(57)【要約】  半導体材料の活性領域と、該活性領域の対向する側にある、１対の、半導体材料の、反対極性にドープされた層とを有する発光体構造を備えた固体発光デバイスを提供する。活性領域は、ドープされた層の両端に印加された電気的バイアスに応じて所定の波長で発光する。発光体構造と集積化され、少なくとも１つの希土類または遷移金属元素がドープされた、半導体材料の吸収層が含まれている。吸収層は、活性領域からの発光の少なくともいくらかを吸収し、少なくとも１つの異なる波長の光を再放出する。基板が含まれ、その上に発光体構造と吸収層とが配置されている。
2009527125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光発光デバイスであって、
半導体材料の活性領域と、
前記活性領域の対向する側にある、１対の、半導体材料の、反対極性にドープされた層であって、前記活性領域が、前記ドープされた層の両端に印加される電気的バイアスに応じて所定の波長で発光する前記ドープされた層と、
を備えた発光体構造と、
前記発光体構造に集積され、少なくとも１つの希土類または遷移金属元素をドープした、半導体材料の吸収層であって、前記活性領域からの発光の少なくともいくらかを吸収し、少なくとも１つの異なる波長の光を再放出する吸収層と
を備えたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記反対極性にドープされた層の両端に前記バイアスを印加するために、前記反対極性にドープされた層のそれぞれに接触する複数のオーミック金属を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記活性領域は、多重量子井戸、単一量子井戸またはダブルヘテロ構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記吸収層は、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｕのグループの中の少なくとも１つの元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記吸収層は、基板と前記吸収層との間にある前記発光体構造上にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記吸収層は、前記発光体構造と基板との間にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
前記吸収層は、複数の層の区域を備え、そのそれぞれは、前記層の区域の他の部分とは異なる濃度あるいは組合せで、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項８】
前記吸収層は、半導体材料の複数の層を備え、そのそれぞれは、前記複数の層の他の層とは異なる組合せまたは濃度で、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記活性層が紫外光を発光し、前記吸収層が前記紫外光の少なくともいくらかを吸収して、少なくとも１つの異なる色の光を再放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記活性層が青色光を発光し、前記吸収層が前記青色光の少なくともいくらかを吸収して、少なくとも１つの異なる色の光を再放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記デバイスから発光する光は、前記活性領域から発光した光または前記吸収層から再放出した光またはその組合せを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記複数のオーミック金属の１つは、前記反対極性にドープされた層の中の上部のドープされた層上にあり、前記オーミック金属のうちの前記上部のものは、開口部を持つパターンを有し、前記吸収層は、前記パターン開口部の中に配置されることを特徴とする請求項２に記載の光発光デバイス。
【請求項１３】
前記活性領域は、バイアスに応じて所定の波長で発光する複数の活性層を備え、前記吸収層は、前記複数の活性層のうちの少なくとも１つからの前記光の少なくともいくらかを吸収して、異なる波長で再放出することを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１４】
前記活性層は、青色、緑色、および紫外光を発光し、前記吸収層は前記紫外光を吸収して異なる波長の光を再放出し、前記ＬＥＤは、前記活性層の全てが発光する場合には、青色、緑色、および紫外および前記再放出の光を発することを特徴とする請求項１３に記載の発光デバイス。
【請求項１５】
前記活性領域は、１つの波長の光を放出し、前記吸収層は、前記吸収層が前記活性領域の光の少なくともいくらかを吸収し、複数の波長の光の波長組合せを再放出するように、複数の希土類または遷移金属元素が全体にドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１６】
前記層の区域のそれぞれと位置合わせした前記活性領域にバイアスを選択的に印加して、前記活性領域の１つ以上の部分を発光させることができ、その発光が、前記位置合わせした層の区域の前記位置合わせした１つによって主に吸収され、異なる色での再放出が可能であることを特徴とする請求項７に記載の発光デバイス。
【請求項１７】
前記色中心上の前記活性層へ前記バイアスを選択的に印加するために、前記反対極性にドープされた層上にオーミック金属を更に備えることを特徴とする請求項１６に記載の光発光デバイス。
【請求項１８】
前記活性領域からの前記光と、前記吸収層によって吸収され、再放出した前記光とが、鏡の間で反射されて誘導放出に到達するように、固体レーザを備え、対向する表面上に鏡を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１９】
前記鏡は、１つ以上の色が誘導放出に到達するために有利に働くことを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２０】
近紫外光がほとんど漏れないようにした鏡を持つ近紫外レーザを備え、前記吸収層は、紫外波長が吸収帯内あるいは吸収端となり、可視スペクトルの中で同時に１つ以上の色を再放出することを特徴とする請求項１８に記載の発光デバイス。
【請求項２１】
共通の基板上に前記デバイスと集積化した電気回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項２２】
前記活性領域の光または前記再放出された光の片方または双方を反射するための反射器であって、前記発光デバイスに集積化された反射器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項２３】
前記反射器は、分布ブラッグ反射器を備えることを特徴とする請求項２１に記載の発光デバイス。
【請求項２４】
前記吸収層は、前記吸収層に電導特性を付与するようにドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項２５】
前記吸収層は、量子ドットを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項２６】
固体光発光デバイスから光を発生させる方法であって、
活性領域からの、第１の波長範囲内に在る光放出を励起するステップと
前記光放出の少なくとも一部でエピタキシャル半導体材料を照射するステップであって、前記エピタキシャル半導体材料は、前記第１の波長範囲内の光を吸収して異なる波長範囲内に誘導再放出を行うように希土類または遷移金属元素でドープされていることを特徴とする照射ステップと、
両方の発光の波長組合せを透過させるステップと
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項２７】
前記活性領域を挟んでいる、反対極性にドープされた層を更に備え、前記活性領域からの光放出を励起する前記ステップは、前記反対極性にドープされた層の両端にバイアスを印加するステップを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
希土類または遷移金属元素がドープされた前記エピタキシャル層は、前記反対極性にドープされた層の１つに隣接して配置されていることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
ｐ型層とｎ型層によって挟まれた、半導体材料の活性領域であって、前記ｐ型ドープされた層とｎ型ドープされた層の両端に印加した電気的バイアスに応じて、ある波長で発光する活性領域と、
希土類または遷移金属元素がドープされた、半導体材料の希土類（ＲＥ）層であって、前記活性領域からの前記光の少なくともいくらかが前記ＲＥ層に入り、前記入った光の少なくともいくらかは、前記希土類または遷移金属元素によって吸収され、前記吸収された光は希土類または遷移金属元素から、前記活性領域の波長とは異なる波長で再放出されることを特徴とするＲＥ層と
を備えたことを特徴とする光発光デバイス。
【請求項３０】
前記活性領域および前記希土類または遷移金属元素から波長組合せの光を放出することを特徴とする請求項２９に記載の光発光デバイス。
【請求項３１】
前記層は、ＩＩＩ族窒化物材料で出来ていることを特徴とする請求項２９に記載の光発光デバイス。
【請求項３２】
前記ＲＥ層は、希土類または遷移金属元素がドープされたＩｎＡｌＧａＮで出来ていることを特徴とする請求項２９に記載の光発光デバイス。
【請求項３３】
前記ＲＥ層は、多重量子井戸を備えることを特徴とする請求項３２に記載の光発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色を含む色々な色の光を放出することの出来る固体発光ダイオード（ＬＥＤ）とレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する、公知の種類の固体デバイスである。ＬＥＤは、一般的には、反対極性にドープされた層の間に挟まれた、半導体材料の１つ以上の活性層を備える。該ドープされた層の両端にバイアスが印加されると、正孔と電子が該活性層へ注入され、そこで再結合して光を発生する。光はＬＥＤの活性層から、および全ての表面から全方向に放出される。利用される光は、一般に、ＬＥＤの上面の方向に放出される。上面は通常はｐ型である。
【０００３】
従来のＬＥＤの１つの欠点は、その活性層から白色光を発生することが出来ないことである。従来のＬＥＤから白色光を作り出す１つの方法は、異なるＬＥＤからの異なる色を組み合わせることである。例えば、赤、緑、及び青のＬＥＤまたは青と黄色のＬＥＤからの光を組み合わせて白色光を生成することが出来る。この方法の１つの欠点は、単一の色の光を発生するＬＥＤを複数用いる必要があることであり、コストを増大させる。更には、別の色の光は、別のタイプのＬＥＤから発生するのがしばしばであり、これは、１つのデバイスに組み合わせるためには複雑な製造工程を必要とする。異なる種類のダイオードは異なる制御電圧を必要とするので、出来上がるデバイスは、また、複雑な制御用電子回路を必要とする。異なるＬＥＤの経時変化の特性が異なることによって、これらのデバイスの長期波長安定性もまた劣化する。
【０００４】
青色発光ＬＥＤからの光は、ＬＥＤを黄色の蛍光剤、ポリマー、または染料で取り囲むことによって白色光に変換できる（例えば、黄色蛍光剤粉末で取り囲まれた青色ＬＥＤを備えた日亜化学の白色ＬＥＤ、部品番号ＮＳＰＷ３００ＢＳ、ＮＳＰＷ３１２ＢＳなどを参照のこと。また、特許文献１を参照のこと。）。取り囲む材料は、ＬＥＤ光のいくらかの波長をダウン・コンバートして、その色を変える。例えば、窒化物ベースの青色発光ＬＥＤが黄色の蛍光剤で取り囲まれる場合、青色光のいくらかは、変化を受けることなく蛍光剤を通過するが、残りの光は黄色にダウン・コンバートされる。該ＬＥＤは青色と黄色の光を放出し、それらが組み合わされて白色光を生成する。
【０００５】
【特許文献１】ハイデン（Ｈａｙｄｅｎ）による米国特許第５９５９３１６号明細書、発明の名称「蛍光剤-ＬＥＤデバイスの多重封止（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒ―ＬＥＤ  Ｄｅｖｉｃｅｓ.）」
【特許文献２】フリーエンス（Ｖｒｉｅｎｓ）らによる、米国特許第５，８１３，７５３号明細書
【特許文献３】ロウェーリ（Ｌｏｗｅｒｙ）による、米国特許第５,９５９,３１６号明細書
【特許文献４】米国特許第３４、８６１号明細書
【特許文献５】米国特許第４，９４６，５４７号明細書
【特許文献６】米国特許第５，２００，０２２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２９０，３９３号明細書
【特許文献８】米国特許第５，６８６，７３８号明細書
【特許文献９】米国特許第５，３９３、９９３号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，５２３，５８９号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，７３９，５５４号明細書
【特許文献１２】米国特許第６，８４１，００１号明細書
【非特許文献１】プレンティス・ホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ）、レーザ・エレクトロニックス（Ｌａｓｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、第２版、 Ｊ．Ｔ．ヴェルデイン（Ｊ．Ｔ．  Ｖｅｒｄｅｙｅｎ）、ページ３６３（１９８９）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蛍光剤を添加すると、複雑な製造工程を必要とする複雑なＬＥＤになってしまう。更に、蛍光剤における吸収と青色から黄色へのストークス・シフトによって正味の発光効率が低減する。この方法を用いたＬＥＤの例は、例えば、特許文献２及び３に開示されている。
【０００７】
窒化物ベースのＬＥＤの最近の進歩は、高効率な青色光源を実現し、その効率は、フィラメント（または蛍光）ベースの白色光源を凌駕することが期待される。しかしながら、従来の青色ＬＥＤは、比較的低い供給電流で動作するので、その結果、多くの照明応用にとっては暗すぎる光になる。この問題は、青色光源から白色光を発生するために用いられるダウン・コンバート用の材料によって青色光のいくらかが受ける吸収の問題と混ざっている。青色ＬＥＤが室内照明のために十分に明るい光源を提供するためには、ＬＥＤに流される電流は、従来の２０−６０ｍＡｍｐから０．８−１Ａｍｐへ増大しなければなれない。この電流では、ＬＥＤは非常に熱くなり、ＬＥＤを取り囲む材料も熱くなる。熱は、ＬＥＤをとり囲むダウン・コンバート用の材料にダメージを加え、ＬＥＤの光をダウン・コンバートする能力を下げる。熱はまた、ＬＥＤの近くにある、またはＬＥＤに接触している物を焼くという危険をもたらす。
【０００８】
また、従来のＬＥＤは、１つの色の光を放出し、従来の多色ＬＥＤ表示装置では、異なる色の光を生成するために異なるＬＥＤを含まなければならない。表示装置またはテレビのスクリーンのような応用分野では、これは相当な数のＬＥＤとなってしまい、複雑な制御電子装置が必要になる。
【０００９】
固体レーザは、ＬＥＤと同様に電気的エネルギーを光に変える（例えば、非特許文献１を参照のこと。）。個体レーザは、構造的にＬＥＤと同様であるが、２つの対向する面上に鏡を有する。端面発光レーザの場合には、鏡はデバイスの側面上にあり、活性層によって発生した光を反射して、レーザの側面から鏡の１つを通って逃げ出す光の割合を小さくしている。この結果、高度に平行化されたコヒーレント光源となる。垂直共振器レーザは、端面発光レーザとほぼ同様に機能するが、鏡は、上面と底面上にある。活性層からの光は、鏡の間で反射し、レーザの上面から同様に平行化された光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、少なくとも１つの層が、活性領域からの放出光を吸収して、他の色の光を放出する元素をドープした、新しいＬＥＤと固体レーザを提供するものである。一実施形態では、ＬＥＤ／レーザの活性層は、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされた基板上に成長される。他の実施形態では、ＬＥＤ／レーザは、また、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされた、半導体材料の吸収層を備える。新しいＬＥＤ／レーザは新しい色の光を生成するために、ドープした基板または吸収層の光吸収と発光特性に依拠している。複数の元素がドープされた、複数の発光層または吸収層を有するＬＥＤでは、供給電流を操作して、単一のＬＥＤで複数の色を生成できるようにすることが出来る。本発明の具体的な利点の１つは、新しい白色光発光ＬＥＤを提供することが出来るということである。
【００１１】
新しいＬＥＤは、全方向に発光する１つ以上の活性層を有し、光のいくらかはＬＥＤの表面から放出され、いくらかはドープされた基板または吸収層の中へ進入する。ドーパントの種類に依存して、ある限られた範囲の波長の光が吸収される。この吸収範囲内の光はドーパント・イオンの電子を高エネルギー状態へ励起する。励起された電子は、自然の平衡状態に引き戻されて、エネルギーを、ドーパント・イオンの種類に依存する波長の光として放出する。光は、ＬＥＤの表面を通る方向を含む全方向に放出される。ドーパント・イオンから放出される光の波長は、通常は、活性層によって放出される波長とは異なり、実効的にデバイス全体から放出される色の光を変えることになる。
【００１２】
本発明による固体発光デバイスの一実施形態は、半導体材料の活性領域と、該活性領域の対向する側面上にある１対の、半導体材料の、反対極性にドープされた層とを有する発光体構造を備える。活性領域は、ドープされた層の両端に印加された電気的バイアスに応じて所定の波長で光を放出する。発光体構造に集積化した、少なくとも１つの希土類または遷移金属元素がドープされた、半導体材料の吸収層が含まれる。該吸収層は、活性領域から放出された光の少なくともいくらかを吸収し、少なくとも１つの異なる波長の光を再放出する。基板が含まれ、該基板上に発光体構造と吸収層とが配置される。
【００１３】
本発明のこれらの、及び他の更なる特徴と利点は、添付の図面と一緒に以下の詳細な記述から当業者には明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明によって構築された単一の活性層をもつ窒化物ベースのＬＥＤ１０を示す。ＬＥＤ１０は、２つの反対極性にドープされたＧａＮ層１２と１３の間に挟まれて、紫外光を放出するＩｎＧａＮ活性層１１を有する。最上層１２は、通常はｐ型ＧａＮであり、底部層１３は、通常はｎ型ＧａＮであるが、層を逆にしてもこの新規ＬＥＤは同様に動作する。ｐ型層とｎ型層は、それぞれオーミック電極１４と１５を有し、それぞれが活性層１１の両端にバイアスを印加するためのリードを有していて、それが全方向に光を放出するようにしている。ＬＥＤ全体は、ルビーを作るクロミウム（Ｃｒ）をドープしたサファイヤ（Ａｌ2Ｏ3）基板上に成長される。ルビーは、固体デバイスの基板として用いることが出来る形態でユニオン・カーバイド社のような会社から市販されている。ＬＥＤは、基板上に、多くの公知の方法を用いて成長させることができる。好適な方法は、有機金属化学気相成膜法（ＭＯＣＶＤ）である。
【００１５】
活性層１１から放出した光のいくらかは、最上表面を通過し、いくらかは、ルビー基板１６に進入する。最上表面から放出される紫外光は可視ではない。基板１６に進入した光のいくらかまたは全ては、吸収されて、基板の中のＣｒ電子を高エネルギー状態へ励起する。電子がその平衡状態へ戻るときに、エネルギーを約６３０ｎｍの波長の赤色光として放出する。この光は、ＬＥＤの最上表面への方向を含む全方向に放出される。紫外光は可視ではないので、この新規ＬＥＤは、赤色光だけを放出しているように見える。このように、この新規ＬＥＤは、外部変換材料を用いることなく、また他の色または種類のＬＥＤと組み合わせることなしに、赤色光を提供する。
【００１６】
ルビー基板は、また、約５５０ｎｍの波長の黄色光を吸収し、ドーパントの電子がその平衡状態へ戻るときに赤色光を放出する。窒化物ベースのＬＥＤは、約５５０ｎｍの波長を有する黄色光を放出するＩｎＧａＮから出来た活性層を有することが出来る。光のいくらかは、ルビー基板へ進入し、赤色光の放出を促す。活性層からの黄色光と基板からの赤色光の両方が、ＬＥＤの表面から放出される。
【００１７】
基板にドーピングしてＬＥＤ光の異なる色を生成するこの新技術は、多くの異なる材料系から出来た発光デバイスに用いることが出来る。デバイスは、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸、または多重量子井戸である１つ以上の活性層を有することが出来る。基板は、サファイヤ以外の多くの異なる材料から作ることも出来る。それらはスピネル、炭化珪素、窒化ガリウム、石英ＹＡＧＩ、ガーネット、または酸化物単結晶を含むが、これに限定されるものではない。基板は、また、ガリウム酸リチウム、ニオブ酸リチウム、または酸化亜鉛のような他の酸化物材料から作ることも出来る。
【００１８】
基板のドーパントは、コバルト、チタン、鉄、マグネシウム、ニッケル、エルビウム、ネオジウム、プラセオジウム、ユーロピウム、ツリウム、イッテルビウム、またはセリウムを含むがこれらに限定されることはない、Ｃｒ以外の多くの異なる希土類または遷移金属元素であってもよい。異なるドーパントと基板は、ルビー基板と同様に作用し、或る波長の光を吸収し、励起されたドーパント・イオンの電子がその平衡状態に戻るときに、異なる波長の光を放出する。例えば、サファイヤ基板がニッケルまたはマグネシウムでドープされているときは、紫外光を吸収し、緑色光を放出する。サファイヤ基板が鉄またはチタンでドープされているときは、紫外光を吸収して青色光を放出する。コバルトでドープされているときは、紫外光を吸収し緑色光を放出する。基板は、希土類と遷移金属元素のドーパントとほとんど同様に機能する高分子を用いることも出来る。基板１６は、多くのドーピング方法によって所望の希土類または遷移金属元素をドープすることが出来る。所望の方法は固体拡散、イオン注入、ビーム蒸着、スパッタリング、またはレーザ・ドーピングを含む。
【００１９】
基板は、エピタキシャル層の成長のために、サファイヤ以外の、シリコン（Ｓｉ）及び炭化珪素を含むがこれらに限定されない、多くの異なる材料から作られてもよい。適当な炭化珪素は、４Ｈポリタイプ炭化珪素であるが、３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒのポリタイプを含む他の炭化珪素ポリタイプも用いることが出来る。炭化珪素は、サファイヤのような他の基板材料よりもＩＩＩ族窒化物により近い結晶格子整合を有していて、その結果、ＩＩＩ族窒化物薄膜をより高品質なものにする。炭化珪素は、また、非常に大きな熱伝導率を有し、炭化珪素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力パワーは、基板の熱放散によっては制限されない（サファイヤ上に形成されたある種のデバイスでは制限されるが）。ＳｉＣ基板は、本件特許出願人から入手可能であり、製造の方法は科学文献や特許文献４−６に記述されている。
【００２０】
図２は、窒化物ベースであり、それぞれが異なる波長の光を放出する３つの活性層２１、２２、と２３を有する新規ＬＥＤ２０の他の実施形態を示す。これはＬＥＤ２０が多色を放出し、組み合わされて白色光を生成することを可能とする。活性層２１、２２、および２３は、それぞれが約５２０ｎｍ、４７０ｎｍおよび４００から４２０ｎｍの波長の緑色、青色、および紫外光を放出するように、異なる割合のＩｎＧａＮから出来ている。色々な色の光を生成するための、活性層に必要なＩｎの異なる割合の例は、紫外光に対しては０パーセント（％）、近紫外光に対しては５から１０％、青色光に対しては１０から２７％、緑色光に対しては２８から３５％、黄色光に対しては３５から６０％、を含む。
【００２１】
ＬＥＤ２０は、全てＧａＮで出来た３つのｐ型層２４、２５、および２６を有する。ｐ型層２４は活性層２１に隣接していて、その電極２７にバイアスが印加されると活性層２１に正孔を注入する。同様に、ｐ型層２５は、その電極２８にバイアスが印加されると活性層２２に正孔を注入し、ｐ型層２６は、その電極２９にバイアスが印加されると活性層２３に正孔を注入する。ｎ型層３０もまたＧａＮでできていて、その電極３１にバイアスが印加されると全ての活性層に電子を注入する。電子は各活性層２１、２２、および２３へ移動する。デバイスの全体は、ルビー基板３２上に成長される。
【００２２】
ｎ型電極３１及び全てのｐ型電極２７、２８、および２９の両端に（通常は３から４ボルトの範囲内の）バイアスが印加されると、各活性層２１、２２、および２３は全方向に光を放出する。緑色、青色、および紫外光は、ＬＥＤ２０の表面を通って放出され、また、ルビー基板３２内へ進入する。基板３２内のＣｒは、紫外光だけを吸収し、Ｃｒの電子がその平衡状態に戻るときに赤色光を放出する。この赤色光のいくらかは、緑色、青色、および紫外光と一緒にＬＥＤの表面から放出される。それら全ては、組み合わされて白色光を生成する。
【００２３】
新規ＬＥＤ２０の他の利点は、ｐ型電極２７、２８、および２９の１つ以上にバイアスを印加することが出来ることであり、それはＬＥＤ２０が異なる色の光を選択的に放出することを可能にする。例えば、バイアスがｐ型電極２７とｎ型電極３１に印加されると、正孔と電子は主に活性層２１内へ注入され、緑色光を放出する。この光はルビー基板には吸収されず、その結果、ＬＥＤ２０は緑色光だけを放出する。同様に、ｐ型電極２８とｎ型電極３１にバイアスが印加されると、ＬＥＤ２０は青色光だけを放出する。ｐ型電極２９とｎ型電極３１にバイアスが印加されると、活性層２３は紫外光を放出するが、ルビー基板がそれを吸収し、赤色光として再放出する。このように、３つのｐ型電極２７、２８、および２９の１つにバイアスを印加することによって、ＬＥＤ２０は緑色、青色、または赤色光を選択的に放出することが出来る。
【００２４】
バイアスがｎ型電極３１と、３つのｐ型電極２７、２８、および２９の中の２つに印加されると、２色の光がＬＥＤ２０から放出され、組み合わされて更なる色を生成する。バイアスが電極２７と２８に印加されると、緑色と青色光が放出され、組み合わさって水色を生成する。バイアスが電極２７と２９に印加されると、緑色と赤色光が放出され、組み合わさって黄色を生成する。バイアスが電極２８と２９に印加されると、青色と赤色光が放出され、組み合わさって紫色を生成する。
【００２５】
色々な活性層から放出される光の輝度は、それぞれの電極に印加される電流のレベルに依存する。電流が大きいと光はより明るく、その逆も成り立つ。活性層２１、２２、および２３への電流レベルを増減することは、ＬＥＤ２０から放出される光の色に変化を作り出すことが出来る。例えば、青色活性層２２には標準的な電流を印加して、緑色活性層２１には電流を増加させて印加すると、ＬＥＤ２０によって放出される水色は、活性層２１と２２の両方が通常レベルの電流を流す場合に放出される水色に比べてより緑色となる。このことは、ＬＥＤ２０から放出される光の色に更に大きな柔軟性を与えるものである。
【００２６】
白色光は、また、その活性層から１つだけの色の光を発生する新規ＬＥＤによって、基板に複数の希土類または遷移金属元素をドープすることによって生成することが出来る。図３は、窒化物ベースであり、ＩｎＧａＮで出来た紫外光放出の多重量子井戸活性層３５を有する新規ＬＥＤ３４の他の実施形態を示す。ただし、他のタイプの活性層も用いることも出来る。活性層は、ＧａＮｎ型層３６とＧａＮｐ型層３７との間に挟まれている。ｐ型電極３９とｎ型電極４０との間にバイアスが印加されると、活性層３５は紫外光を放出し、そのいくらかはＬＥＤ表面から放出され、いくらかは基板３８に進入する。基板３８は、紫外光を吸収して赤色光を放出するＣｒ、紫外光を吸収して青色光を放出するチタン（Ｔｉ）、および、紫外光を吸収して緑色光を放出するコバルト（Ｃｏ）がドープされている。赤色、緑色、及び青色光は、基板から全方向に放出され、そのいくらかは、ＬＥＤの表面から放出されて白色光を生成する。
【００２７】
図４は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層４５を持つ新規ＬＥＤ４４の他の実施形態を示す。ただし、他のタイプの活性層を用いることも出来る。活性層４５は、約４７０ｎｍの波長を持つ青色光と約５５０ｎｍの波長を持つ黄色光とを放出する。ＬＥＤ４４は活性層４５の上面上にＡｌＧａＮ層４６を有し、ＡｌＧａＮ層４６の上面上にｐ型ＧａＮ層４７を有する。また、活性層４５の下にｎ型ＧａＮ層４８を有する。バイアスがｐ型電極４９とｎ型電極５０とから活性層４５に印加される。ＬＥＤ層の全ては、ルビー基板５１上に成長される。
【００２８】
電極４９と電極５０にバイアスが印加されると、正孔と電子は、活性層４５に注入され、青色光と黄色光が放出される。光のいくらかは、ＬＥＤ４４の表面から放出され、いくらかは、黄色光を吸収して赤色光を放出するルビー基板５１内に進入する。青色光は基板５１を通過し、吸収はされない。青色、黄色、および赤色光は、ＬＥＤ４４の表面から放出され、組み合わされて白色光を作り出す。
【００２９】
本発明によるＬＥＤ４４の他の実施形態では、活性層４５は、異なる厚さのいくつかの量子井戸であって、それぞれが他の量子井戸と同時に異なる色を発することが出来る量子井戸を有する。この構成は、ＬＥＤ４４が組み合わされて白色光または白色光の成分を作ることが出来る色の光を放出することを可能にする。ＬＥＤは１つのｐ−ｎ接合を備え、活性層はｐ領域とｎ領域との間、または少しだけどちらかの側に配置することが出来る。量子井戸は同じ温度と同じ割合のＩｎで成長させることが出来るので、構造を効率よく作ることができ、また、高品質に作ることができる。しかしながら、他の実施形態では、複数の組成のＡｌＩｎＧａＮも、発光波長を変化させるために用いることが出来る。
【００３０】
新規ＬＥＤは、また、基板に色々な希土類及び遷移金属元素の「色中心（color centers）」をドープすることによって、異なる色の光を発生できる。色中心は、基板内の異なるドーピング材料の集合からなる。図５は、３つの色中心５９、６０、および６１を含む基板５８上に成長した新規ＬＥＤ５２を示す。ＬＥＤは、紫外光を放出する、ＩｎＧａＮの多重量子井戸活性層５４を備える。活性層上にｐ型ＡｌＧａＮ層５５が成長され、ｐ型ＧａＮ層５６がＡｌＧａＮ層５５上に成長され、ｎ型ＧａＮ層５７が活性層５４の下に成長される。ＬＥＤ５２の全体は、Ｃｒドープの色中心５９、Ｔｉドープの色中心６０、およびＣｏドープの色中心６１を有するサファイヤ基板上に成長される。
【００３１】
ＬＥＤ５２は、また、ｎ型電極６５及び、ｐ型層５６上の３つのｐ型電極６２、６３、および６４を含み、各ｐ型電極は、それぞれの色中心の上に配置されている。いろいろな電極に印加されるバイアスを操作することによって、ＬＥＤ５２によって放出される色を変えられる。ｎ型電極６５とｐ型電極６２にバイアスが印加されると、活性層５４は主に電極６２の下で光を発生し、活性層からの光は、基板５８に進入し、そのほとんどはＣｒドープの色中心５９に進入する。いくらかの、または全ての光は色中心５９によって吸収され、赤色光として再放出される。代わって、ｐ型電極６３にバイアスが印加されると、活性層からの大部分の光は、Ｔｉドープの色中心６０の場所で基板に進入し、いくらかの、または全ての光は吸収されて青色光として再放出される。最後に、ｐ型電極６４にバイアスが印加されると、大部分の光はＣｏ色中心の場所で基板に入り、いくらかの光が吸収され、緑色光として再放出される。従って、ｎ型電極と１つのｐ型電極との間にバイアスを印加することによって、ＬＥＤ５２は赤色、青色、および緑色光を選択的に放出することが出来る。
【００３２】
図２のＬＥＤ２０と同じように、ｎ型電極６５と複数のｐ型電極６２、６３、および６４との間にバイアスが印加されると、水色、黄色、紫色、及び白色のような異なる色を生成する。それらは、異なる発光色中心からの色を組み合わせることによって作り出される。ＬＥＤ５２から放出される色を変化させるために、電極に印加される電流のレベルを増減することも出来る。ｐ型電極６２、６３、および６４に印加される電流が大きいほど、電極の下の活性層５４から放出される光強度は大きくなり、電極の下の色中心で吸収され放出される光強度は増大する。特定の色の強度が増加すると、他の色中心からの光と組み合わされたときに、それがより支配的となる。
【００３３】
図６は、新規ＬＥＤ６５の他の実施形態を示す。本実施形態では、ＬＥＤがＹＡＧ：Ｃｅのダウン・コンバート用の材料６６によって部分的に取り囲まれている。ＬＥＤ６５は、約４７０ｎｍの波長を有する青色光を放出する活性層６７と、その下方に、約４２０ｎｍの波長を有する紫外光を放出する活性層６８とを持つ。ＬＥＤは２つのｐ型層６９と７０及びｎ型層７１を有し、それぞれ、電極７２、７３、および７４を有する。ダウン・コンバート用の材料６６は、上方の活性層６７を部分的に取り囲み、青色光のいくらかを吸収して黄色光にダウン・コンバートする。ＬＥＤは、下方の活性層６８からの紫外光を吸収して赤色光を再放出するルビー基板７５上に成長される。その結果、ＬＥＤ６５は青色、黄色、および赤色光を放出し、それらは組み合わされて白色光を作る。
【００３４】
新規ＬＥＤについての他の多くの実施形態を、本発明によって構築することが出来る。新規ＬＥＤは、ルビー基板上に成長し、３つの活性層を有する。１つは約４００−４２０ｎｍの波長の光を放出し、他の１つは約５００ｎｍの波長の光を放出し、及び最後のものは約５５０ｎｍの波長の光を放出する。他の実施形態では、１つは約４００−４２０ｎｍの波長の光を放出し、他の１つは約４７０ｎｍの波長の光を放出し、及び最後のものは約５２０ｎｍの波長の光を放出する。また、ＬＥＤは、ルビー基板上に成長し、２つの活性層を有することもできる。１つは約４００−４２０ｎｍの光を放出し、他は約５００ｎｍの光を放出する。あるいは、１つは約５００ｎｍの光を放出し、他は約５５０ｎｍの光を放出する。
【００３５】
本発明は、端面発光レーザおよび垂直共振器形レーザのような固体レーザに用いることが出来る。図７は、窒化物ベースの端面発光レーザ７６を示し、構造的にはＬＥＤと同様である。レーザ７６は、ｐ型ＧａＮ層７８とｎ型ＧａＮ層７９との間に挟まれたＩｎＧａＮ活性層７７を有し、それら全ては、Ｃｏがドープされている基板８０上に成長される。レーザ７６は、また、鏡８１と８２を有し、光を鏡の間で反射させるとともに、１部分は鏡８１を通して逃がす。その結果、高度に平行化された／可干渉の光源となる。
【００３６】
（不図示の）電極を通してｐ型層７８とｎ型層７９にバイアスが印加されると、活性層７７は、光を全方向に放出し、光のいくらかは、基板８０の中へ進入する。いくらか、または全ての光は、吸収され緑色として再放出される。光は、鏡８１と８２の間を反射し、紫外光および／または緑色光の誘導ＬＥＤ放出を発生する。紫外光は、目に見えないので、その結果、レーザ７６は、あたかも緑色光を放出しているように見える。基板８０に用いられたドーパントに依存して、放出される光の色は異なることが出来る。上記のように、例えば、基板は、紫外光を吸収して赤色光を放出するようにＣｒをドープすることが出来る。新規の赤色レーザは、従来の赤色レーザに比べて温度耐性が高い。
【００３７】
図８は、端面発光レーザとほとんど同様に動作する垂直共振器形レーザ８３を示す。レーザ８３は、ドープされた基板８４と、２つの反対極性にドープされた層８７と８６に挟まれた、紫外を放出する活性層８５とを有する。レーザ８３は、上表面８８と底表面８９上に鏡を有し、平行光は、一般に、上面鏡８８を通して放出される。動作中は、活性層８５からの光は、全方向に放出され、そのいくらかは鏡８８と８９の間で反射し、誘導放出に至る。活性層８５からの光のいくらかは、また、基板８４に入り、そこで吸収され、基板の中のドーパントに依存した異なる色を放出する。基板８４からの光も、鏡８８と８９の間で反射し、上表面から平行光として放出される。紫外光は目に見えないので、レーザはあたかも基板８４からの波長の光を発しているだけのように見える。
【００３８】
本発明の他の実施形態は、ＬＥＤおよび固体レーザのエピタキシャル層の中で、特に伝導性である必要はなく適当なホスト材料を提供するような層の中に、希土類または遷移金属元素を含めることが出来る。典型的な白色発光のＬＥＤは、波長変換のために外部蛍光剤を備えているが、本発明では、変換材料はエピタキシャル層の中に含まれる。ドープした基板を有する上記の実施形態と同様に、エピタキシャル層の中の希土類および遷移金属元素は、或る波長の光を吸収してドーパント材料の電子を高次エネルギー状態に励起する。電子がその平衡状態に引き戻されるときに、吸収された波長とは異なる波長を有する光を放出する。
【００３９】
図９は、希土類または遷移金属元素がドープされたエピタキシャル層の吸収層１０２を持つ、本発明によるＬＥＤ１００の一実施形態を示す。吸収層とは、光を吸収して、少なくとも１つの異なる波長の光を再放出する、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされた半導体材料の層のことを言う。このドープされた層は、今後「ＲＥ層」と呼ぶことにする。
【００４０】
ＬＥＤ１００は、多くの異なる材料系で作ることが出来るが、好適には、ＩＩＩ族窒化物材料系で作られる。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）である周期律表のＩＩＩ族の元素とで形成される半導体化合物のことを言う。この用語は、また、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮのような３元及び４元化合物のことも言う。ＬＥＤ構造１０４は、ｐ型層１０６とｎ型層１１０との間に挟まれた活性領域１０８を備える。好適なる実施形態では、活性領域１０８は、ｐ型層１０６とｎ型層１１０とに隣接している。ｐ型層とｎ型層とを形成する材料はＧａＮであり、活性層を形成する材料は、ＩｎＧａＮでありうる。代替の実施形態では、ｐ型層とｎ型層の材料は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰでありうる。好適なるＬＥＤ１００では、ｐ型層１０６はＭｇドープのＧａＮであり、ｎ型層は、ＳｉドープのＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮであり、活性層は単一量子井戸または多重量子井戸のＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮでありうる。
【００４１】
ＬＥＤ構造１０４は基板１１２上に形成され、図示のようにＬＥＤ１００は、全体のパッケージの１部として基板を備える。ＬＥＤ１００（およびここで記述する他のＬＥＤ／レーザの実施形態）にとっては、基板１１２はＬＥＤ構造１０４を形成後に除去することができ、または、ＬＥＤ構造は、他の方法を用いて基板を用いないで形成することができるということは理解されるだろう。従って、ＬＥＤ１００は、基板１１２無しで動作するＬＥＤ構造１０４を有することが出来る。基板１１２は、上に列挙した色々な材料で作ることが出来るが、炭化珪素で作るのが好適である。
【００４２】
ＬＥＤ１００は、基板とＬＥＤ構造との間の格子不整を補償するために含まれた、基板１１２とＬＥＤ構造１０４との間の核生成層１１４を備えてもよい。核生成層は、また、バッファー層としても知られ、異なる組成の多重の層を備えることが出来る。核生成層１１４の形成は、基板１１２のために用いられる材料に依存する。例えば、色々な基板上に核生成層１１４を形成する方法は、特許文献７と８に教示されている。各特許文献は引用することによってここに全てが記述されているかのようにここに取り込まれているものとする。炭化珪素基板上に核生成層を形成する方法は、特許文献９，１０，１１，及び１２に開示されている。各特許文献は引用することによってここに全てが記述されているかのようにここに取り込まれているものとする。
【００４３】
ＬＥＤはｎ−オーミック金属（または電極）１１６とｐ−オーミック金属（または電極）１１８をさらに備え、それぞれは、チタン、アルミニウム、金、ニッケル、白金、クロムの合金、チタンとタングステンの合金、または白金シリサイドを含むが、これに限定されることはない、多くの異なる伝導性材料で作ることが出来る。ｐ−オーミック金属とｎ−オーミック金属は、その間にバイアスが印加されると、電流がｐ型層１０６およびｎ型層１１０に注入されて、ＬＥＤの活性領域１０８が光を放出するように配置される。ｐ−オーミック金属１１８は、多くの異なる方法で配置できるが、図示されるように、ｐ型層１０６の１部分の上に配置される。ｐ−オーミック金属からの電流は、ｐ型層１０６の中へ拡がり、いくつかの実施形態では、ｐ−オーミック金属１１８とｐ型層１０６との間に電流拡散層を含めるなど、またはｐ−オーミック金属がｐ型層１０６に亘って広がる分岐またはフィンガーを有することによりｐ型層を更に多く覆う方法などの、更なる電流拡散手段を含むことが出来る。ｎ−オーミック金属は、基板１１２の底面を覆う。基板１１２は、電流がｎ−オーミック金属１１６から基板１１２（および核生成層１１４）を通ってｎ型層１１０へ拡がることが出来るような材料で出来ている。ｎ−オーミック金属１１６は、基板１１２の全表面未満を被覆し、星状など色々なデザインを有することが出来る。
【００４４】
ＲＥ層１０２は、１つ以上の希土類または遷移金属元素（ＲＥ元素）がドープされたエピタキシャル層を備えるのが好適である。本発明によるＬＥＤでは、ＲＥ層１０２は、色々な位置に配置することが出来るが、図示の場合はｐ型層１０６上に配置される。ＲＥ層１０２は、多くの異なる材料を備え、ＲＥ元素が活性領域１０８からの光を吸収し、活性領域の光とは異なる波長の光を再放出するようにＲＥ層を構成することで、異なる特性を有することができる。
【００４５】
本発明による典型的なＬＥＤでは、ＲＥ層１０２の中の希土類元素は、活性領域１０８からの励起光子よりも長い波長の光子を放出する。活性領域の発光波長は、所望の応用分野に対して所望の色の組合せを達成するために、発光波長と、ＲＥ元素の相対的な濃度と組合せとのかかわりにおいて選択される。これにより、白色発光ＬＥＤのような、通常は実現困難な色を放出できるＬＥＤを作るために、別の蛍光剤の必要性を取り除くことができる。
【００４６】
ＲＥ層は、１つ以上のＲＥ元素がドープされたＩｎＡｌＧａＮから作られるか、または１つ以上のＲＥ元素がドープされた多重量子井戸（ＭＱＷ）層を備えるのが好適である。ＲＥ元素は、上記した任意のものであってよく、活性領域１０８は、特定の希土類元素の光放出と協働して、上のＬＥＤの実施形態においてさらに記述するように色々な波長の光を放出することが出来る。
【００４７】
ＭＱＷのＲＥ層に対しては、ＲＥ層１０２内の量子井戸の数は、ＲＥ層の吸収と再放出に対する波長断面（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）を制御するために所望の周期数に調整できる。ＲＥ層の中に形成できる周期の数が多いほど、吸収できる波長断面が大きくなる。ＭＱＷのＲＥ層１０２は、活性領域１０８によって放出された特定の波長の光の吸収に対して正しい数の周期を持つべきである。更に、量子井戸の正しい組成と厚さは、所望の波長の吸収に対して選択される。ＲＥ層はフェルミ準位と電導度を変化させるためにｎ型またはｐ型にドープすることが出来る。ＲＥ層のバンドギャップは、効率を増加させるために同調組成を備えることもできる。一実施形態では、ＲＥ層は、放出を促進するためのフェルミ準位を制御するためにＣｏとｎ型またはｐ型ドーパントがドープされる。例えば、ＲＥ層のバンドギャップがＬＥＤの活性領域１０８の発光よりもやや小さい場合は、結果としての再放出はより効率的になる。換言すれば、活性領域１０８は、ＲＥ層１０２中の希土類ホスト材料の発光エネルギーよりもやや大きい光子エネルギーを放出するのが好適である。ＬＥＤ１００のいろいろな実施形態では、活性領域からは、青色または紫外光を放出し、ＲＥ元素および／またはＲＥ層１０２は、該青色または紫外光を吸収して異なる波長の光を放出する。
【００４８】
ＲＥ層１０２は、その場で（ｉｎ−ｓｉｔｕ）、または別工程で（ｅｘ−ｓｉｔｕ）成膜することができる。一実施形態では、ＲＥ層１０２は、基板１１２上にＬＥＤ構造１０４を成膜する工程に続いて、有機金属化学気相成膜法（ＭＯＣＶＤ）の反応管の中で、その場で成膜される。ＲＥ元素は、通常のＭＯＣＶＤ原料ガスから導入するのが好適である。ＲＥ層は、ＬＥＤの成長と同じ工程、すなわちエピ成長の間にドーピングされるのが好適である。他の実施形態では、イオン注入と熱処理法によってもドープすることが出来る。複数のＲＥ元素が、光の色混合を達成するために用いることが出来る。多くの異なるＲＥ元素を用いることができ、それらはＥｒ（５４５ｎｍ）、Ｅｕ（６１５ｎｍ）、Ｐｒ（６０５、６３５ｎｍ）、Ｔｍ（４５０ｎｍ）、Ｄｙ、Ｃｅ（４７５、５３０ｎｍ）、Ｔｂ（５４５ｎｍ）、Ｍｎ、Ｃｕ、その他を含むが、これに限定されるものではない。
【００４９】
以下に更に記述するように、ＲＥ層を最後に成長する場合は、ＲＥ元素による活性領域への汚染は回避される。後続の成長工程の前に、汚染を回避するために反応管を洗浄することが出来る。ＲＥ層を成膜するために別の成膜システムを用いることも出来る。更に、高濃度ドープされた層を最後に成長する場合は、ＲＥ層の高濃度ドーピングによる構造的欠陥は活性層に伝播しないであろう。
【００５０】
図１０は、本発明によるＬＥＤ１２０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１２０は、図９のＬＥＤ１００と同じ特徴物を多く有している。以下に説明する実施形態では、ＬＥＤ１００と同じ参照番号を持つ特徴物は、同じまたは同様であり、これらの特徴物に関する上記の説明は、一般に以下の実施形態にも適用される。
【００５１】
ＬＥＤ１２０は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、核生成層１１４と、ｐ型オーミック金属１１８とを備える。ＬＥＤ１２０は、活性領域から放出される光を吸収し、異なる波長の光を再放出するように構成されたＲＥ層１０２を更に備える。ＬＥＤ１２０は、基板１２２と、ｎ型オーミック電極１２４と、ＲＥ層１０２上の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを更に備える。ＤＢＲはよく知られていて、通常は異なる屈折率を有する２つの材料を５−５０対ほど備える。屈折率の差の結果として、フレネル反射が各界面で起きる。通常は２つの材料間の屈折率は小さいので、１つの界面でのフレネル反射の大きさも小さい。しかしながら、ＤＢＲは、多くの界面を備えている。より重要なことは、２つの材料の厚さが、反射波が建設的に干渉するように選ばれていることである。従って、ＬＥＤ１２０におけるＤＢＲは、基板１２２およびｎ−オーミック電極の方向へ光を反射して戻すことが出来る。そのため、基板１２２はＬＥＤ１２０の主放出表面になる。基板１２２は、少なくとも部分的に透明な材料で形成されていることが好適であり、ｎ−オーミック金属１２４は、大部分の光が通過するように全厚さがｌｎｍから５０ｎｍの薄い金属または金属薄膜の組合せを備えるか、または、ＩＴＯのような透明導体を備えることが出来る。他の実施形態では、ｎ型オーミック金属１２４は、星形などの、基板１２２を通過した少なくともいくらかの光がｎ型オーミック金属１２４によって遮断されないような形を持つことができる。
【００５２】
活性領域１０８からの光は、ＲＥ層１０２を通り、そこで光の少なくともいくらかはＲＥ元素によって異なる波長へ変換される。ＤＢＲ１２６は、ＲＥ層からＤＢＲへ向かって放出される光と、すべての活性領域からの光を基板１２２の方向へ反射する。ＤＢＲ１２６で反射された活性領域の光は、再びＲＥ層を通過することができ、そこで少なくともいくらかはＲＥ元素によって変換される。ＬＥＤは、活性領域１０８からの光とＲＥ層１０２からの光の組合せを放出する。本発明によるＬＥＤ１２０の他の実施形態では、ＤＢＲは、活性領域１０８からの光をより効率的に反射し、変換された波長は通過するように同調させることが出来る。
【００５３】
図１１は水平配置（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を有する、本発明によるＬＥＤ１３０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１３０は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、核生成層１１４と、p-オーミック金属１１８と、ＲＥ層１０２とを備える。ＲＥ層１０２、ｐ型層１０６、および活性領域１０８の１部をｎ型層１１０までエッチングして、ｎ−オーミック金属１３２のための表面を露出させる。ｐ−オーミック金属とｎ−オーミック金属との間にバイアスが印加され、活性領域１０８を発光させる。活性領域１０８からＲＥ層１０２を通過する光の少なくともいくらかは、ＲＥ元素によって異なる波長の光に変換される。ＲＥ層は主放出表面である。ＬＥＤ１３０は、また、透明または不透明材料を含む基板１３４を備えることも出来る。
【００５４】
図１２も、水平配置を有する、本発明によるＬＥＤ１４０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１４０は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、核生成層１１４と、ｐ−オーミック金属１１８と、ＲＥ層１０２とを備える。ＲＥ層１０２、ｐ型層１０６、および活性領域１０８の１部をｎ型層１１０までエッチングし、ｎ−オーミック金属１４２のための表面を露出させる。ＬＥＤ１４０は、図１０に示し、上記したＤＢＲ１２６と同様に、活性領域からの光を反射するように構成されたＤＢＲ１４４を更に備える。ＤＢＲ１４４は、活性領域１０８とＲＥ層１０２とからの光を基板１４６の方向へ反射して戻すように構成され、この場合、基板１４６がＬＥＤの主放出表面になる。ＤＢＲは、また、活性領域１０８からの励起された光をより効率的に反射し、変換された波長は通過するように同調させることも出来る。本発明による他の実施形態では、更なる反射または変換を提供するために、１４０（および、ここで記述する他のＬＥＤ／レーザの実施形態）に１つ以上のＤＢＲを含ませることが出来る。例えば、更なる変換のために、ＤＢＲを層１１０の下に含ませることも出来よう。他の実施形態では、ＤＢＲに加えて、またはＤＢＲの代わりに、反射性の金属層を用いることも出来よう。
【００５５】
本発明によるＬＥＤでは、ＲＥ層は、他の位置に配置することも出来る。この構成で考慮すべき１つの要素は、ＲＥ層がＲＥ元素の添加によって絶縁性になることである。ＲＥ層の位置に依存して、絶縁性が活性領域への電流の注入を妨げ、ＲＥ層が活性領域内に含まれる場合は、活性領域内の再結合を妨げる。考慮すべき他の要素は、ＲＥ反応物がＲＥ層の成膜後に反応室に残留することである。 これらの反応物は、後続の層を汚染し、絶縁性にしてしまう。
【００５６】
いくつかの実施形態では、ＲＥ層の絶縁特性は、高濃度ｎ型またはｐ型ドーピングと、希土類ドーピングと濃度の適当な選択とで打ち消すことが出来る。正しいドーピングと濃度を用いると、薄いＲＥ層は十分に導電性を持つように実現できる。これは、大きな抵抗が加わることなしに垂直配置デバイスに用いることを可能にする。他の実施形態では、ＲＥ層は、量子井戸ではなくて量子ドットを有することが出来る。そこでは、電流は量子ドットの間を流れ、ＲＥ層が導電特性を保持することを可能にする。
【００５７】
図１３は、本発明による水平配置のＬＥＤ１５０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１５０は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、核生成層１１４と、ｐ型層１０６上のｐ−オーミック金属１１８と、ＤＢＲ１５２とを備える。ＤＢＲ１５２、ｐ型層１０６、および活性領域１０８は、ｎ型オーミック金属１５４のためにｎ型層１１０までエッチングされる。ＲＥ層１５６は、ｎ型層１１０と核生成層１１４との間に配置され、ＬＥＤ１５０は、基板１５３も備える。光は、活性領域１０８からＲＥ層１５６を通って基板の方向へ放出される。ＤＢＲ１５２の方向へ放出された光は、反射してＲＥ層１５６を通って基板の方へ戻る。ＬＥＤ１５０の水平配置は、ＲＥ層１５６が、活性領域１０８による発光を妨げることなく絶縁特性を持つことを可能としている。ＲＥがドープされたエピタキシャル材料の絶縁特性が上記したように正しく考慮されている場合には、ＲＥ層は本発明による別の位置に配置できることは理解されるだろう。
【００５８】
図１４は、垂直配置を有する、本発明によるＬＥＤ１６０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１６０は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、基板１１２と、核生成層１１４と、ｎ−オーミック金属１１６とを備える。ｐ−オーミック金属１６２は、ｐ型層１０６上に、ｐ型層１０６への効率的な電流拡がりを可能にするように格子パターンを有して含まれている。ＲＥ層１６４は、ｐ−オーミック金属１６２の格子パターンの開口部に配置される。図示のように、ｐ−オーミック金属の薄い層が格子パターンの開口部に残存しても、薄いので、活性領域１０８からの通過する光を遮ることはほとんどない。代替として、格子パターンの開口部は、ｐ−オーミック金属が無いか、または透明な材料のｐ−オーミック金属を備えることが出来る。活性領域からの光は、ＲＥ層１６４に進入して、そこで他の波長の光に変換され、ＬＥＤ１６０から放出される。
【００５９】
ＬＥＤ１６０は、色々な工程を用いて製作することが出来る。１つの工程では、ＲＥ層をその場で成膜し、それから格子パターンにエッチングして、通常の金属被覆技術を用いてｐ−オーミック金属を成膜することができる。この方法を用いると、ＲＥ層とｐ型層の間にはｐ−オーミック金属は存在しないであろう。他の工程では、ｐ−オーミック金属をｐ型層１０６上にまず成膜して、開口部をエッチングしてＲＥ層１６４を成膜することが出来る。この工程を用いると、ＲＥ層は別の工程で成膜でき、ＩＩＩ族窒化物材料以外の材料を備えることが出来る。ＲＥ層は、また、ＲＥ元素を有する蛍光剤を含むことが出来る。ＲＥ層１６４は、また、いくつかまたは全ての開口部が異なる波長の光を放出するように、格子の異なる開口部に異なるＲＥ元素をドープすることが出来る。放出される光は、ＬＥＤ１６０が開口部から波長の組合せの光を放出するように組み合わされる。ＲＥ層は、より高い効率のために活性領域１０８の発光波長に近いバンドギャップのＲＥ元素を有することができ、またＲＥ層に電流拡がりのための電導特性を付与する元素を備えることも出来る。
【００６０】
ＬＥＤ１６０は、また、実質的に透明な材料で出来た基板１１２を主放出表面として構成することが出来る。ｐ−オーミック金属１６２は、活性領域１０８からの光を反射する材料で作ることが出来る。ＲＥ層は、格子開口部のそれぞれにＤＢＲ１６６を備えることができ、または、ＤＢＲ１６６は、ＲＥ層１６４とｐ−オーミック金属１６２を覆うことが出来る。ＤＢＲ１６６（及び格子開口部のＤＢＲ）は、別工程で成膜でき、Ｔｉ０2／ＳｉＯ2／ＭｇＯ、ＺｎＯまたはＺｎＣａＯのような多くの異なる材料と材料の組合せを備えることができる。基板が主放出表面であるので、ｎ−オーミック電極１１６は薄く、透明で、または上記のようなパターンになっていて、ＬＥＤ１６０から放出される光を実質的に遮断しないようにすべきである。代替法では、ＬＥＤ１６０は、ｎ−オーミック金属が基板１１２上には存在しないように、上記のような水平配置を持つことが出来る。
【００６１】
図１５は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、基板１１２と、核生成層１１４と、ｎ−オーミック金属１１６と、ｐ−オーミック金属１１８とを備えた、本発明によるＬＥＤ１７０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１７０は、それぞれが、異なるＲＥ元素、異なる組合せ、あるいは異なる濃度などの、異なるＲＥ元素ドーピングを有することができる別々のＲＥ層の区域１７４ａ−ｃに分割されたＲＥ層１７２を更に備える。活性領域１０８からの光は、ＲＥ層を通過し、各区域１７４ａ−ｃは、活性領域の光を吸収して異なる波長の光を放出するためにドープされている。ＬＥＤ１７０は、ＲＥ層の区域１７４ａ−ｃから放出される光の波長の組合せを放出する。
【００６２】
ＬＥＤ１７０は、多くの異なる方法を用いて製作することができ、１つの方法では、１つのＲＥエピタキシャル材料を成膜して、層の１部を除去するためにその材料をエッチングして、区域１７４ａ−ｃの１つを形成する。他のＲＥエピタキシャル材料を、エッチングされた領域に成膜し、区域１７４ａ−ｃの第２番目を形成するためにエッチングされる。次に、第３のＲＥエピタキシャル材料を、エッチングされた領域内に成膜し、区域１７４ａ−ｃの第３番目を形成する。
【００６３】
図１６は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、基板１１２と、核生成層１１４と、ｎ−オーミック金属１１６と、ｐ−オーミック金属１１８とを備えた、本発明によるＬＥＤ１８０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１８０は、ｐ型層１０６上に積層された複数のＲＥ層１８２ａ−ｃを更に備える。ＲＥ層１８２ａ−ｃは、異なるＲＥ元素、異なる組合せ、あるいは異なる濃度などの、異なるＲＥ元素ドーピングを有することができ、それぞれが、活性領域によって放出された光のいくらかを吸収し、その光を異なる波長の光に変換する。この実施形態では、第１のＲＥ層１８２ａは活性領域の光の全てを吸収することはなく、光のいくらかは、第２のＲＥ層１８２ｂへ進入する。同様に、第２のＲＥ層１８２ｂは、活性領域の光の通過する全てを吸収することはなく、そのいくらかは第３のＲＥ層１８２ｃに進入する。これにより、ＬＥＤ１８０がすべてのＲＥ層１８２ａ−ｃからの色を放出することを可能にする。
【００６４】
他の実施形態では、第２のＲＥ層１８２ｂと第３のＲＥ層１８２ｃは、下の層のＲＥドーピングから再放出された光を吸収するようにドープすることが出来る。例えば、第２のＲＥ層１８２ｂは、第１のＲＥ層１８２ａにおけるドーピングからの再放出を吸収するようにドープされている。そして第３のＲＥ層１８２ｃは、第２のＲＥ層１８２ｂからの再放出を吸収するようにドープされている。なお他の実施形態では、それぞれのＲＥ層は、その下のＲＥ層の１つを覆い、あるいはいくつかだけが、その下の層を覆うこともある。
【００６５】
ＬＥＤ１８０は、色々な方法を用いて作製することができ、１つの適当な方法では、第１のＲＥ層１８２ａと第２のＲＥ層１８２ｂをその場で成膜するステップと、第２のＲＥ層の１部をエッチングして第１のＲＥ層の表面の１部を露出させるステップとを備える。第３のＲＥ層１８２ｃを第２のＲＥ層１８２ｂ上に成膜して、所望のようにエッチングして第２のＲＥ層の表面の１部を露出させる。
【００６６】
図１７は、ｐ型層１０６と、活性領域１０８と、ｎ型層１１０と、基板１１２と、核生成層１１４と、ｐ−オーミック金属１１８とを備えた、本発明による水平配置のＬＥＤ１９０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ１９０は、ｎ型層１１０上に成膜されたｎ型オーミック電極１９２を備える。ＬＥＤ１９０は、区域１９６ａ−ｃに分割され、核生成層１１４とｎ型層１１０との間に配置されたＲＥ層１９４を更に含む。区域１９６ａ−ｃのそれぞれは、異なるＲＥ元素ドーピングを有し、ＬＥＤ１９０は図１３に図示した上記のＬＥＤ１５０とほとんど同様に機能する。しかしながら、ＬＥＤ１９０では、区域のそれぞれは、活性領域１０８から放出された光を吸収し、その光を異なる波長の光へ変換する。そこで、ＬＥＤ１９０は、区域（および活性領域）から放出された光の波長の組合せを放出する。
【００６７】
ＬＥＤ１９０は、図１５に示し、上記したようなＲＥ層の区域１７４ａ−ｃが成膜とエッチングの工程を用いて成膜されたのと同様に、その場で区域を成膜する色々な方法を用いて作ることが出来る。本発明によるＬＥＤ１９０の他の実施形態は、ＲＥ層１９４と同じ位置に積層ＲＥ層を備えることが出来る。
【００６８】
本発明によれば、上に言及した考慮点に配慮して、上記した実施形態の多くの異なる変形と組合せを提供できるものと理解される。本発明によるＬＥＤにとって、多くの異なる水準の複雑な構造がある。複雑さが加わると通常は更なる処理のステップを必要とする。例えば、ＲＥ層は、活性領域の光を吸収して異なる波長の光を放出する発光センターをドープしたＩｎＡｌＧａＮの薄層を備えることが出来る。上記のＬＥＤ１００、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、および１９０の活性領域は、図２に示し、上記したＬＥＤの活性層２１、２２、および２３と同様に構成した複数の活性層を有することも出来る。これらの異なる活性層は、異なる波長の光を放出し、その１つ以上はＲＥ層によって吸収され、再放出される。
【００６９】
ＬＥＤ１００、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、および１９０のそれぞれは、また、活性領域の異なる部分が、その部分に位置合わせしたＲＥ層の部分が光を吸収して他の波長の光を再放出するようにして、発光するように構成できる。この構成は、図５に示し、上記したＬＥＤ５２における構成と同様であり、特に異なるＲＥ層の区域を持つＬＥＤ１７０および１９０に適用できる。これらの区域のそれぞれは、活性領域の発光部分の１つに位置合わせして、１つの発光部分の発光がその位置合わせしたＲＥ層の区域によって主に吸収されるようにできる。ＬＥＤのそれぞれは、また、光を所望の方向に反射するための内部または外部の鏡またはＤＢＲを有してもよい。例えば、ＬＥＤ１００は、基板１１２の近くに鏡またはＤＢＲを有して、発光を基板へ、またはＲＥ層１０２へ戻すように反射してもよい。
【００７０】
本発明は、端面発光レーザおよび垂直共振器形レーザのような固体レーザにも用いることが出来る。図１８は、ｐ型層２０４とｎ型層２０６との間に挟まれた活性領域２０２を備え、それら全てが基板２０８上に成長した、ＩＩＩ族窒化物ベースの端面発光レーザ２００を示す。ＲＥ層２１０が含まれ、それはレーザ２００内の色々な位置にあってもよいが、図示の場合はｎ型層２０６と基板２０８との間にある。他の実施形態では、それはｐ型層２０４上にある。レーザ２００は、また、鏡２１２、２１４を有し、光を鏡の間で反射し、光の一部は鏡２１２を通って放出され、高度に平行な／可干渉な光源となる。
【００７１】
（不図示の）電極を通してｐ型層２０４とｎ型層２０６とにバイアスが印加されると、活性層２０２は、全方向に光を放出し、光のいくらかはＲＥ層２１０に進入する。光のいくらかまたは全ては、ＲＥ元素によって吸収され、異なる色の光として再放出される。光は、鏡２１２と２１４との間で反射して、活性領域２０２からの、及びＲＥ層２１０からの、光の誘導ＬＥＤ放出を発生する。一実施形態では、活性領域２０２は紫外光を放出し、ＲＥ層２１０は紫外光を吸収して緑色光を再放出するようにドープされる。その結果、レーザ２００は、あたかも緑色光を放出しているように見える。ＲＥ層２１０内に用いられるドーパントに依存して、上記のように、放出される光の色は異なる。ＲＥ層は、（不図示の）垂直共振器形レーザの一部として同様に導入することもでき、図８に示し、また上記したレーザ８３と同様に動作する。
【００７２】
本発明による他のレーザの実施形態では、ミラー反射器は、１つ以上の色が共振器内でレーザ発振するのを助けるように設計され、そのような色の１つは紫外光である。幅と利得スペクトルと反転分布の程度は、様々な波長に対して異なり、これらは２つの波長間を区別するために利用される。例えば、近紫外光を非常に僅かしか逃さない非常に高い効率のミラーで近紫外レーザを作ることができる。ＲＥ層（または蛍光剤）は、吸収波長帯内または端部に紫外波長があり、１つまたは多くの色の可視スペクトルで自然再放出をする。この構成は、白色光のような異なる色の光を放出するレーザに用いることが出来る。
【００７３】
図１９は、上述した任意のＬＥＤ／レーザの実施形態またはその変形を備えたＬＥＤ／レーザ２２０を示す。ＬＥＤ／レーザ２２０は、電力変換や調整のような色々な機能を行うことができる電気回路２２２に接続される。回路は、また、上記のＬＥＤ上の色々な電極に印加されたバイアスを制御し、ＬＥＤが放出する色を制御する。一実施形態では、電気回路は、ＬＥＤ／レーザ２２０と共通基板２２４上に配置することができる。
【００７４】
本発明は、特定の好適な構成を参照して詳細に記述してきたが、他の変形も可能である。それ故に、添付の特許請求の範囲の趣旨と技術範囲は、ここに含まれたこれら好適な形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態による、ルビー基板上に成長した、紫外発光活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による、ルビー基板上に成長した、複数の活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、複数の元素がドープされたサファイヤ基板上に成長した、紫外発光多重量子井戸活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による、ルビー基板上に成長した、青色及び黄色発光の多重量子井戸活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、色中心がドープされたサファイヤ基板上に成長した、多重量子井戸活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による、ルビー基板上に成長した、１つがダウン・コンバート用の材料で部分的に取り囲まれた２つの活性層を有するＬＥＤの断面図である。
【図７】本発明の一実施形態による、ドープされた基板上に成長した固体レーザの断面図である。
【図８】本発明の一実施形態による、ドープされた基板上に成長した窒化物ベースの上面発光固体レーザの断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による、希土類（ＲＥ）ドープのエピタキシャル層を有するＬＥＤの断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、ＲＥドープのエピタキシャル層と分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とを有するＬＥＤの断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、ＲＥドープのエピタキシャル層を有する水平配置のＬＥＤの断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、ＲＥエピタキシャル層とＤＢＲとを有する、水平配置のＬＥＤの断面図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、ＲＥエピタキシャル層とＤＢＲとを有する、水平配置のＬＥＤの断面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、電極層と集積化したＲＥエピタキシャル層を有するＬＥＤの断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、複数区域をもつＲＥエピタキシャル層を有するＬＥＤの断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態による、複数のＲＥエピタキシャル層を有するＬＥＤの断面図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、複数区域のＲＥエピタキシャル層を有するＬＥＤの断面図である。
【図１８】本発明の一実施形態による、ＲＥエピタキシャル層を有する固体レーザの断面図である。
【図１９】電気回路に接続した、新しいＬＥＤ／レーザのブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月8日(2008.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光発光デバイスであって、
半導体材料の活性領域と、
前記活性領域の対向する側にある、１対の、半導体材料の、反対極性にドープされた層であって、前記活性領域が前記ドープされた層の両端に印加される電気的バイアスに応じて所定の波長で発光する前記ドープされた層と、
を備えた発光体構造と、
前記発光体構造に集積され、少なくとも１つの希土類または遷移金属元素をドープした、半導体材料の吸収層であって、前記活性領域からの発光の少なくともいくらかを吸収し、少なくとも１つの異なる波長の光を再放出する吸収層と
を備えたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
前記吸収層は、Ｅｒ、Ｅｕ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｃｅ、Ｔｂ、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｕのグループの中の少なくとも１つの元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】
前記吸収層は、基板と前記吸収層との間にある前記発光体構造上にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項４】
前記吸収層は、前記発光体構造と基板との間にあることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項５】
前記吸収層は、複数の層の区域を備え、そのそれぞれは、前記層の区域の他の部分とは異なる濃度あるいは組合せで、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項６】
前記吸収層は、半導体材料の複数の層を備え、そのそれぞれは、前記複数の層の他の層とは異なる組合せまたは濃度で、１つ以上の希土類または遷移金属元素がドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項７】
複数のオーミック電極を更に備え、前記複数のオーミック電極の１つは、前記反対極性にドープされた層の中の上部のドープされた層上にあり、前記オーミック電極のうちの前記上部のものは、開口部を持つパターンを有し、前記吸収層は、前記パターン開口部の中に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光発光デバイス。
【請求項８】
前記活性領域は、１つの波長の光を放出し、前記吸収層は、前記吸収層が前記活性領域の光の少なくともいくらかを吸収し、複数の波長の光の波長組合せを再放出するように、複数の希土類または遷移金属元素が全体にドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項９】
前記活性領域からの前記光と、前記吸収層によって吸収され、再放出した前記光とが、鏡の間で反射されて誘導放出に到達するように、固体レーザを備え、対向する表面上に鏡を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１０】
前記活性領域の光または前記再放出された光の片方または双方を反射するための反射器であって、前記発光デバイスに集積化された反射器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１１】
前記吸収層は、前記吸収層に電導特性を付与するようにドープされていることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項１２】
前記吸収層は、量子ドットを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光デバイス。
【国際調査報告】
2009527125.tif 000022
2009527125.tif 000023
2009527125.tif 000024