JP2008514031A - 高出力ｉｉｉ族発光ダイオード - Google Patents

Abstract

炭化珪素基板と、この基板上にIII窒化物材料系で形成された発光構造とを含む発光ダイオードを開示する。このダイオードは、１００，０００平方ミクロン未満の面積を有し、３９０及び５４０ナノメートルの間のその主波長において、２０ミリアンペアの電流で少なくとも２９ミリワットの放射束を有する。

Description

本発明は、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）に関し、特に、炭化珪素基板上においてIII族窒化物アクティブ構造で形成された発光ダイオードに関する。

導電性炭化珪素基板を用い、III族窒化物材料系を基本とした発光ダイオードの出力が、近年著しい向上を示している。これらには、単位面積当たりの明度が高い発光ダイオードが含まれる。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、順方向にバイアスすると光子を放出するｐｎ接合部間半導体ダイオードである。つまり、発光ダイオードは、半導体材料における電子の移動に基づいて光を生成する。したがって、ＬＥＤは蒸気も燐光体も不要である（しかし、これらと共に用いることはできる）。これらは、殆どの半導体系デバイスの望ましい特性を共有しており、その中には、高効率（その発光は殆ど又は全く熱を含まない）、高信頼性、及び超寿命が含まれる。例えば、典型的なＬＥＤの平均稼働時間は、約１００，０００及び１，０００，０００時間の間であり、これは、ＬＥＤの半減期は控えめでも５０，０００時間程度であることを意味する。

具体的には、ＬＥＤが放出する光の周波数は、材料における許容エネルギ・レベル間のエネルギ差、即ち、バンドギャップと呼ばれている特性に基づく（一方、周波数は、周知の物理法則にしたがって波長及び色に直接関係する）。バンドギャップは、半導体材料及びそのドーピングの基礎的な固有性(property)である。このため、シリコン（Ｓｉ、バンドギャップは１．１２電子ボルト（ｅＶ））は、スペクトルの赤外線部分（しかし、可視ではない）にエネルギ遷移を有する。シリコン系ダイオードは、したがって、人の目に対する可視性が重要でないか、又は特別に望まれない低コスト・センサのような品目に用いられる。ガリウム砒素（バンドギャップは１．４２ｅＶ）に形成されたＬＥＤ、又は最も広く用いられているシリコン系砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）に形成されたＬＥＤは、スペクトルの可視部分で発光するが、赤外線や赤色及び黄色光を生成するような低い周波数帯である。

一方、緑、青、及び紫外線（ＵＶ）の光子は、可視スペクトル以内（及びこれを超える）高い周波数の色（Ｅ＝ｈｖ）を表すので、これらは、バンドギャップが少なくとも約２．２ｅＶのＬＥＤでなければ生成できない。このような材料は、ダイアモンド（５．４７ｅＶ）、炭化珪素（２．９９ｅＶ）、及びＧａＮ（３．４ｅＶ）のようなIII族窒化物を含む。緑、青、又は紫外線光自体を生成することに加えて、バンドギャップが広いＬＥＤを赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤと組み合わせて、白色を生成することができ、燐光体と組み合わせ、青色光又はＵＶ光あるいは双方によって励起させると白色光を生成することができる。

様々な理由のために、III族窒化物化合物（即ち、周期表のIII族）、特に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮは、特に、スペクトルの紫外線（ＵＶ）から緑色部分までにおいて発光するＬＥＤに有用である。１つの利点は、これらは「直接」バンドギャップ材料であることであり、これが意味するのは、電子遷移がバンドギャップを横切って発生すると、エネルギの多くが光として放出されるということである。それに比べて、「間接」材料（炭化珪素のような）は、そのエネルギを部分的に光（光子）として放出し、主に振動エネルギ（光子）として放出する。このように、III族窒化物は、間接遷移材料に対して効率上で有利である。III族窒化物のことを、ここではIII族窒化物材料系とも呼ぶことにする。

別の利点として、三元及び四元III族材料（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）は、含まれるIII族元素の原子分率によって変化することをあげることができる。つまり、発光の波長（色）は、三元又は四元窒化物における各III族元素の原子分率を制御することにより、（制限範囲内で）自由に選ぶことができる。

しかしながら、広バンドギャップ半導体は、以前から、ガリウム砒素又は燐化ガリウム（ＧａＰ）よりも、生産及び加工が困難であった。その結果、ＵＶ発光ＬＥＤは、ＧａＰ系ＬＥＤよりも市場への登場が遅れている。例えば、炭化珪素は、物理的に非常に硬質であり、溶解相がなく、エピタキシャル又は昇華成長のためには高温が必要となる（約１５００〜２０００℃程度）。III族窒化物は、その融点において、比較的高い窒素蒸気圧を有し、このため溶融物から成長することが同様に困難又は不可能である。加えて、ｐ型窒化ガリウム（及びその他のIII族窒化物）を得ることが困難であることが、長年にわたってダイオードの生産に対する障壁となっていた。このため、青色ＬＥＤ及び白色発光ＬＥＤが市販されるようになったのは、ＧａＰ系及びＧａＡｓ系ＬＥＤの対応する市販よりも最近のことである。

比較及びその他の関連目的のために言及すれば、照明は通常その出力で定量化されている。典型的な測定単位の１つにルーメンがあり、１カンデラ（ｃｄ）強度の均一点光源によって単位立体角で放出された光に等しい光束の単位と定義されている。一方、カンデラは、国際単位系における光強度の基本単位であり、周波数５４０×１０１２の単色光線を放出する光源の所与の方向における光強度に等しく、その方向に単位立体角当たり１／６８３の放射強度を有する。

ルーメンを測定単位として用いると、１２００〜１８００ルーメンの強度は、白熱電球に典型的であり、１０００〜６０００ルーメン（状況によって異なる）は、自然の白昼光において典型的である。しかしながら、発光ダイオードは強度が遥かに小さく、例えば、約１０〜１００ルーメン程度である。理由の１つに、そのサイズが小さいことがあげられる。このため、単一（又は小集団）のＬＥＤに適した用途は、以前より、照明（読むためのランプ）ではなく、指示（例えば、ハンドヘルド計算機のレジスタ）に重点が置かれていた。青色ＬＥＤ及び対応する白色発光デバイスが利用可能となって、照明の目的のためのこのようなＬＥＤの市場入手可能性が広がったが、所望の出力を得るためには、数個（又はそれ以上）のＬＥＤを纏めているのが一般的である。

ＬＥＤは、その典型的なサイズ及び構造のために、ルーメン以外の単位で出力を測定する場合が多い。加えて、ＬＥＤの出力は、供給される電流にも左右され、一方供給される電流はダイオード間に印加される電位差によって左右される。このため、ＬＥＤの出力は、その放射束（Ｒ_ｆ）と呼ばれることが多く、標準的な２０ミリアンペア（ｍＡ）の駆動電流におけるミリワット（ｍＷ）単位で表される。

特に、青色ＬＥＤは、増々消費者用電子デバイス、特に小型ディスプレイに含まれる頻度が高くなってきている。広く普及している例には、コンピュータ画面、パーソナル・ディジタル・アシスタント（「ＰＤＡ」）、及びセルラ・フォンが含まれる。一方、これらの小型デバイスのために、サイズ（「フットプリント」）を縮小したＬＥＤが求められている。しかしながら、このようなＬＥＤであっても、低順方向電圧（Ｖ_ｆ）及び高光出力で動作しなければならないことに変わりはない。あいにく今日まで、III族窒化物デバイスのサイズを縮小すると、その順方向電圧が増大し、その放射束が減少する傾向があった。

先に注記したように、’９６５出願に開示したＬＥＤは、小さいサイズでありながら、明度向上（先に記した標準的なパラメータを用いる）及び順方向電圧低下において、著しい改善が見られる。

小型で比較的薄いＬＥＤは、（セルラ・フォンのディスプレイのような）小型デバイスには有利であるが、ＬＥＤをそれらよりも大きなデバイスに組み込むには、別の課題がある。例えば、デバイスが大きい程、用いる小型ダイオードの数が増えるためにエネルギ変換が低下し、電力消費が増大する。これにより、製造業者が購入し、組み立て、維持する構成部品の数も増える可能性がある。構成部品が小さくその数が増える程、重量、サイズ、及び必要な電気接続の数も増える可能性がある。統計的に、構成部品が小さくその数が増える程、それらに含まれる欠陥の絶対数も多くなり、製造業者は、所与の信頼性を維持する又は高めるために、在庫量を増やして維持しなければならない場合もある。

一例として、オシロスコープ、テレビジョン、及びコンピュータ・モニタのような電子視覚ディスプレイは、過去においては陰極線管（「ＣＲＴ」）が基本であった。しかしながら、近年、「フラット・パネル」ディスプレイとして分類される種々の技術における進歩によって、多くの目的のための陰極線管、特にテレビジョンやパーソナル・コンピュータ用モニタのような民生用の陰極線管が急速に姿を消している。
加えて、これら及び他の技術が、消費者又はその他の個人的使用のためのディスプレイの一層の大型化に拍車をかけている。その例には、プラズマ系及び液晶（「ＬＣＤ」）テレビジョン画面が含まれ、従来の技術と比較すると、画面が非常に大きくなっている。即ち、４６インチのフラット・パネル・テレビジョンが２１インチのＣＲＴ系テレビジョンに取って代わっている。

即ち、液晶ディスプレイは、液晶の配向を変化させる、したがって、しかるべき電気的制御を用いて、その外観を変化させることによって動作する。しかしながら、液晶は光を放出しないので、テレビジョンのようなＬＣＤディスプレイには、何らかの追加光源によって、バック・ライトを当てなければならない。競争力のある価格で大量の「ＲＧＢ」（赤、緑、及び青）又は白色発光ダイオードが入手可能になったことにより、このような適したバック・ライト光源が提供されるようになった。

しかしながら、大型ディスプレイは、大量の発光ダイオードを必要とする。一方、個々のダイオードは、物理的に支持され、機能的に電子回路に組み込まれなければならない。更に、発光ダイオードは、白熱照明と比較すれば高効率であるが、それでもなお有限量のエネルギを熱として発生する。このため、数百又は数千個の発光ダイオードを大きな製品に組み込むと、これに対応して、特に室内で使用する場合、かなりの量又は危険な量の熱さえも発生し、別の技術的課題が生ずる。

複雑性及び熱の双方が典型的な問題であり、ＬＥＤを組み込む電子機器（大型フラット・パネル・ディスプレイを含む）を設計し使用する際には、これらの問題に取り組まなければならないので、発光ダイオードの効率を向上させて出力を増大させる必要性が増々高まり、それに対応する便益が望まれている。この要望には、燐光体を組み込むことにより、又は青色発光ダイオードを赤色及び緑色ＬＥＤと組み合わせることにより、白色光を青色発光ダイオードから生成する発光ダイオードに対する要求も含まれる。
したがって、III族窒化物炭化珪素材料系において形成される小型ＬＥＤの出力を連続的に高めることが求められている。

一態様において、本発明は、炭化珪素単結晶基板と、単結晶基板上にIII族窒化物材料系で形成された発光構造とを備えた発光ダイオードであり、このダイオードは１００，０００平方ミクロンよりも広い面積を有し、多くの例では、少なくとも１辺の長さが４００ミクロンである。このダイオードは、３９０及び５４０ナノメートルの間にあるその主波長において、２０アンペアの電流で少なくとも２９ミリワットの放射束を有する。

別の態様では、本発明は、量子化効率と、炭化珪素単結晶基板と、単結晶基板上にIII族窒化物材料系で形成された発光構造とを備えた発光ダイオードであり、この発光ダイオードは少なくとも１００，０００平方ミクロンの面積を有し、多くの例では、少なくとも１辺の長さが４００ミクロンである。このダイオードは、３９０及び５４０ナノメートルの間にあるその主波長において、２０アンペアの電流で５０パーセントよりも高い外部量子化効率を有する。

更に別の態様では、本発明は、炭化珪素単結晶基板と、単結晶基板上にIII族窒化物材料系で形成された発光構造とを備えた発光ダイオードであり、この発光ダイオードは少なくとも１００，０００平方ミクロンの面積を有し、多くの例では、少なくとも１辺の長さが４００ミクロンである。このダイオードは、４５０及び４６０ナノメートルの間のその主波長において、少なくとも５０パーセントの光パワー効率を有する。
本発明の前述のならびにその他の目的及び利点、更にこれらを遂行する方法は、添付図面と関連付けた以下の詳細な説明を根拠として、一層明確となろう。

本発明は、III族窒化物材料系、多くの場合炭化珪素（ＳｉＣ）基板上に形成される発光ダイオードである。具体的には、そして最新世代の発光ダイオードと比較して、本発明によるダイオードは、以下の論述及び図面から明らかなように、面積が１００，０００平方ミクロンよりも大きく、発光ダイオードの主波長が３９０及び５４０ナノメートルの間にある場合に、２０ミリアンペア電流で少なくとも２９ミリワットの放射束というような固有性を有する。
即ち、このサイズのダイオードは、通常、少なくとも一辺の長さが少なくとも４００ミクロンであり、一例のダイオードは、各辺が４２０ミクロンの正方形を形成する。

青色周波数では、ダイオードは、４５０及び４６０ナノメートルの間にある主波長において、２０ミリアンペアの電流で少なくとも２９ミリワットの放射束を有する。
緑色周波数では、ダイオードは、５３０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも１２ミリワットの放射束を有する。
本発明の発光ダイオードの性能を添付図面に示す。これらの図面は、この詳細な説明と合わせて、発光ダイオードについて最大限明確、端的、かつ正確な説明を当業者に提示する。

図１は、本発明の性能特性を有し、全体的に２０で示す発光ダイオードの断面図である。ダイオード２０は、透明炭化珪素基板２１を含み、好ましくは、単結晶であり、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプの炭化珪素から選択されたプロトタイプを有している。本発明に関しては、４Ｈが好ましいことが多い。図１は、ダイオード２０を「フリップ・チップ」配向（即ち、アクティブ層を基板の下側にして用いるように実装されている）で示しているので、基板２１が、ダイオード２０の底部ではなく最上部にある。この配向では、ＳｉＣ基板はＬＥＤの主要放出面となる。勿論、発光ダイオードは、最終使用において、多数の異なる位置及び配向で配置できることは言うまでもない。したがって、ダイオード２０の要素に関して、「最上部」及び「底部」という用語は相対的であり、構造的な意味で全体的にデバイスの配向を示すものとする。加えて、他の「上に」ある層について言及する場合、直接その層に接触しておらずその上方にある層も含むことができる。この意味は、文脈からも明白であろう。

ダイオードは、少なくとも１つ、そして好ましくは数層の、発光（「アクティブ」）部を形成する層を含む。これらの層は、III族窒化物材料系から選択される。図１には、ｎ型層２１及びｐ型層２２の２つの層が示されている。これら導電型が相補的な層は、電流がダイオードを通過する機会を与え、その結果得られる電子及び正孔の結合により、放出光子が発生する。図１には２つのIII族窒化物層のみを示すが、他の文脈では、超格子構造や多重量子ウェルを含む追加の層を用いることができることは言うまでもない。具体的には、ＳｉＣ基板からIII族発光層への結晶及び電子の遷移を行わせるために、バッファ層が含まれることが多い。
このような構造は当技術分野では周知であり、必要以上の実験を行わなくても、本発明の文脈において実用可能である。

また、図１に示す実施形態は、ミラー層２４も含み、これは通常、銀（Ａｇ）又は銀／プラチナ（Ａｇ／Ｐｔ）合金で形成されている。銀系の層は、アクティブ層２２、２３に電気コンタクトも設ける。バリア層２５は、通常、チタン・タングステン（ＴｉＷ）合金、又はプラチナ、又は双方、又は窒化チタン・タングステン（ＴｉＷＮ）で形成され、望ましくない銀のマイグレーションや、デバイスの他の部分との反応を防止するために、銀系層２４を包囲する。

通常、はんだ層２６がバリア層２５に接着しているが、ダイオードの製造方法によっては、それだけに限られるのではない。これら及び他の構造的な特徴が、先に本願にも含まれるとした’０４２及び’９６５特許出願に明記されている。金属又は導電性半導体層２７が物理的支持を形成し、背面オーミック・コンタクト３０によって構造が完成する。そして、上面オーミック・コンタクト２８と共に、ダイオード２０を通過する電流を注入するための最大電流経路(full current path)を設ける。

代替実施形態では、金属又は半導体支持層２７を、はんだ層２６と共に、又ははんだ層２６を残して、取り除くことができる。このような実施形態では、背面コンタクト３０をミラー層２４及びバリア層２５に寄せて配置することになる。

図１に示すように、アクティブ層は、通常、III族窒化物であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウム・インジウム・ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）が適している。当業者には分かるであろうが、III族窒化物は、三元及び四元結合におけるIII族元素の原子分率を変更することによって、主波長を変化させる機会を与える。当技術分野では周知であるが、これらの化学式は、更に正確には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎと表すことができ、ここでｘ及びｙは０から１の間の値を取ることができ、０及び１のいずれも含み、ｘ＋ｙは常に１以下でなければならないという制約がある。

本発明によるダイオードは、１００，０００平方ミクロンよりも広い面積を有する。その例には、限定ではなく、少なくとも１辺の長さが少なくとも４００ミクロンであり、その幾何学的形状が正方形又は長方形のダイオードが含まれる。
また、本発明によるダイオードはレンズ状表面を組み込むこともできる。

図２は、本発明によるダイオードについて、ミリワット（ｍＷ）単位の放射束をナノメートル（ｎｍ）単位の主周波数に対して比較するグラフである。他のダイオードに対するデータ点には、菱形を用いてプロットし（下側の曲線）、本発明による大きめのダイオードには、正方形を用いてプロットしている（上側の曲線）。

図２〜図６の全てにおいて、それぞれのダイオードを動作させ、２０ミリアンペア（ｍＡ）電流で評価した。これに関して、ダイオードが大きい程、いずれの電流においても（２０ミリアンペアの標準的仕様電流を含む）電流密度が低くなる。当業者には分かるであろうが、電流密度が低い程、発光層から生成される光出力は高くなるのが通常である。加えて、順方向電圧は、チップ面積が大きくなる程、いずれの電圧においても低下する。例えば、本発明によるダイオードが実証した順方向電圧は２．９ボルトという低さであり、一方’９６５出願によるダイオードでは３．１ボルトである。０．２Ｖの低下は小さいように感じられるかもしれないが、数百又は数千ものダイオードを、液晶ディスプレイ画面のような大きな製品に組み込む場合、壁内プラグ効率(wall plug efficiency)における累積利得が重要となる。このように、本発明によるダイオードは、現行のダイオードと同等の電力レベルを用いても、これらよりも高い表示明度性能を提供する。あるいは、現行のダイオードよりも少ない電力及び高い効率で、それと同等の輝度性能を提供し、これが望まれる又は必要とされる場合もある。

これに関して、図２は、本発明によるダイオードを３つ示しており、これらは約４５０ナノメートル（即ち、主周波数が４５３〜４５６ｎｍの青色）の波長で発光し、約２９〜３１ミリワットの放射束を生成する。これは（垂直な点線）、いくらか小さめなダイオード（「ＸＴ３００」、約９０，０００平方ミクロン）に対する約２５〜２６ミリワットの出力に相当する。即ち、小型化したチップ・サイズにおいても、本発明は放射束で約１４パーセントの増大を表している。

放射束（例えば、図２）を測定するには、分光計に取り付けた積分球内にＴ１-3/4型の封入ランプを配置する。可視光ＬＥＤには、Labsphere Omni LTS分光計が測定デバイスの一例である。放射束は電力（ワット）の単位で測定する。他の比較要因、例えば、外部量子化効率、電力効率、及び明度補強は、全てこれら放射束測定値を根拠にしている。
緑色波長（図２における５４０ｎｍ付近）では、各データ点において約２〜３ミリワットの改善があり、ＸＴ３００ダイオードと比較して約２５パーセントの増加を表す。図２に示すように、ダイオードの放射束は、主波長が５２０及び５４０ｎｍの間では少なくとも１２ｍＷ、５２４及び５３５のｎｍの間では１３ｍＷ、そして５２４及び５２７ｎｍの間では１５ｍＷとなる。

図３は、同様の比較データを外部量子化効率で表した場合を示す。図３は、ＸＴ３００からのデータ点を菱形でプロットし、本発明にしたがって改良したダイオードのデータ点を正方形で示す。この場合も約４５０ナノメートル（青色）の波長において、外部量子化効率は、約４７パーセントから少なくとも約５４パーセントに増加する。比較増で表すと、これは、約１５パーセントの間の増加を表し、図２に示す放射束の増加と一致する。
更に、図３は、緑色波長（５４０ｎｍ付近）では、絶対的な増加が約５又は６パーセントであることを示し、これは、ＸＴ３００ダイオードを根拠にして論ずると、約２５パーセントの比較増を表す。

背景及び図３に関する更なる説明として、緑色ＬＥＤは青色ＬＥＤよりも速く飽和する。ここでは「飽和」とは、電流が増加しても、もはやＬＥＤの出力が（外部量子化効率又は放射束のいずれで表現しても）増加しない観察点を言う。この結果、電流密度が低い程、緑色ＬＥＤでは大きな肯定的な効果が得られる。具体的には、任意の電流においても（例えば、ＬＥＤを指定するために用いられる通常の２０ミリアンペア）、電流密度はチップ・サイズの関数となる。つまり、面積が広いＬＥＤほど、２０ミリアンペア（又はその他のいずれかの所与の電流）における電流密度は比例して低下する。これが意味するのは、本発明による緑色ＬＥＤは、サイズが大きい場合の飽和点が、面積が小さい緑色ＬＥＤと比較して、高くなるということである。これを図５に示す。

図４は、面積が小さいダイオード（正方形で示す）及び本発明によるダイオード（菱形で示す）について、光パワー効率（ここで用いる場合、印加されるミリワット単位の電力毎の、ミリワットの光出力）をグラフにして示す。これらも、ナノメートルを単位とした主波長に対してプロットしている。図４に示すように、光パワー効率の絶対増加は、比較用ダイオードに対する４０パーセントから、本発明によるダイオードに対する５０〜５４パーセントとなっている。この１０パーセントの絶対的増加は、２つのダイオード間における２０パーセントの相対的増加を表す。

緑色波長に対する効率は、なお一層際立っている。図４に示すように、効率の絶対的増加も同様に約１０パーセントであるが、緑色波長において光パワー効率が低いこと（２０パーセント未満）を考えると、この１０パーセントの絶対的増加は、本発明によるダイオードと面積が小さいダイオードとの間では、５５パーセントの相対的増加を表す。

図５は、本発明によるダイオードを含む、ダイオードのチップ・サイズに対する明度向上（任意単位）を比較するためのグラフである。比較するダイオードのチップ・サイズは１辺３００ミクロンに限定される訳ではないが、１辺３００ミクロンのサイズは、特に本発明によるダイオードに関しては、比較の目的に適している。チップ・サイズを根拠とした向上を示すことに加えて、青色周波数（約４６０ナノメートル）で発光するダイオードを、菱形及び下側の線を用いてプロットし、緑色周波数（約５３０ナノメートル）において発光するダイオードを、白い正方形及び上側の線を用いてプロットしている。

また、図５は、３００×３００ナノメートル・チップの出力を用いて正規化されている。これにより、図５は、本発明による青色及び緑色発光ＬＥＤ双方が、著しく向上した比較出力を提供することを、明白に実証している。緑色発光ダイオードに対する結果の方が線形性が高いのは、結晶における緑色の吸収度が低いこと、及び広い面積によって電流密度が低下することという利点を反映している。これと比較して、青色ＬＥＤの性能は、電流密度が低いことを根拠とする高い吸収性及び少ない利点のために、上げ止まり消失する傾向がある。
また、図５は、本発明によるダイオードは、約１００，０００及び２００，０００平方ミクロンの間の面積において、その明度向上が最大の増加を呈することも示す。

図６は、本発明によるダイオードの発光効率（ワット当たりのルーメン）を、他のダイオード及びそれらの理論的最大値と比較して示すグラフである。
この明細書において他の箇所で注記したように、発光ダイオードの出力及び性能は、数個の関連するが同一ではないパラメータを用いることによって特徴付けることができる。図６にグラフで示す発光効率は、電気エネルギを光束に変換する際の発光ダイオードのエネルギ変換効率に等しい。ＬＥＤでは、電力（ワット単位）は、順方向電流及び順方向電圧の積である。発光効率は、したがって、ワット当たりのルーメンで表される。

人の目は、約４１０〜７２０ｎｍの波長を有する光（「可視」スペクトル）に感応する。更に、可視スペクトル内において、目は異なる波長に応答するのが難しい。その結果、光束は、人の目の感度と等価の係数と乗算した放射束と関連があり、したがって放射束と同一ではない。
つまり、図６における実線は、人の目によって観察可能な理論的最大発光効率を示す。いずれの所与の波長においても、理論的最大値は図６のプロット上における「最高」点である。

比較の目的で、理論的最大値の半分と同等の発光効率を、一連の×から成るグラフで表す。これは、理論的最大値曲線よりも低い対応する曲線を形成する。
更に別の比較のために、図６は、燐化アルミニウム・インジウム・ガリウム（ＡｌＩｎＧａＰ）発光ダイオードの発光効率曲線を、約５７０及び６５０ｎｍの間の発光について一連の三角形でグラフに示す。
更にもう１つ別の比較のために、Osramからの（波長には関係ない効率に関する）「世界記録」の発光ダイオードを、約６２０ｎｍ、及び１００ルーメン／ワットよりやや高いところに、円で示す。

本発明によるダイオードは、図６では菱形の点で示されている。これらは、４５０〜４６０ｎｍの間の主波長において、１５及び２０ルーメン／ワットの発光効率を実証し、更に一層印象的なことに、５２０〜５４０ナノメートルの間の波長において１００ルーメン／ワットよりも高い発光効率を実証している。
したがって、別の態様では、本発明は、４５０〜４６０ｎｍ間の主波長において、発光効率が約１５ルーメン／ワットである、青色発光ダイオードである。
同様の態様では、本発明は、５２０〜５４０ナノメートルの間の主波長において、発光効率が１００ルーメン／ワットよりも高い緑色発光ダイオードである。

当技術分野（そして本明細書）で用いる場合、「主波長」という用語は、発光ダイオードによって人間の目において生ずる色相の飽和の尺度を記述する。主波長を判定するには、基準光源の色座標、及び国際照明委員会（ＣＩＥ）１９３１色度図におけるＬＥＤの測定色度座標上で直線を引く。色度図の境界上における直線の交点が、主波長を示す。
ピーク波長は、最大スペクトル・パワーにおける波長である。ピーク波長は、実用的な目的では、重要性が低い場合がある。何故なら、２つの異なる発光ダイオードが同じピーク座標を有していても、色の認知度が異なる場合があるからである。
放射束は、放射パワーとも呼ばれ、放射場(radiation field)が放射エネルギを１つの領域から他の領域に伝達する速度（ｄθ／ｄｔ）である。先に注記したように、シータ（θ）を放射エネルギとすると、放射パワーの単位はワットである。

発光ダイオードのこれら及びその他の光学特性に関する適当な論述が、ニュー・ハンプシャー州North SuttonのLabsphere Inc.からのLabsphere Technical Guide, "The Radiometry of Light Emitting Diodes"に明記されている。

発光ダイオード及びそのパッケージに精通する者には分かるように、ダイオードを通過する注入電流によって発生する光子は、１００％がダイオードの外部に漏出する。したがって、この技術分野では、「外部量子化効率」(external quantum efficiency)という用語を用いて、放出光強度の電流に対する比率（例えば、出射する光子／入射する電子）。光子は、半導体材料自体の内部における吸収、光が半導体から空中に通過するときの屈折率の差による反射損失、そしてSnellの法則によって規定される臨界角(critical angle)よりも大きな角度における光の全内反射によって失われる可能性がある。したがって、パーセントで示す外部量子化効率（ＥＱＥ）は、放射束（ワット）、波長（ナノメートル）、駆動電流（アンペア）、そして以下の式による波長とエネルギ（λ＝１．２４／ｅＶ）間の変換係数から計算することができる。
ＥＱＥ（％）
＝（放射束）×（波長）×１００／｛（１２４０）×（駆動電流）｝

ここで用いる場合、そして発光出力を記述し定義する目的上、発光面積又は表面をデバイスの「フットプリント」と定義する。異なる寸法を有する異なる部分を含むチップ又はダイについては、「面積」という用語は、ダイ又はチップ内における半導体基板材料の最大面積を意味する。何故なら、この最大寸法は、回路又はデバイスの設計者が個々の発光ダイオードを用いる際に扱わなければならないからである。
意味は同一でも別の言い方で表現すると、この面積は、（ｉ）ダイオードの最大半導体面積、又は（ｉｉ）封入されなければならない又はされることになるダイオードの基板面積のいずれよりも大きい。殆ど全ての状況において、面積（ｉｉ）は面積（ｉ）以上となる。

図面及び明細書において、本発明の好適な実施形態を明記し、特定的な用語を用いたが、これらは包括的及び記述的な意味で用いたに過ぎず、限定を主旨とするのではない。発明の範囲は、特許請求の範囲に規定するものとする。

本発明によるダイオードの一実施形態の断面模式図である。 本発明によるＬＥＤを含む、ナノメートル単位の主波長に対する放射束のグラフである。 本発明によるＬＥＤを含む主波長に対する外部量子化効率のグラフである。 本発明によるＬＥＤについての光パワー効率対主波長のグラフである。 本発明によるダイオードについての、チップ・サイズに対する光増大のグラフである。 本発明によるダイオードを含む種々のダイオードについて、波長対発光効率を、理論的最大値と比較して示すグラフである。

Claims (40)

1. １００，０００平方ミクロンよりも広い面積と、約３９０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、２０ミリアンペアの電流で少なくとも２９ミリワットの放射束とを有することを特徴とする発光ダイオード。
2. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、約４５０及び４６０ナノメートルの間にある主波長において、２０ミリアンペアの電流で少なくとも２９ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
3. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、約４５３ナノメートルにおける主波長において、２０ミリアンペアの電流で少なくとも３０ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
4. 請求項２記載の発光ダイオードにおいて、約２００，０００平方ミクロンの面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
5. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、約５２０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも１２ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
6. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、約５２４及び５３５ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも１３ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
7. 請求項１記載の発光ダイオードにおいて、約５２４及び５２７ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも１５ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
8. 少なくとも１００，０００平方ミクロンの面積と、約３９０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、２０ミリアンペアの電流で５０パーセントよりも高い外部量子化効率とを有することを特徴とする発光ダイオード。
9. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、約４５０及び４６０ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも５３パーセントの外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
10. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、４５３ナノメートルにおける主波長において、少なくとも５７パーセントの外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
11. 請求項１又は８記載の発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
12. 請求項１１記載の発光ダイオードにおいて、炭化珪素単結晶基板を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
13. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、４４０及び４７０ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする発光ダイオード。
14. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、約５２０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、３０パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
15. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、約５２０及び５３０ナノメートルの間にある主波長において、３０パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
16. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、約５２４及び５３５ナノメートルの間にある主波長において、３２パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
17. 請求項８記載の発光ダイオードにおいて、約５２４及び５２７ナノメートルの間にある主波長において、３３パーセントよりも高い外部量子化効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
18. 少なくとも１００，０００平方ミクロンの面積と、約４５０及び４６０ナノメートルの間にある主波長において、少なくとも５０パーセントの外部量子化効率とを有することを特徴とする発光ダイオード。
19. 請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
20. 請求項１９記載の発光ダイオードにおいて、炭化珪素単結晶基板を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
21. 請求項１、８、又は１８記載の発光ダイオードにおいて、長さが少なくとも４００ミクロンである少なくとも１つの辺を有することを特徴とする発光ダイオード。
22. 請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、５２０及び５４０ナノメートルの間にある主波長において、２０パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
23. 請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、５２４及び５３５ナノメートルの間にある主波長において、２１パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
24. 請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、５２４及び５２７ナノメートルの間にある主波長において、２３パーセントよりも高い光パワー効率を有することを特徴とする発光ダイオード。
25. 請求項１２又は２０記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板上に少なくとも１つのバッファ層を含み、該バッファ層がIII族窒化物材料系で形成されていることを特徴とする発光ダイオード。
26. 請求項１２又は２５記載の発光ダイオードにおいて、供給される電流の下における再結合及び発光のためのキャリアを供給するために、III族窒化物材料系で形成された逆導電型の少なくとも２つの層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
27. 請求項２６記載の発光ダイオードにおいて、前記発光構造は、少なくとも１つの窒化インジウム・ガリウムの層を含むことを特徴とする発光ダイオード。
28. 請求項１２又は２０記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板及び前記III族発光構造に対してそれぞれオーミック・コンタクトを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
29. 請求項１２又は２０記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板はｎ型であり、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプから選択したプロトタイプを有することを特徴とする発光ダイオード。
30. 請求項１又は８又は１８記載の発光ダイオードにおいて、１５０，０００平方ミクロンよりも大きな面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
31. 請求項１、８、又は１８記載の発光ダイオードにおいて、１７５，０００平方ミクロンよりも大きな面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
32. 請求項１、８、又は１８記載の発光ダイオードにおいて、約１００，０００及び約２００，０００平方ミクロンの間の面積を有することを特徴とする発光ダイオード。
33. 請求項１、８、又は１８記載の発光ダイオードにおいて、３．１ボルト未満の順方向電圧を有することを特徴とする発光ダイオード。
34. 請求項１又は８又は１８記載の発光ダイオードにおいて、３．０ボルトの順方向電圧を有することを特徴とする発光ダイオード。
35. １００，０００平方ミクロンの面積と、１００ルーメン／ワットよりも高い発光効率とを有することを特徴とする緑色発光ダイオード。
36. 請求項３５記載の緑色発光ダイオードにおいて、III族窒化物材料系で形成した発光構造を備えていることを特徴とする緑色発光ダイオード。
37. 請求項３６記載の緑色発光ダイオードにおいて、導電性炭化珪素基板を備えていることを特徴とする緑色発光ダイオード。
38. 請求項３５記載の緑色発光ダイオードにおいて、約５２０及び５４０ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする緑色発光ダイオード。
39. 少なくとも１００，０００平方ミクロンの面積と、１５ルーメン／ワットよりも高い発光効率とを有することを特徴とする青色発光ダイオード。
40. 請求項３９記載の青色発光ダイオードにおいて、約４５０及び４６０ナノメートルの間に主波長を有することを特徴とする青色発光ダイオード。

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