および２０７ｂ'''とを含むマルチ量子井戸構造である。したがって、ＩｎＧａＮベースの活性領域２０５ｂは、第１のＬＥＤチップ２０３ａのＩｎＧａＮベースの活性領域２０５ａより狭いバンドギャップを有する。ある実施形態では、ＬＥＤチップ２０３ｂは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ｂに対応してよい。
【００５０】
活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”は、広帯域緑色ＬＥＤを形成するよう選択した異なる相対濃度のインジウムおよびガリウムをそれぞれ含む。例えば、活性層２０６ｂは、平均インジウム濃度ｘが約０．２０のＩｎxＧａ1-xＮを含んでよく、活性層２０６ｂ’は、平均インジウム濃度ｙが約０．２２のＩｎyＧａ1-yＮを含んでよく、また活性層２０６ｂ”は、平均インジウム濃度ｚが約０．２６のＩｎzＧａ1-zＮを含んでよい。この場合、活性層２０６ｂの目標平均波長は約５１５ｎｍ、活性層２０６ｂ’の目標平均波長は約５４０ｎｍ、また活性層２０６ｂ”の目標平均波長は約５６５ｎｍである。
【００５１】
ＩｎＧａＮ活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”は、例えば、約１ｎｍから１００ｎｍの間の等しいおよび／または異なる厚さを有してよい。ある実施形態では、インジウムおよびガリウムの濃度は、活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”の１つ以上における厚さにわたって変化して、１つ以上の層の中でステップ状および／または連続的なグレーディングが与えられてよい。ＩｎＧａＮ活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”の相対濃度および／または厚さは、ＬＥＤチップ２０３ｂが緑色波長範囲（例えば、約４９５ｎｍから約５９０ｎｍ）にわたる複数の異なる波長の光を放射するよう選択する。理解されるように、上記例で与えたインジウム濃度は、近似でありまた例示であって、この場合、量子井戸のそれぞれで調整して望ましい濃度および／または放射特性を得てよい。
【００５２】
より具体的には、図２Ｂのエネルギー・バンド図に示すように、ＬＥＤチップ２０３ｂのマルチ量子井戸構造２０５ｂは、複数の異なるバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択した種々の化学量論のＩｎＧａＮ活性量子井戸層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”を含み、異なる量子井戸層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”にまたがる再結合のエネルギー（それぞれ、Ｅ１green、Ｅ２green、Ｅ３green）は、緑色波長範囲内の異なる平均放射波長λ1b、λ2b、およびλ3bの光を発生する。異なる放射波長λ1b、λ2b、およびλ3bは、加法的に混合して、統合された広帯域の緑色出力光２１５ｂを発生する。量子井戸層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”内のインジウムおよびガリウムの相対濃度は、約５４０ｎｍの中心波長を持つ約３０ｎｍより大きな波長範囲にわたる出力光２１５ｂを発生するよう選択してよい。
【００５３】
出力光２１５ｂの発生に関連する非放射エネルギー損失Ｅloss,greenは、入力エネルギーＥg,green（電子を価電子バンド２１２ｂから伝導バンド２１１ｂまで上げるのに要する最小エネルギーと定義してよい）と出力光子エネルギーＥout,greenとの差で表す。Ｅout,greenは、バンドギャップ・エネルギーＥ１green、Ｅ２green、Ｅ３greenの関数（まとめてＥout,greenという）である。緑色放射の非放射エネルギー損失は、Ｅloss,green≒Ｅg,green−Ｅout,greenで与えられる（加熱等のシステムの影響のために、この式の両側は近似的に等しい（≒））。例えば、本発明のある実施形態によるベース半導体材料ＧａＮ（約３．６５ｅＶのバンドギャップを有する）から形成した広帯域緑色ＬＥＤチップ２０３ｂの非放射エネルギー損失は、量子井戸のバンドギャップが２．４０ｅＶから２．９０ｅＶの範囲の場合は、約０．９５ｅＶから約１．２０ｅＶである。
【００５４】
緑色広帯域ＬＥＤ２０３ｂを、ＧａＮまたはＡｌＧａＮではなくＩｎＧａＮベース材料から形成して、全非放射エネルギー損失Ｅloss,greenを青色広帯域ＬＥＤ２０３ａの全非放射エネルギー損失Ｅloss,blueに比べて減らしてよい。言い換えると、緑色ＬＥＤチップ２０５ｂにより狭いバンドギャップ・ベース材料を選択し、入力エネルギーと出力エネルギーの差を小さくして、非放射エネルギー損失Ｅloss,greenを減らしてよい。例えば、ＬＥＤをＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎというベース材料（約２．８１ｅＶのバンドギャップを有する）で形成した場合は、５１５ｎｍから５６５ｎｍの間の光放射体では非放射エネルギー損失は、約０．４１ｅＶから０．６２ｅＶである。注意すべきことは、量子井戸から放射する光をここでは特定の特有のエネルギー（Ｅ１greenまたはＥ３green等）を有するものとしているが、このエネルギーは、平均エネルギーであって、各量子井戸から放射される光は、この平均値の回りに散在するエネルギーの分布を有してよいことである。放射エネルギーの範囲は、熱的広がりからおよび／または井戸の化学量論の変動から起こることがある。したがって、第２のＬＥＤチップ２０３ｂの活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”について、第１のＬＥＤチップ２０３ａよりも狭いバンドギャップ・ベース材料および／または化学量論を用いることにより、より大きなエネルギー効率を達成することができる。
【００５５】
更に、図２Ｂを参照すると、ＩｎＧａＮバリア層２０７ｂ、２０７ｂ’、２０７ｂ”、および２０７ｂ'''は、活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”より大きなバンドギャップを与えるよう選択したインジウムおよびガリウム組成を有する。図２Ｂには同じ相対濃度のインジウムおよびガリウムを含むように示しているが、ある実施形態では、１つ以上のバリア層２０７ｂ、２０７ｂ’、２０７ｂ”、および２０７ｂ'''は、異なる相対組成のインジウムおよびガリウムを有してよい。これについては図３Ｂを参照して後で詳細に説明する。更に、各層内の化学量論は変化してよい。また、連続的に減少するバンドギャップ・エネルギーのＩｎＧａＮ活性層２０６ｂ、２０６ｂ’、および２０６ｂ”を与える科学量論を有するように示しているが、他の要素および／または化学量論を各活性層で用いてもよい。
【００５６】
次に図２Ｃを参照すると、第３のＬＥＤチップ２０３ｃは、ｐ型クラッド層２０８ｃとｎ型クラッド層２０９ｃとの間に形成されるリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）ベースの活性領域２０５ｃを含む。ＡｌＧａＩｎＰベースの活性領域２０５ｃは、複数の交互に重なるＡｌＧａＩｎＰ活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”とバリア層２０７ｃ、２０７ｃ’、２０７ｃ”、および２０７ｃ'''とを含むマルチ量子井戸構造である。したがって、ＡｌＧａＩｎＰベースの活性領域２０５ｃは、第２のＬＥＤチップ２０３ｂのＩｎＧａＮベースの活性領域２０５ｂより狭いバンドギャップを有する。ある実施形態では、ＬＥＤチップ２０３ｃは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ｃに対応してよい。
【００５７】
活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”は、広帯域赤色ＬＥＤを形成するよう構成した異なる相対濃度のアルミニウム、ガリウム、および／またはインジウムをそれぞれ含む。例えば、活性層２０６ｃは、約６２５ｎｍの平均放射波長を目標とするＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰを含んでよい。活性層２０６ｃ’は、約６５０ｎｍの平均放射波長を目標とするＡｌwＧａzＩｎ1-w-zＰを含んでよい。活性層２０６ｃ”は、約６８０ｎｍの平均放射波長を目標とするＡｌuＧａvＩｎ1-u-vＰを含んでよい。Ａ１ＧａＩｎＰ活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”は、例えば、約１ｎｍから１００ｎｍの間の等しいおよび／または異なる厚さを有してよい。ある実施形態では、アルミニウム、ガリウム、および／またはインジウムの濃度は、活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”の１つ以上の厚さにわたって変化して、１つ以上の層の中でステップ状および／または連続的なグレーディングを与えられてよい。ＡｌＧａＩｎＰ活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”の相対濃度および／または厚さは、ＬＥＤチップ２０３ｃが赤色波長範囲（例えば、約６００ｎｍから約７２０ｎｍ）にわたる複数の異なる波長の光を放射するよう選択する。
【００５８】
より具体的には、図２Ｃのエネルギー・バンド図に示すように、ＬＥＤチップ２０３ｃのマルチ量子井戸構造２０５ｃは、複数の異なる平均バンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択した種々の化学量論のＡｌＧａＩｎＰ活性量子井戸層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”を含み、異なるバンドギャップにまたがる再結合のエネルギーが赤色波長範囲内の異なる平均放射波長λ1c、λ2c、およびλ3cの光を発生する。異なる平均放射波長λ1c、λ2c、およびλ3cは、加法的に混合して、統合された広帯域赤色出力光２１５ｃを発生する。量子井戸層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”内のアルミニウム、ガリウム、およびインジウムの相対濃度も井戸の大きさも、約６６５ｎｍの中心波長を持つ約３０ｎｍより大きな波長範囲にわたる出力光２１５ｃを発生するよう選択してよい。
【００５９】
出力光２１５ｃの発生に関連する非放射エネルギー損失Ｅloss,redは、入力エネルギーＥg,red（ＡｌＧａＩｎＰバリア領域２０７ｃのエネルギーで定義する）と平均バンドギャップ・エネルギーＥ１red、Ｅ２red、およびＥ３redを持つマルチ量子井戸構造と一致する光子エネルギー（まとめてＥout,redという）との差により表す。上述のように、放射光子の波長は、バンドギャップ・エネルギーに逆比例する。したがって、赤色波長範囲内の光を発生するための出力エネルギーＥout,redは、緑色および青色波長範囲内の光を発生するためのそれぞれの出力エネルギーＥout,greenおよびＥout,blueより小さい。
【００６０】
しかし、ＡｌＧａＩｎＰのバンドギャップ・エネルギーＥg,redは、例えば、ＧａＮおよびＩｎＧａＮでそれぞれ形成したバンドギャップ・エネルギーＥout,greenおよびＥout,blueより狭いので、全非放射エネルギー損失Ｅloss,redが減少する。言い換えると、緑色ＬＥＤチップ活性領域２０５ｂのものより狭いバンドギャップ材料を赤色ＬＥＤチップ活性領域２０５ｃ用に選択し、入力エネルギーと出力エネルギーとの差を小さくして、非放射エネルギー損失Ｅloss,redを減らしてよい。したがって、より高い波長の光を放射する広帯域ＬＥＤチップ内に次第に狭くなるバンドギャップを有する異なるベース材料を用いて、改善されたエネルギー効率を達成してよい。
【００６１】
更に、図２Ｃを参照すると、ＡｌＧａＩｎＰバリア層２０７ｃ、２０７ｃ’、２０７ｃ”、および２０７ｃ'''は、活性層２０６ｃ、２０６ｃ’、および２０６ｃ”より大きなバンドギャップを与えるよう選択したアルミニウム、ガリウム、およびインジウム組成を有する。また、図２Ｃには同じ相対濃度のアルミニウム、ガリウム、およびインジウムを含むように示しているが、ある実施形態では、１つ以上のバリア層２０７ｃ、２０７ｃ’、２０７ｃ”、および２０７ｃ'''は、異なる相対組成のアルミニウム、ガリウム、および／またはインジウムを有してよい。これについては、図３Ｃを参照して後で詳細に説明する。更に、連続的に減少するバンドギャップ・エネルギーを与えるよう選択した化学量論を有するように示しているが、ＡｌＧａＩｎＰ活性層に他の化学量論を用いてもよい。
【００６２】
したがって、図２Ａ−２Ｃに示す１つ以上の井戸の数、幅、深さ（化学量論に基づく）、分離、ドーピング、形、および／または半導体材料を変えて望ましいスペクトル出力を達成してよい。例えば、量子井戸の成長時間を調整し、成長温度を変え、および／またはチャンバ・ガスの分圧を調整することにより量子井戸の幅を変えて、平均放射色の選択、またはスペクトル分布の改善、および／または効率の変化を行ってよい。井戸の化学量論は、ガス分圧および／または他の成長パラメータの変更により調整してもよい。かかる変更は、量子井戸の成長中に行って、不均一な形（すなわち、種々の化学量論）を持つ井戸を形成してよい。更に、量子井戸を形成する順序は、構造成長条件に基づいて選択してよい。例えば、特定の要素の濃度が隣接する井戸内で連続的に増加し連続的に減少するバンドギャップの量子井戸を生成して、非常に異なる化学量論を有する量子井戸を含む構造を成長させ、効率を高めおよび／または最大にし、および／または再吸収を減らしてよい。
【００６３】
更に、図２Ａ−２Ｃは、３個の別個のチップ２０３ａ、２０３ｂ、および２０３ｃ内に含まれるように示しているが、理解されるように、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＧａＩｎＰのマルチ量子井戸活性領域２０５ａ、２０５ｂ、および／または２０５ｃは、共通の基板上に形成してよい。例えば、ＧａＮベースのマルチ量子井戸構造、ＩｎＧａＮベースのマルチ量子井戸構造、およびＡｌＧａＩｎＰベースのマルチ量子井戸構造は、単一の基板上に形成してよく、また青色、緑色、赤色の波長範囲にわたる光をそれぞれ放射して、それが混合すると白色光に見えるようにしてよい。
【００６４】
図３Ａ−３Ｃは、本発明の他の実施形態による広帯域ＬＥＤチップおよび対応するエネルギー・バンド図を示す。図３Ａ−３Ｃの広帯域ＬＥＤチップでは、バリア層および／または量子井戸活性層の１つ以上の化学量論を変えて性能を向上させる。
【００６５】
より具体的には、図３Ａを参照すると、青色ＬＥＤチップ３０３ａは、ｐ型クラッド層３０８ａとｎ型クラッド層３０９ａとの間に窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの活性領域３０５ａを含む。ＧａＮベースの活性領域３０５ａは、複数の交互に重なるＩｎＧａＮ活性領域３０６ａ、３０６ａ’、および３０６ａ”とＧａＮバリア層３０７ａ、３０７ａ’、３０７ａ”、および３０７ａ'''とを含むマルチ量子井戸構造である。ある実施形態では、ＬＥＤチップ３０３ａは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ａに対応してよい。更に、活性層３０６ａ、３０６ａ’、および３０６ａ”は、図２ＡのＬＥＤチップ２０３ａの活性層２０６ａ、２０６ａ’、および２０６ａ”と同様に構成して、青色出力光３１５ａを発生してよい。しかし、量子井戸活性層３０６ａ、３０６ａ’、および３０６ａ”を囲む領域は、種々の化学量論を有して、それらの形が互いに他とは異なる。
【００６６】
特に、バリア層３０７ａ、３０７ａ’、３０７ａ”、および３０７ａ'''は、複数の連続的に減少するバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択した異なるガリウムの窒化物に対する比を有する。ガリウム濃度も、活性層３０６ａ、３０６ａ’、および３０６ａ”の間のバリア層３０７ａ’および３０７ａ”の厚さにわたって変化してステップ状および／または連続なグレーディングを与えられてよいが、クラッド層３０９ａおよび３０８ａに隣接するバリア層３０７ａおよび３０７ａ'''は、固定のガリウム濃度を有してよい。このように、バリア層３０７ａ、３０７ａ’、３０７ａ”、および３０７ａ'''の相対濃度を選択し、再結合を導きおよび／または促進して、青色波長範囲（例えば、約４１０ｎｍから約４９５ｎｍ）にわたる光放射の効率を改善してよい。
【００６７】
同様に、図３Ｂを参照すると、緑色ＬＥＤチップ３０３ｂは、ｐ型クラッド層３０８ｂとｎ型クラッド層３０９ｂとの間に窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）ベースの活性領域３０５ｂを含む。ＩｎＧａＮベースの活性領域３０５ｂは、複数の交互に重なるＩｎＧａＮ活性層３０６ｂおよび３０６ｂ’とＩｎＧａＮバリア層３０７ｂ、３０７ｂ’、および３０７ｂ”とを含むマルチ量子井戸構造である。ある実施形態では、ＬＥＤチップ３０３ｂは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ｂに対応してよい。
【００６８】
更に、活性層３０６ｂおよび３０６ｂ’は、図２ＢのＬＥＤチップ２０３ｂの活性層２０６ｂおよび２０６ｂ’と同様に構成して、緑色出力光３１５ｂを発生してよい。しかし、バリア層３０７ｂ、３０７ｂ’、および３０７ｂ”は、複数の連続的に減少するバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択したインジウムとガリウムの異なる比を有する。更に、インジウムおよび／またはガリウムの濃度は、バリア層３０７ｂ’の厚さにわたって変化し、ステップ状および／または連続的なグレーディングが与えられてよいが、クラッド層３０９ｂおよび３０８ｂに隣接するバリア層３０７ｂおよび３０７ｂ'''は、固定の濃度を有してよい。このように、バリア層３０７ｂ、３０７ｂ’、および３０７ｂ”の相対濃度を選択し再結合を導きおよび／または促進して、緑色波長範囲（例えば、約４９５ｎｍから約５９０ｎｍ）にわたる光放射の効率を改善してよい。
【００６９】
同様に、図３Ｃを参照すると、赤色ＬＥＤチップ３０３ｃは、ｐ型クラッド層３０８ｃとｎ型クラッド層３０９ｃとの間にリン化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）ベースの活性領域３０５ｃを含む。ＩｎＧａＮベースの活性領域３０５ｃは、複数の交互に重なるＡｌＧａＩｎＰ活性領域３０６ｃ、３０６ｃ’、および３０６ｃ”とＡｌＧａＩｎＰバリア層３０７ｃ、３０７ｃ’、３０７ｃ”、および３０７ｃ'''とを含むマルチ量子井戸構造である。ある実施形態では、ＬＥＤチップ３０３ｃは、図１ＡのＬＥＤチップ１０３ｃに対応してよい。しかし、活性層３０６ｃ、３０６ｃ’、および３０６ｃ”は、複数の異なるバンドギャップ・エネルギーを定め赤色出力光３１５ｃを発生するよう選択したアルミニウム、ガリウムおよび／またはインジウムの異なる比を有してよい。
【００７０】
特に、アルミニウム、ガリウムおよび／またはインジウムの濃度は、活性層３０６ｃ’および３０６ｃ”の厚さにわたって変化するが、活性層３０６ｃは、固定の濃度を有して、形が互いに他とは異なる量子井戸構造を形成してよい。同様に、バリア層３０７ｃ、３０７ｃ’、３０７ｃ”、および３０７ｃ'''は、複数の異なるバンドギャップ・エネルギーを定めるよう選択したアルミニウム、ガリウムおよび／またはインジウムの異なる比を有する。アルミニウム、ガリウムおよび／またはインジウムの濃度は、バリア層３０７ｃ”の厚さにわたって変化してステップ状および／または連続的なグレーディングを与えられてよいが、バリア層３０７ｃ、３０７ｃ’および３０７ｃ'''は固定の濃度を有してよい。このように、バリア層３０７ｃ、３０７ｃ’、３０７ｃ”、および３０７ｃ'''および／または活性層３０６ｃ、３０６ｃ’、および３０６ｃ”の相対濃度を選択し、再結合を導きおよび／または促進して、赤色波長範囲（例えば、約６００ｎｍから約７２０ｎｍ）にわたる光放射の効率を高めてよい。
【００７１】
図４Ａ-４Ｄは、本発明のある実施形態による発光デバイス・ランプのスペクトル放射特性例を示すグラフである。図４Ａは、本発明のある実施形態による青色広帯域ＬＥＤチップ（図１Ａ、２Ａ、および３ＡのＬＥＤチップ１０３ａ、２０３ａ、および３０３ａ等）のスペクトル出力例を示す。図４Ａに示すように、青色ＬＥＤチップが放射する光は、青色波長範囲（例えば、約４１０ｎｍ−４９５ｎｍ）にわたる非対称スペクトル分布４１５ａを定める。これはマルチ量子井戸青色広帯域ＬＥＤチップの活性層が発生する異なる狭帯域放射波長４１６ａを結合した結果である。スペクトル分布４１５ａは、約４６５ｎｍの波長を中心とする（ここでは「中心波長」ともいう）が、スペクトル分布４１５ａのピーク波長４２０ａは、青色波長範囲の端の方、例えば、約４８０ｎｍにある。
【００７２】
図４Ｂは、本発明のある実施形態による緑色広帯域ＬＥＤチップ（図１Ａ、２Ｂ、および３ＢのＬＥＤチップ１０３ｂ、２０３ｂ、および３０３ｂ等）のスペクトル出力例を示す。図４Ｂを参照すると、緑色ＬＥＤチップが放射する光は、緑色波長範囲（例えば、約４９５ｎｍ−５９０ｎｍ）にわたる非対称スペクトル分布４１５ｂを定める。これはマルチ量子井戸緑色広帯域ＬＥＤチップの活性層が発生する異なる狭帯域放射波長４１６ｂを結合した結果である。スペクトル分布４１５ｂは、約５３５ｎｍの波長を中心とするが、スペクトル分布４１５ｂのピーク波長４２０ｂは、緑色波長範囲の端の方、例えば、約５６０ｎｍにある。
【００７３】
図４Ｃは、本発明のある実施形態による赤色広帯域ＬＥＤチップ（図１Ａ、２Ｃ、および３ＣのＬＥＤチップ１０３ｃ、２０３ｃ、および３０３ｃ等）のスペクトル出力例を示す。図４Ｃに示すように、赤色ＬＥＤチップが放射する光は、赤色波長範囲（例えば、約６００ｎｍ−７２０ｎｍ）にわたる非対称スペクトル分布４１５Ｃを定める。これはマルチ量子井戸赤色広帯域ＬＥＤチップの活性層が発生する異なる狭帯域放射波長４１６ｃを結合した結果である。スペクトル分布４１５ｃは、約６６５ｎｍの波長を中心とするが、スペクトル分布４１５ｃのピーク波長４２０ｃは、赤色波長範囲の端の方、例えば、約６９０ｎｍにある。
【００７４】
図４Ｄは、本発明のある実施形態による青色、緑色、および赤色の広帯域ＬＥＤチップを含むＬＥＤランプ（図１ＡのＬＥＤランプ１００等）の結合スペクトル出力を示す。図４Ｄを参照すると、青色、緑色、および赤色の広帯域ＬＥＤのスペクトル分布４１５ａ、４１５ｂ、および４１５ｃは結合して、例えば日光のスペクトル分布に近似する全スペクトル分布４００を与える。しかし上述のように、青色、緑色、および／または赤色の広帯域ＬＥＤチップの活性層の化学量論および／または材料組成を調整することにより、個々のＬＥＤの放射スペクトルの形を変えて、他の望ましいスペクトル出力を生成してよい。
【００７５】
更に、活性層の相対濃度は、例えば、熱的効果や電流密度の増加等のインパクト等を考慮に入れて、特定の動作条件の下で最適スペクトルを生成するよう設計してよい。ある実施形態では、隣接するスペクトル分布４１５ａ、４１５ｂ、および４１５ｃの中心波長（図４Ｄに示すように、それぞれ４６５ｎｍ、５３５ｎｍ、および６６５ｎｍ）の間隔を、対応する半値半幅の和より小さくしてよい。ある実施形態では、スペクトル分布４００内の任意の波長で放射するエネルギー（または、光子の数）は、青色、緑色、および赤色のＬＥＤチップの任意の１つが個々に別の波長で放射するエネルギー（または、光子の数）の約１２５％以内でよい。また、本発明のある実施形態によるＬＥＤランプは、蛍光体等の光変換材料を含まないので、動作効率が向上する。
【００７６】
図５Ａおよび５Ｂは、本発明のさらなる実施形態によるＬＥＤランプおよび対応するスペクトル出力を示す。図５Ａを参照すると、マルチ・チップＬＥＤランプ５００は、第１および第２のダイ取付け領域５０２ａおよび５０２ｂを含む共通基板またはサブマウント５０１を含む。ダイ取付け領域５０２ａおよび５０２ｂは、広帯域ＬＥＤチップを受けるようそれぞれ構成される。第１および第２の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂは、サブマウント５０１のダイ取付け領域５０２ａおよび５０２ｂ上にそれぞれ取り付ける。蛍光体等の光変換材料５０６は、広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂの少なくとも１つが放射する光の少なくとも一部を吸収して異なる波長の光を再放射するよう構成される。
【００７７】
ある実施形態では、光変換材料５０６は、第１および第２の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂが放射する光の波長の間の波長範囲にわたる光を放射するよう構成してよい。光変換材料５０６は、マルチ・チップＬＥＤランプ５００にまたがって厚さまたは組成が異なってよいことが確認された。１つの実施形態では、ＬＥＤ５０３ａは、波長λabsorb,Bを吸収してλemit,Bを放射するよう構成した光変換材料５０６を励起するが、ＬＥＤ５０３ｂは、波長λabsorb,Rを吸収してλemit,Rを放射するよう構成した光変換材料５０６を励起してよい。この例では、分布λemit,Bは、λemit,Rと部分的に重なっても重ならなくてもよい。
【００７８】
より具体的には、図５Ａに示すように、第１の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａは、青色波長範囲（すなわち、約４１０−４９５ｎｍの間）の光を放射するよう構成した青色ＬＥＤチップであり、第２のＬＥＤチップ５０３ｂは、赤色波長範囲（すなわち、約６００−７２０ｎｍの間）の光を放射するよう構成した赤色ＬＥＤチップである。例えば、第１のＬＥＤチップ５０３ａは、図２ＡのＬＥＤチップ２０３ａ等での青色波長範囲の広帯域光出力を生成するよう構成したＧａＮマルチ量子井戸活性領域を含んでよい。同様に、第２のＬＥＤチップ５０３ｂは、図２ＣのＬＥＤチップ２０３ｃ等での赤色波長範囲の広帯域光出力を生成するよう構成したＡｌＧａＩｎＰマルチ量子井戸活性領域を含んでよい。
【００７９】
更に、図５Ａを参照すると、光変換材料５０６は、ＬｕＡＧ（ランタニド＋ＹＡＧ）等の緑色蛍光体であって、広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂが放射する光の少なくとも一部を吸収して緑色波長範囲（すなわち約４９５−５９０ｎｍの間）の光を再放射するよう構成される。光変換材料５０６は、多くの様々な技術を用いてＬＥＤチップ５０３ａおよび／または５０３ｂの一方または両方を少なくとも部分的に被覆すために設けてよい。例えば、光変換材料５０６は、ＬＥＤチップ５０３ａおよび／または５０３ｂを囲むプラスチック・シェル内の封入材料内に含めてよい。それに追加しておよび／またはその代りに、光変換材料５０６は、例えば、本発明の譲渡人に譲渡された米国特許公開第２００６／００６３２８９号が述べているように、ＬＥＤチップ５０３ａおよび／または５０３ｂ上を直接被覆してよい。
【００８０】
他の技術では、光変換材料５０６は、スピン・コーティング、成形、スクリーン印刷法、蒸着、および／または電気泳動堆積を用いてＬＥＤチップ５０３ａおよび／または５０３ｂ上を被覆してよい。更に、光変換材料５０６は、ダイレクト・バンドギャップ半導体等の半導体材料で与えてよい。この場合、第１および第２の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂと光変換材料５０６とが放射する光が混合して白色光を発生する。
【００８１】
図５Ｂは、本発明のある実施形態による青色および赤色の広帯域ＬＥＤチップと緑色蛍光体とを含むＬＥＤランプ（図５ＡのＬＥＤランプ５００等）の結合スペクトル出力を示す。図５Ｂを参照すると、青色および赤色の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂは、スペクトル分布５１５ａおよび５１５ｂで示すように、約４６５ｎｍおよび６６５ｎｍの中心波長を有する光を約１００ｎｍの範囲にわたってそれぞれ放射する。図５Ｂに示すように、中心波長の間隔はスペクトル分布５１５ａおよび５１５ｂのそれぞれの半値半幅の和より大きい。
【００８２】
スペクトル分布５１５ａおよび５１５ｂは非対称であり、ピーク波長は、青色および赤色の波長範囲のそれぞれの端の方にある。更に、光変換材料５０６は、青色および赤色のＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂからの光の少なくとも一部を吸収して、スペクトル分布５１５ｃで示すように約５３５ｎｍの中心波長を有する光を約１００ｎｍの範囲にわたって放射する。青色および赤色の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂと緑色の光変換材料５０６とが放射する光を混合して全スペクトル分布５０５を生成すると、白色光に見える。
【００８３】
図５Ａ−５Ｂでは、特定の材料について示したが、第１および第２の広帯域ＬＥＤチップ５０３ａおよび５０３ｂおよび／または光変換材料５０６として異なる材料を選択して、比較的高いＣＲＩの白色光出力を比較的高い効率で生成してよい。更に、２個の広帯域ＬＥＤチップと単一の光変換材料とを含むように示したが、追加の広帯域ＬＥＤチップおよび／または光変換材料を本発明のある実施形態によるＬＥＤランプ内に含めて、望ましいスペクトル出力を生成してよい。
【００８４】
したがって、本発明のある実施形態による複数の広帯域ＬＥＤチップを含むマルチ・チップ・ランプは、従来のＬＥＤベースのランプに比べて比較的高い効率で高いＣＲＩの白色光出力を生成するよう構成してよい。ここに述べた広帯域ＬＥＤチップは、例えば、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）および／または他の技術を用いて、適当な基板の上にエピタキシャル成長を用いて製造してよい。更に、ＬＥＤチップは、パターニング、エッチング、および／または誘電体および金属堆積技術および／または他の技術を用いて製造してよい。
【００８５】
ここに述べた広帯域ＬＥＤチップのサイズおよびデザインを調整しおよび／または最適化して、例えば、望ましいスペクトル出力（例えば、所定の電流で放射する多数の光子等）を生成してよい。また個々の広帯域ＬＥＤのサイズおよび／またはデザインを調整して、駆動電流源によりよく適合させてよい。その代わりに、本発明のある実施形態によるマルチ・チップ・ランプ内の各広帯域ＬＥＤを別個の電流源により励起して放射された関連する光を調整および／または最適化して望ましい全スペクトル出力を達成してもよい。
【００８６】
図面および明細書において、本発明の実施形態の例を開示した。しかし、本発明の原理から実質的にそれずにこれらの実施形態に多くの変更および修正を行ことができる。したがって、特定の用語は一般的および記述的な意味で用いたに過ぎず、限定を目的として用いておらず、本発明の範囲は、特許請求の範囲により定められる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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