(57)【要約】  タイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なるとともに、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つがｐｎ接合内にある、２つ以上の発光タイプＩＩ界面を備えるＬＥＤが提供される。代替的にはタイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なる２つ以上の発光タイプＩＩ界面を備えるＬＥＤが提供される。タイプＩＩ界面は、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からの界面、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層までの界面、および両方の条件を同時に満たす界面を含み得る。タイプＩＩ界面はｐｎまたはｐｉｎ接合内にある、もしくはｐｎまたはｐｉｎ接合内にない場合がある。後者の場合タイプＩＩ界面からの放射は近くの光源により励起され得る。ＬＥＤは白色または近白色光ＬＥＤであり得る。加えて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および照明装置が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％異なるとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つがｐｎ接合内にある、２つ以上のタイプＩＩ界面を備えるＬＥＤ。
【請求項２】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも１０％異なる請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からのものである請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からのものである請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が黄色、緑色、青色または紫色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が黄色、緑色、青色または紫色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項５に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が黄色、緑色、青色または紫色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項８に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
請求項１に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項１３】
請求項１に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項１４】
請求項５に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項１５】
請求項５に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項１６】
請求項８に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項１７】
請求項８に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項１８】
２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％異なる、２つ以上の発光タイプＩＩ界面を備えるＬＥＤ。
【請求項１９】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも１０％異なる請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２０】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からのものである請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２１】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２２】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２３】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からのものである請求項１９に記載のＬＥＤ。
【請求項２４】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１９に記載のＬＥＤ。
【請求項２５】
前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つが、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層からホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層まである請求項１９に記載のＬＥＤ。
【請求項２６】
緑色、青色または紫色の可視光を放射可能なＬＥＤをさらに備え、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が橙色、黄色、または緑色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２７】
緑色、青色または紫色の可視光を放射可能なＬＥＤをさらに備え、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が橙色、黄色、または緑色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項２２に記載のＬＥＤ。
【請求項２８】
緑色、青色または紫色の可視光を放射可能なＬＥＤをさらに備え、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第１のタイプＩＩ界面が橙色、黄色、または緑色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有するとともに、前記２つ以上のタイプＩＩ界面のうちの第２のタイプＩＩ界面が赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する請求項２５に記載のＬＥＤ。
【請求項２９】
請求項１８に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項３０】
請求項１８に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項３１】
請求項２２に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項３２】
請求項２２に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項３３】
請求項２５に記載のＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイ。
【請求項３４】
請求項２５に記載のＬＥＤを備える照明装置。
【請求項３５】
請求項１８に記載のＬＥＤを備える液晶ディスプレイ。
【請求項３６】
ＬＥＤならびに前記第１および第２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２６に記載のＬＥＤを備える液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のタイプＩＩ界面が遷移エネルギーが異なる、通常、電子量子井戸とホール量子井戸との間に多数のタイプＩＩ界面を備えるＬＥＤおよび光ルミネセントデバイスに関する。
【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流れた場合に発光する固体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つまたは複数の電子／ホール量子井戸をさらに含み、光生成再結合を増強し得る。
【０００４】
何人かの研究者が白色光、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】
何人かの研究者は、多数の電子／ホール量子井戸がタイプＩ発光により異なる波長で光を放射することを目的とした、ｐｎ接合内に多数の電子／ホール量子井戸を有する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】
何人かの研究者は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】
何人かの研究者は、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】
何人かの研究者は、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。
【０００９】
何人かの研究者はタイプＩＩ界面を備えるＬＥＤの意図的設計および製造を報告している。米国特許第６，１４７，３６５号明細書、米国特許第６，２６５，７３４号明細書、米国特許第６，３７２，５３６号明細書、およびロイシャー（Ｒｅｕｓｃｈｅｒ）ら著、６４０〜５１５ｎｍを発光するＺｎＳｅ／ＢｅＴｅタイプＩＩ界面（ＺｎＳｅ／ＢｅＴｅ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ＬＥＤｓ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ６４０  ａｎｄ  ５１５ｎｍ）、日本結晶成長学会誌、２１４／２１５、１０７１〜１０７４頁（２０００年）は、このような技術に関連し得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
簡単に言えば本発明は、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なるとともに、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つがｐｎ接合内にある、２つ以上のタイプＩＩ界面を備えるＬＥＤを提供する。代替実施形態において、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つが、遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なる、２つ以上の発光タイプＩＩ界面を備えるＬＥＤが提供される。この実施形態においてタイプＩＩ界面はｐｎ接合内にある、またはｐｎ接合内にない場合がある。後者の場合タイプＩＩ界面からの放射は近くの光源により励起され得る。いずれの実施形態においても、タイプＩＩ界面は、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層を有する界面、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層を有する界面、または両方の条件を同時に満たす界面を含み得る。
【００１１】
いくつかの実施形態において、タイプＩＩ界面は黄色、緑色、青色または紫色波長可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有する第１のタイプＩＩ界面と、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する第２のタイプＩＩ界面とを含み得る。いくつかの実施形態において、タイプＩＩ界面は橙色、黄色、または緑色の可視光に相当する第１の遷移エネルギーを有する第１のタイプＩＩ界面と、赤色、橙色、または黄色の可視光に相当する第２の遷移エネルギーを有する第２のタイプＩＩ界面とを含み得るとともに、ＬＥＤは緑色、青色または紫色の可視光を放射可能なＬＥＤをさらに備えてもよく、場合によってはタイプＩＩ界面からの放射を励起する。
【００１２】
他の態様において本発明は、本発明によるＬＥＤを備えるグラフィックディスプレイを提供する。
【００１３】
他の態様において本発明は、本発明によるＬＥＤを備える照明装置を提供する。
【００１４】
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、
「遷移エネルギー」とは電子−ホールの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および基板などの、所与の厚さの第１の結晶層および第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じ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。
【００１５】
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に交換される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は理解できよう。
【００１６】
用語「量子井戸」が本明細書で引用される場合、単一量子井戸を設け得る、または実用的には通常、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】
【００１７】
本発明のある実施形態の利点は、多色、広帯域、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は２つ以上のタイプＩＩ界面を備えるＬＥＤを提供し、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも２つは遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なるとともに、タイプＩＩ界面のうちの少なくとも１つがｐｎ接合内にある。代替実施形態においてＬＥＤは２つ以上の発光タイプＩＩ界面を備え、タイプＩＩの界面のうちの少なくとも２つは遷移エネルギーが少なくとも５％、またはより典型的には少なくとも１０％異なる。１つのこのような実施形態においてタイプＩＩ界面はｐｎ接合内に位置する。他のこのような実施形態においてタイプＩＩ界面はｐｎ接合内に位置しない。後者の場合タイプＩＩ界面からの発光は、ＬＥＤなどの近くの光源により励起（ｐｈｏｔｏｐｕｍｐｅｄ）され得る。本発明によるＬＥＤのいくつかの実施形態においてタイプＩＩ界面は、電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層を有する界面、ホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層を有する界面、または同時に両方の条件を満たす界面を含み得る。
【００１９】
用語「タイプＩ界面」および「タイプＩＩ界面」は、半導体デバイス内で電子がホールと再結合しやすい特定の構造を表わす。タイプＩおよびタイプＩＩ界面は２つの異なる半導体または半導体合金間の接合で発生する。タイプＩおよびタイプＩＩ界面は、量子井戸と隣接層との間で発生し得るが、量子井戸はタイプＩまたはタイプＩＩ界面を形成するために必須ではない。
【００２０】
タイプＩ界面は、第１の半導体の伝導帯エネルギーが直接隣接する第２の半導体より低いとともに、第１の半導体の価電子帯エネルギーが第２の半導体より高いものである。電子はその低い伝導帯エネルギーのため第１の半導体内に集まる傾向があるとともに、ホールはその高い価電子帯エネルギーのため第１の半導体内に集まる傾向があり、したがって電子およびホールは第１の半導体内で再結合しやすい。電子量子井戸（周囲の半導体より低い伝導帯エネルギー）およびホール量子井戸（周囲の半導体より高い価電子帯エネルギー）の両方である量子井戸はタイプＩ界面を表わす。
【００２１】
タイプＩＩ界面は、第１の半導体の伝導帯エネルギーが直接隣接する第２の半導体より低いとともに、第１の半導体の価電子帯エネルギーも第２の半導体より低いものである。電子は第１および第２の半導体間の接合付近で第１の半導体内に集まる傾向があるとともに、ホールは同じ接合付近で第２の半導体内に集まる傾向がある。そのため電子およびホールは接合を越えて再結合しやすい。電子蓄積に対して伝導性がある、より低い伝導帯エネルギーを有する第１の半導体は、通常、デバイスのｎ領域側にあるとともに、ホール蓄積に対して伝導性がある、より高い価電子帯エネルギーを有する第２の半導体は、通常、デバイスのｐ領域側にあることになる。タイプＩＩ界面は、電子量子井戸（周囲の半導体より低い伝導帯エネルギー）と周囲の半導体との間の接合に、またはホール量子井戸（周囲の半導体より高い価電子帯エネルギー）と周囲の半導体との間の接合に、または電子量子井戸とホール量子井戸との間の接合に存在し得る。
【００２２】
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。
【００２３】
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およびＺｎＳｅがある。最も典型的には基板はＧａＡｓ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。
【００２４】
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、直接隣接する層間にタイプＩＩ界面を提供するように選択され、界面から放射された光の波長に対応する。各量子井戸層の厚さは、タイプＩＩ界面における遷移エネルギーを増す量子井戸内の量子化エネルギー量を決定する。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遷移エネルギーも変化し得る。タイプＩＩ界面の遷移エネルギーはある層の伝導帯エネルギーと隣接層の価電子帯エネルギーとの差であるため、量子井戸層厚さの調整と隣接層の合金組成とにより、遷移エネルギーを調整することができる。ｐｎ接合を構成する層を始めとする、量子井戸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、量子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。
【００２５】
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。
【００２６】
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ＬＥＤ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。
【００２７】
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。伝導帯および価電子帯エネルギーが構造の両端への電圧の印加により変わり、デバイスは「フラット・バンド」状態を超えてバイアスされて示されている。本発明の一実施形態において典型的な動作電圧は３Ｖである。量子井戸内の電子およびホールエネルギーレベルも示され、量子化効果を提示している。層の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１〜６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。
【００２８】
【表１】
2008523617.tif 000003
【００２９】
層２〜５は各々、量子サイズ効果が電子−ホール対の遷移エネルギー、したがって放射光子エネルギーを増加させるために十分に薄い。層３および５は電子量子井戸であるがホール量子井戸ではない層を表わす。層２および４はホール量子井戸であるが電子量子井戸ではない層を表わす。Ａ、ＢおよびＣはタイプＩＩ界面を超えるタイプＩＩ遷移を表わし、それぞれ赤色、緑色、および青色波長の光子を放射するために層厚さと合金組成とにより調整される。層１から層２および４までの電子トンネルは層３および５に到達する。層６から層５および３までのホールトンネルは層４および２に到達する。各層の組成および厚さは所望の発光波長を考慮して選択される。加えて各層内のトンネル速度対再結合速度のバランスをとることにより、また層組成および厚さの選択により、界面Ａ、ＢおよびＣからの発光の適当なバランスが達成される。
【００３０】
本発明の一実施形態において層１〜６は図示しないｐｎ接合内にあり、層６はｐ領域に向かって配向されるとともに層１はｎ領域に向かって配向されている。より具体的には、中間非ドープ（「真性」ドーピング）層がｎドープ層とｐドープ層との間に介在するため、ｐｎ接合は通常、ｐｉｎ接合である。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。
【００３１】
本発明の他の実施形態において、層１〜６はｐｎ接合内にないが、その代わりに近くの光源、通常、ＬＥＤにより励起される。より典型的にはＬＥＤは同じ構成の一部である。通常、ＬＥＤはタイプＩＩ界面の遷移エネルギーのいずれよりも短い波長、最も典型的には緑色、青色または紫色の光を放射する。この実施形態において追加の吸収層を追加して、近くの光源から放射される光子を吸収し得る。吸収層はタイプＩＩ界面を形成する層に直接隣接または接近している。吸収層は通常、近くの光源から放射された光子のエネルギーとタイプＩＩ界面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。吸収層内での光子の吸収により生成された電子−ホール対は通常、タイプＩＩ界面内の光子の付随放射を伴って再結合する。さらなる関連開示は米国特許出願第１１／００９２４１号明細書［代理人整理番号第６０２５３ＵＳ００２号］に見出せる。
【００３２】
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接合内にはない量子井戸またはタイプＩＩ界面にも流れるように、または電流がｐｎ接合内にはない量子井戸またはタイプＩＩ界面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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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バンド図である。バンド図は「フラット・バンド」状態を超えてバイアスされているデバイスを示す。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図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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