(57)【要約】  本明細書に開示したのは、中間キャリアブロッキング層を埋め込んだ半導体発光デバイス（ＬＥＤ）に対する多層光学活性領域であり、キャリアブロッキング層は、活性領域全体にわたるキャリア注入分布を効率よく制御してデバイスへの所望の注入特徴を達成するように選定した組成およびドーピングレベルに対する設計パラメータを有する。本明細書で考察した実施形態の例は、とりわけ、ＲＧＢ色域の全適用範囲の可視光線範囲で動作する多重量子井戸可変色ＬＥＤ、標準ＲＧＢ色域を超えて拡大した色域の可視光線範囲で動作する多重量子井戸可変色ＬＥＤ、色温度が可変的な多重量子井戸白色発光ＬＥＤ、および活性層が均一に配置されている多重量子井戸ＬＥＤを含んでいる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の量子閉じ込め構造と、
第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第１の中間キャリアブロッキング層と、
第２の量子閉じ込め構造と
を含む多層半導体発光構造であって、
前記第１の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造と前記第２の量子閉じ込め構造との間に配置される、多層半導体発光構造。
【請求項２】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子細線を含む、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子ドットを含む、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項４】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子井戸を含む、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項５】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、多重量子井戸を含む、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項６】
前記多層半導体発光構造は、レーザダイオードを含むダイオード構造である、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項７】
前記第１の中間キャリアブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第１の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項８】
第２の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第２の中間キャリアブロッキング層と、
第３の量子閉じ込め構造であって、前記第２の中間キャリアブロッキング層が前記第２の量子閉じ込め構造と前記第３の量子閉じ込め構造との間に配置されている、第３の量子閉じ込め構造と
をさらに含み、
前記第２の中間キャリアブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第２の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項９】
前記第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットならびに第２の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットは、（ｉ）光学活性層間での電子移動と正孔移動の非対称性を平衡させ、（ｉｉ）前記光学活性層へのキャリア捕捉率を平衡させるように選定され、それによって全体的な活性領域の注入効率が上がり、活性領域のオーバーフロー、キャリアリーク、および前記活性領域外へのキャリア再結合損失が減る、請求項８に記載の多層半導体発光構造。
【請求項１０】
第１の波長の光を放出する第１の量子閉じ込め構造と、
第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第１の中間キャリアブロッキング層と、
第２の波長の光を放出する第２の量子閉じ込め構造と
を含む多層半導体多色発光構造であって、
前記第１の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造と前記第２の量子閉じ込め構造との間に配置される、多層半導体多色発光構造。
【請求項１１】
前記第１の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造との相対発光をもたらすように選定した第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有し、前記相対発光は、前記多層半導体多色発光構造内の電流密度に可変的に反応する、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１２】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子細線を含む、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１３】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子ドットを含む、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１４】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子井戸を含む、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１５】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、多重量子井戸を含む、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１６】
前記多層半導体多色発光構造は、多色光を放出するＬＥＤまたはレーザダイオードを含むダイオード構造である、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１７】
前記第１の中間キャリアブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第１の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１８】
第２の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第２の中間キャリアブロッキング層と、
第３の波長の光を放出する第３の量子閉じ込め構造
とをさらに含み、
前記第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第２の量子閉じ込め構造と前記第３の量子閉じ込め構造との間に配置され、
前記第２の中間キャリアブロッキング層の所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第２の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項１０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項１９】
前記第２の中間キャリアブロッキング層の前記組成および前記ドーピングレベルによって規定された前記第２の中間キャリアブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第１の量子井戸構造、第２の量子井戸構造および第３の量子井戸構造の相対発光をもたらすように選定され、前記相対発光は、前記多層半導体多色発光構造内の電流密度に可変的に反応する、請求項１８に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項２０】
前記第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の中間キャリアブロッキング層の前記バンドギャップおよびバンドオフセットよりも大きいバンドギャップおよびバンドオフセットを有する、請求項１８に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項２１】
前記３つの量子閉じ込め構造は、前記多層半導体多色発光構造内の電流密度に反応して前記多層半導体多色発光構造が赤色、緑色および青色を優勢して発光するように選定される、請求項２０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項２２】
多層半導体発光構造であって、
第１の波長の光を放出する第１の量子閉じ込め構造と、
第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第１の中間キャリアブロッキング層と、
第２の波長の光を放出する第２の量子閉じ込め構造と
を含み、
前記第１の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造と前記第２の量子閉じ込め構造との間に配置され、
第２の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第２の中間キャリアブロッキング層と、
第３の波長の光を放出する第３の量子閉じ込め構造と
を含み、
前記第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第２の量子閉じ込め構造と前記第３の量子閉じ込め構造との間に配置され、
前記第１の量子閉じ込め構造は赤色と、第２の量子閉じ込め構造は緑色を、および第３の量子閉じ込め構造は青色をそれぞれ放出し、
前記第１の中間キャリアブロッキング層および第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造、第２の量子閉じ込め構造および第３の量子閉じ込め構造が、所定の注入電流密度でＣＩＥがおよそ等しい原色を放出し、それによって前記多層半導体発光構造が白色光を放出するように選定した所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する、
多層半導体発光構造。
【請求項２３】
前記原色は、赤色、緑色および青色である、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２４】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子細線を含む、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２５】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子ドットを含む、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２６】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子井戸を含む、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２７】
前記第１の量子閉じ込め構造、第２の量子閉じ込め構造および第３の量子閉じ込め構造の少なくとも１つは、多重量子井戸を含む、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２８】
前記第１の量子閉じ込め構造、第２の量子閉じ込め構造および第３の量子閉じ込め構造は、およそ５０Ａ／ｃｍ2の注入電流密度でＣＩＥがおよそ等しい前記それぞれの色を放出する、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項２９】
前記第１の量子閉じ込め構造、第２の量子閉じ込め構造および第３の量子閉じ込め構造は、特定の注入電流密度に対するＣＩＥ放出がおよそ等しい赤色、緑色および青色の光を放出し、前記特定の注入電流密度が増すと、前記青色の放出が増大し、前記緑色の放出が減少する、請求項２２に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３０】
白色発光デバイスの発光色温度は、前記注入電流密度を制御することで制御可能である、請求項２９に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３１】
前記第１の量子閉じ込め構造、第２の量子閉じ込め構造および第３の量子閉じ込め構造は、注入電流密度が増大するにつれて前記赤色の放出も減少したときに、ＣＩＥ放出がおよそ等しい前記それぞれの色を放出する、請求項２９に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３２】
白色光を放出する前記多層半導体発光構造の前記発光色温度は、前記注入電流密度を制御することで制御可能である、請求項３１に記載の多層半導体発光構造。
【請求項３３】
第１の波長の光を放出する第１の量子閉じ込め構造と、
第１の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第１の中間キャリアブロッキング層と、
第２の波長の光を放出する第２の量子閉じ込め構造と
を含む多層半導体多色発光構造であって、
前記第１の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の量子閉じ込め構造と前記第２の量子閉じ込め構造との間に配置され、
前記第１の中間層は、注入電流密度の特定の範囲にわたって発光分布をもたらすように選定され、前記発光分布は、前記第１の中間キャリアブロッキング層のない場合の注入電流密度の同じ範囲にわたる発光分布よりも均一である、多層半導体多色発光構造。
【請求項３４】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子細線を含む、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項３５】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子ドットを含む、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項３６】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、量子井戸を含む、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項３７】
前記第１の量子閉じ込め構造と第２の量子閉じ込め構造の少なくとも一方は、多重量子井戸を含む、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項３８】
前記第１の中間キャリアブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第１の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項３９】
前記多層半導体多色発光構造は、多色光を放出するＬＥＤまたはレーザダイオードを含むダイオード構造である、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項４０】
第２の所定のバンドギャップおよびバンドオフセットを有する第２の中間キャリアブロッキング層と、
第３の波長の光を放出する第３の量子閉じ込め構造
とをさらに含み、
前記第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第２の量子閉じ込め構造と前記第３の量子閉じ込め構造との間に配置され、
前記第２の中間キャリアブロッキング層の所定のバンドギャップおよび前記バンドオフセットは、前記第２の中間キャリアブロッキング層の組成およびドーピングレベルによって規定される、請求項３３に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項４１】
前記第２の中間キャリアブロッキング層は、前記第１の中間キャリアブロッキング層の前記バンドギャップおよびバンドオフセットよりも大きいバンドギャップおよびバンドオフセットを有する、請求項４０に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項４２】
前記第１の中間キャリアブロッキング層および第２の中間キャリアブロッキング層の前記組成およびドーピングは、前記多層半導体多色発光構造内の電流密度に反応して前記多層半導体多色発光構造が赤色、緑色および青色を優勢して発光するように選定される、請求項４１に記載の多層半導体多色発光構造。
【請求項４３】
前記第１の中間ブロッキング層および第２の中間ブロッキング層の前記所定のバンドギャップおよびバンドオフセットは、注入電流密度の特定の範囲にわたって発光分布をもたらすように選定され、前記発光分布は、前記第１の中間ブロッキング層および第２の中間ブロッキング層のない場合の注入電流密度の同じ範囲にわたる発光分布よりも均一である、請求項４０に記載の多層半導体多色発光構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１５年６月５日に出願された米国仮特許出願第６２／１７１，５３６号、２０１６年１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／２７５，６５０号、および２０１６年２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２９０，６０７号の利益を主張するものであり、この各々の出願内容を参照することにより本明細書に全容を記載したものとして本明細書に組み入れる。
【０００２】
本明細書の開示は、電気的にポンピングした固体発光体、例えば発光ダイオードおよびレーザダイオードなどの多層活性領域内の電荷キャリアの分布を調整制御する手段に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体発光ダイオード構造は、放出波長範囲がさまざまな光学光源のなかでも秀でた格別なものとなっている。従来の発光構造は通常、ダイオード構造の目標とする波長の放出に応じて、ＧａＡｓＰ、ＧＡｌａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＩｎＮなどの多層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体合金で構成されている。ＩＩＩ族窒化物ＡｌＧａＩｎＮ合金は、利用可能なバンドギャップ範囲が広いため、可能性のある材料系のなかでも特別な存在である。ＡｌＧａＩｎＮからの発光は、可視スペクトル全体をカバーしている。ＩＩＩ族窒化物系の光源は、紫外線および赤外線を放出するためにも現在開発されている。光電子デバイス活性領域を複数の活性層の設計にすることで、ＩＩＩ族窒化物系のヘテロ構造に典型的な強度の光学的かつ電気的な損失およびわずかな応力緩和長さを相殺する。
【０００４】
光学活性領域を多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ、ＭＱＷ）設計にすることは、発光体の性能に有益である。活性量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ、ＱＷ）の数を増やすことによって、注入キャリアをＭＱＷ間に拡散させることができ、それによって平均ＱＷ数を減らし、（ｉ）非放射性のオージェ再結合、（ｉｉ）熱によるＱＷの減少、および（ｉｉｉ）ＱＷへの光学遷移が飽和するという有害作用を最小に抑える。一方、電気ポンピングしたデバイスのＭＱＷ活性領域は、ダイオード構造の両側から注入される電子と正孔の両方の電荷キャリアの分布が不均等であるという問題を抱えている。その結果、活性ＱＷの不均一で不均衡な配置は、デバイスの性能に好ましくない影響を及ぼす。ＩＩＩ族窒化物発光ダイオード（ＬＥＤ）では、過剰に配置した活性ＱＷは、非放射性のオージェ再結合の損失が増すか、あるいはデバイスの活性領域からのキャリアリークが強まるかのいずれかによって、デバイスの効率低下を加速することが多い。レーザダイオード（ＬＤ）では、ポンピング不足のＱＷは、そのバンド間吸収を全体の光学損失に付加するため、レーザ閾値が上がる。
【０００５】
極性のＩＩＩ族窒化物ヘテロ構造では、不均一なキャリア注入は、組み込まれた分極場およびそれに関連する潜在的なバリアによってさらに悪化する。これにより、無極性または半極性の技術が、極性テンプレートに有用な代替手段になることがある。しかしながら、非極性テンプレートが不均質な注入の問題を完全に解決するわけではない。内部の分極場がないとしても、ＱＷが十分深くキャリアを強力に閉じ込めるＭＱＷ構造では、広範囲の注入電流でＱＷ配置が不均一であることが明らかなため、ＩＩＩ族窒化物ＭＱＷにおけるキャリア配置の不均一性は、極性テンプレートと非極性テンプレートの両方に共通の特徴である。キャリア注入の不均質性は、活性ＱＷが深いほど大きくなる。したがって、波長が長いエミッタではより顕著になるため、ＩＩＩ族窒化物系発光体の効率をいわゆる「緑色発光ギャップ」に保持する。
【０００６】
いくつかの従来の方法では、発光色が一定か可変性である多色発光を達成し、かつ／またはデバイス活性領域の注入効率を上昇させることを試みたＭＱＷ活性領域の設計が用いられている。例えば、米国特許第７，３２３，７２１号には、発光波長が様々である十分な数のＱＷを含めることによって白色光を放出するように設計されたモノリシックの多色ＭＱＷ構造が記載され、米国特許第８，３１４，４２９号には、複数接合部発光構造が記載され、各接合部のＭＱＷは、構造を構成する複数の接合部の各々の設計発光強度に応じて白色−発光に結合する特定の波長を放出するように設計されている。米国特許第７，０５８，１０５号および同第６，４３４，１７８号には、ＭＱＷ活性領域の光学的な閉じ込めと電気的な閉じ込めをそれぞれ強化する手段を取り入れることにより高キャリア注入効率を達成する手法が記載されている。米国特許出願公開第２０１１／０１８８５２８号には、過度のキャリア閉じ込めを回避して均一なＭＱＷキャリア配置を達成するように設計した浅いＱＷを使用することにより高キャリア注入効率を達成しているＭＱＷＩＩＩ族窒化物発光ダイオード構造が記載されている。米国特許出願公開第２０１０／００６６９２１号には、マイクロロッド上にエピタキシャル成長したＭＱＷＩＩＩ族窒化物発光構造が記載され、マイクロロッドのエピタキシャル成長面は、インジウムの埋め込みを半極性および非極性の配向でより強力に促進し、これによってＭＱＷ構造から多色発光へと導くことができる。そのため、上記の従来の手法では、具体的な目的に関わる特定のその場限りの手法を用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国仮特許出願第６２／１７１，５３６号
【特許文献２】米国仮特許出願第６２／２７５，６５０号
【特許文献３】米国仮特許出願第６２／２９０，６０７号
【特許文献４】米国特許第７，３２３，７２１号
【特許文献５】米国特許第７，０５８，１０５号
【特許文献６】米国特許第６，４３４，１７８号
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１１／０１８８５２８号
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１０／００６６９２１号
【特許文献９】米国特許第７，６２３，５６０号
【特許文献１０】米国特許第７，７６７，４７９号
【特許文献１１】米国特許第７，８２９，９０２号
【特許文献１２】米国特許第８，０４９，２３１号
【特許文献１３】米国特許第８，０９８，２６５号
【特許文献１４】米国特許出願公開第第２０１２／００３３１１３号
【０００８】
本明細書の実施形態は、添付の図面に例として示したものであって限定的なものではなく、図面では同様の符号は類似の要素を示している。本開示の「一」実施形態または「１つの」実施形態という記載は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではなく、少なくとも１つを意味していることに注意されたい。また、図を簡潔にし、図の総数を減らすために、１つの特定の図を用いて本開示の２つ以上の実施形態の特徴を示していることがあり、特定の実施形態に対して図中の要素すべてを必要としないことがある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来のヘテロ接合した多層量子閉じ込めに基づく発光ダイオード構造を説明するために活性領域の典型的なエネルギーバンドプロファイルを示している図である。
【図２】本明細書に開示した一実施形態によるヘテロ接合した多層量子閉じ込めに基づく発光ダイオード構造の状態を説明するために活性領域のエネルギーバンドプロファイルを示している図である。
【図３】本明細書に開示した一実施形態によるヘテロ接合した多層量子閉じ込めに基づく発光ダイオード構造を説明するために簡易化した概略断面図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｄは、本明細書に開示した例示的な実施形態による三色の赤緑青（ＲＧＢ）ＬＥＤ構造でシミュレートした活性領域のバンドプロファイル結果を示す図である。図４Ａおよび図４Ｂでは、三色の赤緑青（ＲＧＢ）ＬＥＤ構造は、中間キャリアブロッキング層（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＩＢＬ）なしで、図１の従来の構成に従って設計されている。図４Ｃおよび図４Ｄでは、赤緑青（ＲＧＢ）の三色ＬＥＤ構造は、本明細書に開示した一実施形態に従ってＩＢＬを用いて設計されている。図４Ａ〜図４Ｄでは、バンドプロファイルは１０Ａ／ｃｍ2のＬＥＤ注入レベルで計算され、バンドギャップの垂直方向の目盛は、例示目的で１ｅＶだけ少なくなっている。図４Ｃは、ＩＢＬが発光色を制御する目的で設計されている図３のＲＧＢ−ＩＢＬ−ＬＥＤ構造の活性領域バンドプロファイルを示している。
【図５】図５Ａ〜図５Ｄは、本明細書に開示した例示的な実施形態に従って図４Ａ〜図４Ｄを用いて説明した三色ＲＧＢ  ＬＥＤ構造に対する注入電流の範囲で計算したＣＩＥ色度図の比較図である。図５Ａ〜図５Ｄの構造は、図４Ａ〜図４Ｄぞれぞれの構造に対応している。図５Ａ〜図５Ｄでは、丸印は低注入電流の始点を指し、四角印は高注入電流の終点を指し、三角印は図４Ａ〜図４Ｄで用いた１０Ａ／ｃｍ2の定格注入レベルに相当する。様々な十字（「Ｘ」）は、標準ＲＧＢ色域の原色を示している。図５Ｃは、図３および図４Ｃに示したＲＧＢ−ＩＢＬ−ＬＥＤ構造で達成した発光制御の様子を示している。
【図６】図６Ａ〜図６Ｂは、本明細書に開示した例示的な実施形態による図３および図４Ｃに示したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造における色制御の詳細を示す図である。図６Ａは、制御したＲＧＢ発光に対するＣＩＥ色度座標の注入依存性を示している。図６Ｂは、各ＱＷからの相対発光力の注入依存性を示している。比較するため、図６Ａ〜図６Ｂの破線は、図４Ｄに示したＲＧＢ（３）−ＩＢＬ  ＬＥＤの対応する依存性を指している。
【図７】図７Ａ〜図７Ｆは、本明細書に開示した例示的な実施形態によるＬＥＤ構造のＩＢＬ要素の設計に対するＭＱＷキャリア注入の感度および出力色の制御を示す図である。図７Ａ〜図７Ｆはそれぞれ、修正した設計パラメータを有する２つの中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ１およびＩＢＬ２）の組成である図３の３００と同様のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤのＣＩＥ色度図を示している。
【図８】図８Ａ〜図８Ｄは、本明細書に開示した例示的な実施形態に従ってＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造を設計するプロセスを示す図である。図８Ａ〜図８Ｄはそれぞれ、ＩＢＬ１およびＩＢＬ２の組成を設計し第１の中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ１）のドーピングを変更した図３の構造３００などのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤのＣＩＥ色度図を示している。
【図９】図９Ａ〜図９Ｄは、図８Ａ〜図８ＤのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造に対するＣＩＥ色度座標の注入依存性を示す図である。図９Ａ〜図９Ｄは、ＩＢＬ１およびＩＢＬ２の組成を設計しＩＢＬ１のドーピングを変更した図３の構造３００などのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤに対するＣＩＥ色度座標を示している。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｄは、本明細書に開示した例示的な実施形態に従ってＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造を設計するプロセスを示す図である。図１０Ａ〜図１０Ｄは、ＩＢＬ１およびＩＢＬ２の組成を設計しＩＢＬ２のｐ−ドーピングレベルを変更した図３の構造３００などのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤに対するＣＩＥ図を示している。
【図１１Ａ】追加のアクアマリン色発光ＱＷを含ませて中間ブロッキング層を使用することによって色発光が標準ＲＧＢパレットを超えて広がっている一実施形態を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂ〜図１１Ｃは、全色を制御する電流注入範囲を縮小するように追加の中間キャリアブロッキング層を埋め込んだ一実施形態に関する図である。図１１Ｂは、全色を制御する電流注入範囲を縮小するように追加の中間キャリアブロッキング層を埋め込んだＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造のバンドプロファイルを示している。
【図１１Ｃ】図１１Ｂ〜図１１Ｃは、全色を制御する電流注入範囲を縮小するように追加の中間キャリアブロッキング層を埋め込んだ一実施形態に関する図である。図１１Ｃは、追加の中間キャリアブロッキング層を埋め込んだＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の発光色域ＣＩＥＲＧＢ色度座標の注入依存性を示している。
【図１２Ａ】計算した可変発光スペクトルと、本明細書に開示した例示的な実施形態に従ってエピタキシャル成長したモノリシックの色調整可能な窒化物系三色ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤから得た実験によるエレクトロルミネッセンススペクトルとの比較を示す図である。
【図１２Ｂ】本明細書に開示した例示的な実施形態に従ってエピタキシャル成長したモノリシックの色調整可能な窒化物系三色ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤから得た様々な注入電流での出力発光色を説明する図である。
【図１２Ｃ】本明細書に開示した例示的な実施形態に従ってエピタキシャル成長したモノリシックの色調整可能な窒化物系三色ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤから得た様々な注入電流での発光色域適用範囲を示す図である。
【図１３】本明細書に開示した例示的な実施形態に従って成長した図３の構造３００などのモノリシックの色調整可能な窒化物系三色ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤの実験によるエレクトロルミネッセンススペクトルを示し、シミュレーション結果との詳細な比較を示す図である。
【図１４】本明細書に開示した例示的な実施形態による最大ＬＥＤ効率点で白色発光を生成するように設計した図３の構造３００などのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤに対して計算したＣＩＥ図および発光色度座標の注入依存性を示す図である。
【図１５】本明細書に開示した例示的な実施形態に従って設計し成長した図３の構造３００などのモノリシックの広帯域可視光線を発光する窒化物系ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤの実験によるエレクトロルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図１６】従来の構成に従って設計した単色ＭＱＷ  ＬＥＤを計算した発光特徴と、本明細書に開示した例示的な実施形態による最大ＬＥＤ効率点で均一に配置した活性層を維持するように設計したＭＱＷ−ＩＢＬ  ＬＥＤとの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の様々な実施形態および態様は、以下に考察する詳細事項に関して記載され、添付の図は様々な実施形態を示している。以下の説明および図は、本開示を例示するものであり、限定するものと解釈してはならない。様々な実施形態を徹底して理解してもらうために多数の具体的な詳細事項を記載している。しかしながら、本明細書に開示した実施形態はこれらの具体的な詳細事項がなくとも実施され得ることが理解される。特定の事例では、公知または従来の詳細事項、例えば回路、構造、および技術などは、例示的な実施形態を簡潔に考察するために記載していない。
【００１１】
本明細書で「１つの実施形態」または「一実施形態」と記載している場合、その実施形態に関連して記載した特定の特徴部、構造、または特性が発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意味している。明細書内の様々な箇所で「１つの実施形態では」という語句が見られても、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているわけではない。
【００１２】
本発明者らは、電荷キャリアの配置分布を調整し、半導体発光構造の多層活性領域内の活性層配置の均等性を制御するための体系的手法を提供することが望ましいことを認識しており、それによって、活性層内のキャリア配置分布を均等にすることが可能になり、エミッタ効率が高まるようになる。また、本発明者らは、発光構造の活性層の中でキャリア配置分布を故意に調整するか直接制御することが望ましいことも認識しており、それによって、事前設計した発光スペクトルが固定されている（例えば白色エミッタ）モノリシックの多色半導体発光体を作製することが可能になり、かつ多くの可能性のある他の用途のうち発光色が可変的な発光体を開発することが可能になる。以下の説明文および図で説明するように、本明細書には、固体発光ダイオード構造の複数の活性層の中に電荷キャリアを選定的かつ制御可能に注入することを達成するための体系的方法を開示している。例えば、本明細書の一実施形態によれば、多層固体発光体構造は、デバイスの多層活性領域への電荷キャリア移動を調整して活性層のキャリア配置を制御する手段を取り入れて設計され、エピタキシャル成長したものであり、そのような能力から利点を引き出す多くの用途を対象としている。また、本明細書には多くの可能性のある用途の例も開示しており、例えば、ディスプレイ用途および一般的な照明用途、高効率の固体発光体、放出波長が一定か可変的である多色でモノリシックの半導体光源、ならびに白色光半導体エミッタである。
【００１３】
本開示の１つの態様によれば、発光ダイオードおよびレーザダイオードなどの半導体発光体構造の多層活性領域内の電荷キャリア配置分布を調整して制御するための体系的方法は、組成およびドーピングを特別に設計した中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）をデバイス活性領域に組み込むことによって実現される。
【００１４】
本開示の別の態様によれば、多層発光構造の注入特徴の標的とする修正は、（ｉ）光学活性層間での電子移動と正孔移動の非対称性を平衡させること、および（ｉｉ）光学活性層へのキャリア捕捉率を平衡させることによって実現され、それによって、全体的な活性領域の注入効率が上がり、活性領域のオーバーフロー、キャリアリーク、および活性領域外へのキャリア再結合損失が減る。
【００１５】
本開示のさらに別の態様によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、多層活性領域へのキャリアの連続的な注入が制御可能な状態で提供される。
【００１６】
本明細書に開示した一実施形態によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、活性層を多層活性領域に均等に配置した状態で提供される。
【００１７】
本明細書に開示した別の実施形態によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、放出波長が一定または可変的な多色発光を制御可能かつ調整可能な状態で提供される。
【００１８】
本明細書に開示したさらに別の実施形態によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、指定の発光色域に合致している多色発光を制御可能かつ調整可能な状態で提供される。
【００１９】
本明細書に開示したまたさらに別の実施形態によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、発光色域が広い多色発光を制御可能かつ調整可能な状態で提供される。
【００２０】
本明細書に開示した１つの実施形態によれば、モノリシックの半導体白色発光デバイスは、発光色温度を制御可能な状態で提供される。
【００２１】
本明細書に開示した一実施形態によれば、モノリシックの半導体発光デバイスは、単色発光が高い内部量子効率（ＥＱＥ）を達成する状態で提供される。
【００２２】
以下の説明では、ＩＩＩ族窒化物半導体合金を例示的な材料系として使用している。なぜなら、ＩＩＩ族窒化物半導体合金は、発光用途で重大な影響を及ぼすためにバランスが良いからである。このほか、本開示では多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域を一例の活性領域設計として使用する。なぜなら、光学活性層の量子閉じ込め構造として量子井戸（ＱＷ）ヘテロ構造が一般に使用されているからである。本明細書に開示した実施形態は、量子細線および量子ドットを使用するなど、その他の量子閉じ込め手段を組み入れたその他の材料系および光学活性層にも適用可能であることが理解されるであろう。
【００２３】
図１に戻ると、図１は、従来のヘテロ接合に基づく発光ダイオード構造の活性領域の典型的なバンドプロファイルを示している。発光ダイオード構造１００は、ｎドープ層１１０、光学活性領域１３０、ｐドープ層１２０からなる。ダイオード構造１００の光学活性領域１３０は、ダイオード構造１００のｐ側で光学活性領域１３０の外側に配置された電子ブロッキング層（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｌａｙｅｒ、ＥＢＬ）１４０と合わせて完全となることが多い。量子閉じ込めに基づくＬＥＤでは、多層光学活性領域１３０は、量子バリア層１３２で隔てられた多重量子井戸（ＭＱＷ）層１３１をさらに含み得る。活性領域１３０の光学活性ＭＱＷ層１３１内のＩＩＩ−Ｖ族材料の合金の組成は通常、所望の活性層バンドギャップを設定し、それによって発光ダイオード構造１００の光学活性領域１３０の固定発光波長を設定するように選定される。構造のｐ側での電子リークを低減するためにダイオード構造１００に埋め込んだ電子ブロッキング層（ＥＢＬ）１４０は通常、強くｐドープされたワイドバンドギャップ層であり、この層は、ダイオード構造１００の活性領域１３０のバリア層１３２のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する。キャリアリークの回避は、発光体の効率を高めるために価値ある機構であったが、今日では様々な種類のＥＢＬ構造がほとんどのＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ設計の標準的な特徴であることが多い。しかしながら、光学活性領域の外側に位置するキャリアブロッキング層は、活性領域内部の均一性またはキャリア分布にはほとんどまたは全く影響を及ぼさないため、通常は、多層発光デバイス内の活性層キャリア配置を制御または調整する設計要素としては使用できないことを強調しておかなければならない。実際、このような状況は、特に波長の長いエミッタの活性領域で過剰な分極場を引き起こす可能性があるため、活性領域内のキャリア分布に好ましくない影響を及ぼすおそれがある。
【００２４】
図２は、１つの実施形態によるヘテロ接合した多層量子閉じ込めに基づく発光ダイオード構造を説明するための活性領域のバンドプロファイルを示している。発光ダイオード構造２００は、ｎドープ層２１０、光学活性領域２３０、およびｐドープ層２２０からなる。図２の実施形態では、ダイオード構造２００の光学活性領域２３０は、ダイオード構造２００のｐ側で光学活性領域２３０の外側に配置された電子ブロッキング層（ＥＢＬ）２４０を含んでいる。他の実施形態では、ＥＢＬ２４０は含まれていない。多層光学活性領域２３０は、量子バリア層２３２で隔てられた多重量子井戸（ＭＱＷ）層２３１をさらに含み得る。図２の実施形態では、それぞれの組成ごとに規定通りに選定したバンドギャップおよびドーピングレベルに影響されたバンドオフセットを含む特別設計した中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）２３３を光学活性領域２３０の中に直接埋め込んで、活性層２３１によって活性層２３１間のキャリア移動を制御してキャリア捕捉率の均衡を保つ手段を提供している。図２の発光ダイオード構造の複数の層は、ダイオード構造の標的とする波長放出に応じてＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体合金で構成され得る。図２実施形態によるダイオード構造は、量子井戸、量子細線または量子ドットなどの量子閉じ込め手段を埋め込んだ光学活性層を有する、極性もしくは半極性または非極性結晶構造のいずれかである固体発光ダイオード構造に適用可能である。
【００２５】
図３は、１つの実施形態によるモノリシックの三色ヘテロ接合多層量子閉じ込めＧａＮ系ＬＥＤデバイス構造３００を説明するための簡易化した概略断面図を示している。図３の実施形態では、ＬＥＤ構造３００は金属有機化学蒸着（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＭＯＣＶＤ）で形成される。ただし、ＬＥＤ構造３００は、任意のエピタキシャル蒸着技術で形成されてもよい。ＬＥＤ構造３００は、上にエピタキシャル蒸着するのに適切な基板３１１（例えば上に核形成／バッファ層３１２が形成されているＧａＮ、Ｓｉ 、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のウエハ）と、その上に載っている（例えばＮ型ドーパントとしてＳｉを含んでいる）活性領域３３０のＮドープ層３１０とを含んでいる。Ｎ層３１０の上に載っているのは多層光学活性領域３３０である（例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、およびＡｌＩｎＧａＮの層の組み合わせからなる）。活性領域３３０の上に載っているのは、通常ＡｌＧａＮからなる光学電子ブロッキング層（ＥＢＬ）３４０であり、それに続いて（例えばＰ型ドーパントとしてＭｇを含んでいる）Ｐドープ層３２０がある。最後に、Ｎドープ層３１０とＰドープ層３２０それぞれを電気的に接触させるために電極３１３および３１４を設ける。
【００２６】
引き続き図３を参照すると、多層（ＭＱＷ）活性領域３３０は、積層した複数の量子バリア層３３２を含み、この量子バリア層はそれぞれが量子井戸光学活性層３３１を備えて青色、緑色および赤色を発光させる。 各々のバリア層３３２は、厚みが約５〜２０ｎｍで主にＧａＮからなり、光学活性層３３１はそれぞれ厚みが約２〜３ｎｍでＩｎＧａＮからなる。図３に示したように、光学活性層３３１は、赤色発光層、緑色発光層および青色発光層を含んでいてよい。他の実施形態では、追加の赤色発光層、緑色発光層および青色発光層ならびにアクアマリン色発光層を含んでいるこれ以外の光学活性層を使用してもよいことが理解されるであろう。
【００２７】
多層活性領域３３０は、特別設計した中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）３３３も含んでおり、この中間キャリアブロッキング層は、この実施形態では、そのそれぞれのバンドギャップおよびバンドオフセットを調整するために、特定量の追加のアルミニウム（Ａｌ）およびドーピングを含んでいる。中間ブロッキング層（ＩＢＬ）３３３に対する設計パラメータを選定することは、所与のキャリア注入レベルで自発的な発光を促進するためにそれぞれの量子井戸内に注入したキャリアの配置を選定的に制御するという働きをする。図３の実施形態では、中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）のバンドギャップは、関連する量子井戸層のバンドギャップよりも大きく、その厚みは、性能低下につながるおそれのある高順方向電圧および過剰加熱を回避するように選定される。ただし、その他のバンドギャップおよび厚みを選定してもよい。
【００２８】
以下にさらに詳細に説明するように、構造内の光学活性層３３１はそれぞれ、デバイスの発光色域の全範囲を達成するのに求められる通りに、追加のバリア層３３２で隔てられた多数のＱＷ層で構成され得る。この点に関して、以下の説明の一部では、図３がＬＥＤ構造に含まれる量子バリア層、活性層および中間ブロッキング層の構成と数の単なる１つの例となるように、図３に示した構造に対する修正を説明している。
【００２９】
このほか、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域は、図３の実施形態で量子閉じ込め構造として使用されている。ただし、１つまたは複数の量子井戸、量子細線および量子ドットなど、その他の量子閉じ込め構造を使用してもよい。この点に関して、量子細線および量子ドットを用いる実施形態では、図３に示したように活性層のもう一方の側にある量子バリア層と活性層と量子バリア層の組み合わせの代わりに、量子閉じ込め構造として量子細線または量子ドットを用いる。
【００３０】
図４Ａおよび図４Ｂは、図１の実施形態に従って設計した多色の赤緑青（ＲＧＢ）ＬＥＤ構造に対する活性領域のバンドプロファイルのシミュレーション結果を示している（図４ＡはドープしていないＲＧＢ構造に関し、図４ＢはドープしたＲＧＢ構造に関する）。図４Ｃおよび図４Ｄは、図２の実施形態に従って設計した多色の赤緑青（ＲＧＢ）ＬＥＤ構造に対する活性領域のバンドプロファイルのシミュレーション結果を示し、この図では、ＩＢＬ２３３は活性領域の中に埋め込まれている（図４ＣはＲＧＢ−ＩＢＬ構造に関し、図４ＤはＲＧＢ（３）−ＩＢＬ構造に関する）。図４Ａ〜図４Ｄに示したシミュレーション結果は、光学デバイスモデリングおよびシミュレーション（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｍｏｄｅｌｉｎｇ＆Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、ＯＤＭＳ）ソフトウェアなどのシミュレーションプログラムを用いて得たものである。結果を明瞭にするため、ＥＢＬ層はこれらのシミュレーションから排除されている。
【００３１】
図４Ａは図１、図４Ｃは図２の構造の活性領域のバンドプロファイルをそれぞれ示している。図４Ｃは、活性層のバンドギャップおよびＩＢＬ組成物を含み、所望の発光色域にわたって変化可能な（または調整可能な）色を制御するようにドーピングレベルが選定されているＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤデバイス構造をシミュレートした活性領域のエネルギーバンドプロファイルを示している。図４Ａ〜図４Ｄに示したＬＥＤエネルギーバンドプロファイルはすべて、およそ同じＬＥＤ注入レベルである１０Ａ／ｃｍ2でシミュレートされている。図４Ａ〜図４Ｄの破線は、電子（線４０１、４０４、４０７、４１０）および正孔（線４０３、４０６、４０９、４１２）に対する準フェルミレベルを示している。図４Ａ〜図４Ｄの一点鎖線（線４０２、４０５、４０８、４１１）は、活性領域内の内部電位分布を示している。
【００３２】
表１は、図４Ｃの設計済みのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の活性領域レイアウト設計パラメータの例を示しており、各々の構造の層の半導体材料の組成およびそのそれぞれのドーピングレベルが記載されている。本開示に従ってエピタキシャル成長したＬＥＤ構造の実際の発光結果を以下に考察し、図４ＣのＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造に対して記載したシミュレーション結果を確認する。
【００３３】
【表１】
2018516466.tif 000003
【００３４】
図４Ｄに示している別の実施形態では、デバイスの発光色域の均衡を保つために、ダイオード構造の活性領域の中に追加の活性層が埋め込まれている。この実施形態によれば、ＲＧＢ−ＩＢＬデバイスの活性領域には、ＲＧＢ発光の全範囲を改善するために導入した追加の青色発光ＱＷを埋め込まれている。青色発光ＱＷを多く加えるほど青色発光ＱＷによるキャリア捕捉の総数が増すため、発光色域の所望の発光原色（図４Ｄの実施形態では青色）を含むようにＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤデバイスの発光特徴が広がる。
【００３５】
図５Ａ〜図５Ｄは、ある範囲の注入電流にわたる図４Ａ〜図４Ｄの多色ＬＥＤ構造に対する発光色域（ＣＩＥ色度図）を比較したものである。図５Ａの実施形態は図４Ａの実施形態に、図５Ｃの実施形態は図４Ｃの実施形態にそれぞれ対応している。図５Ａ〜図５Ｄでは、丸印は最小注入（シミュレーション値は１μＡ／ｃｍ2）での始点を指し、四角印は最高注入レベル（シミュレーション値は１０ｋＡ／ｃｍ2）に相当し、三角は図４Ａ〜図４Ｄで用いた注入レベル（シミュレーション値は１０Ａ／ｃｍ2）を指し、十字（「Ｘ」）は、例えばＨＤ色域などの標準ＲＧＢ色域の原色を指している（赤色を十字５０２、５０６、５１０、５１４で指し、緑色を十字５０１、５０５、５０９、５１３で指し、青色を十字５０３、５０７、５１１、５１５で指している）。図５Ｃおよび図５Ｄは、デバイスの活性領域内でのキャリア注入分布を制御可能にし、標準ＲＧＢ色域をカバーする多色発光を調整可能にするようにＩＢＬバンドギャップおよびバンドオフセットを選定してＲＧＢ−ＩＢＬデバイスを設計した実施形態を示している。図５Ｄは特に、図３（図４Ｃも同様）のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００の発光をさらに改良して、関連するバリア層および第１のＩＢＬ（以下ＩＢＬ１と称する）の成長前に２つの青色発光ＱＷを追加することで標準ＲＧＢ色域の全適用範囲を達成している一実施形態を示している。
【００３６】
図６Ａ〜図６Ｂは、図３（図４のサブグラフＣのものも同様）のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００で色を制御するプロセスの詳細である。図６Ａ〜図６Ｂでは、線６０６および６１１は赤色を指し、線６０４および６０９は緑色を指し、線６０２および６０８は青色を指している。図６Ａは、発光色域ＣＩＥ  ＲＧＢ色度座標の注入依存性を示している。図６Ｂは、各ＱＷ色グループ、
【００３７】
【数１】
2018516466.tif 000004
【００３８】
での相対的な発光力を示し、指数ｉは赤色、緑色または青色の発光ＱＷそれぞれに関係している。破線（線６０１および６０７は青色を指し、線６０３および６１０は緑色を指し、線６０５および６１２は赤色を指している）は、図４のグラフ４７０に示した３つの青色発光ＱＷを埋め込んだＲＧＢ−ＩＢＬ（３）発光構造に対応する注入依存性を示している。追加のバリア層３３２で隔てられた追加の光学活性ＱＷ層３３１は、デバイスの発光色域の全適用範囲および／または各ＱＷの色グループでの所望の
【００３９】
【数２】
2018516466.tif 000005
【００４０】
相対発光力を達成するのに必要な通りに図３のデバイス構造に追加されることに注意すべきである。したがって、図３の構造は、より少ないまたは追加の光学活性ＱＷ層３３１を含んでいてもよく、それに応じてより少ないまたは追加のバリア層３３２をその光学活性ＱＷ層を隔てるために含んでいてもよい。
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｄを再度参照すると、図５Ａと図５Ｃの発光色域（これは図４Ａおよび図４Ｃにもそれぞれ対応している）の比較は、選定したバンドギャップおよびバンドオフセットを有するＩＢＬを、バンドギャップが多色発光に対応している複数の活性層を埋め込んだ半導体発光ダイオード構造の活性領域の中に埋め込むことの効果を示している。図５Ａからわかるように、ＩＢＬがなければ、キャリア注入レベル（割合）が上昇しつつある色放出の軌道は、色の放出がそれに対応しているｐ側（赤色）およびｎ側（青色）の活性層（ＱＷ）それぞれにほとんど限定され、どの注入レベルでも色域の緑色原色の優位性が完全に失われているため、標準ＲＧＢ色域の全適用範囲を達成することは不可能である。図５Ｂからわかるように、従来の手法に従ってＩＢＬなしで半導体発光ダイオード構造の活性層間にあるバリアをドーピングすると、低注入レベルで緑色を、高注入レベルで青色をそれぞれ放出する活性層（ＱＷ）によって発光が影響されてしまい、どの注入レベルでも色域の赤色原色の優位性が失われてしまう。したがって、標準ＲＧＢ色域の全適用範囲を達成することは不可能である。図５Ｃおよび図５Ｄからわかるように、ＬＥＤ構造の活性領域の中にＩＢＬが埋め込まれていれば、キャリア注入レベル（割合）が上昇しつつある色放出の軌道は、標準ＲＧＢ色域を完全にカバーする。
【００４２】
次に、中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）の組成の選定について図７Ａ〜図７Ｆを参照して説明する。この点に関して、図７Ａ〜図７Ｆは、ＩＢＬの設計にＭＱＷを注入する感度を示している。図７Ａ〜図７Ｆは、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤのＣＩＥ色度図を示しており、これは、修正したＩＢＬのうちの１つの設計パラメータを除いて、図３のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００のＣＩＥ色度図とほぼ同じである。図５Ａ〜図５Ｄとほぼ同じである図７Ａ〜図７Ｆでは、丸印は最小注入での始点を指し、四角印は最高注入レベルに相当し、三角は注入レベルを指し、十字（「Ｘ」）は標準ＲＧＢ色域の原色を指す（十字７０２、７０６、７１０、７１４、７１８、７２２は赤色を指し、十字７０１、７０５、７０９、７１３、７１７、７２１は緑色を指し、十字７０３、７０７、７１１、７１５、７１９、７２３は青色を指している）。
【００４３】
図７Ａ〜図７Ｃは、緑色の活性層と赤色の活性層（ＱＷ）との間に配置した中間ブロッキング層（以下ＩＢＬ２と称する）の選択に対する色制御の感度を示し、これはその材料組成によって影響を受けている。図７Ａ〜図７Ｃでは、青色ＱＷと緑色ＱＷとの間に配置した中間ブロッキング層（以下ＩＢＬ１と称する）がなく、緑色ＱＷと赤色ＱＷとの間に位置するＩＢＬ２のバンドギャップは、その組成中のアルミニウム濃度を図７Ａの濃度から図７Ｃの濃度まで系統的に増加させることによって影響されるため、大きくなる。そのため、図７Ａ〜図７Ｃは、材料組成に影響されるＩＢＬ２バンドギャップをどのように用いて赤色−緑色のカラーバランスを制御するのかを示している。
【００４４】
図７Ｄ〜図７Ｆは、材料組成に影響されるＩＢＬ１のバンドギャップをどのように用いて、特定の注入レベルでＬＥＤが出力する緑色−青色のカラーバランスを調整するのかを示している。図７Ｄ〜図７Ｆでは、ＩＢＬ２の設計は、（図３のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００と同じように）一定であり、ドープされていないＩＢＬ１中のアルミニウム濃度は、サブグラフＤの濃度からサブグラフＦの濃度まで系統的に上昇する。そのため、図７Ｄ〜図７Ｆは、材料組成に影響されるＩＢＬ１バンドギャップをどのように用いて、サブグラフＤ〜Ｆの三角印で示されている特定の定格注入１０Ａ／ｃｍ2で緑色−青色のカラーバランスを制御できるのかを示している。以下に記載する一実施形態では、この特性を利用して白色光ＬＥＤの発光を最大効率点まで調整する。
【００４５】
次に、青色活性層と緑色活性層との間に配置した中間ブロッキング層（ＩＢＬ１）のドーピング量の選定について、図８Ａ〜図８Ｄおよび図９Ａ〜図９Ｄを参照して考察する。この点に関して、図８Ａ〜図８Ｄおよび図９Ａ〜図９Ｄは、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の設計プロセスを例示的な一例として用いてＩＢＬの設計にＭＱＷを注入する感度をさらに示している。図８Ａ〜図８Ｄは、ＩＢＬ１およびＩＢＬ２の組成を選定して一定にし、ＩＢＬ１のドーピングレベルを変化させたＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤのＣＩＥ図を示している。図９Ａ〜図９Ｄには、発光色度座標の対応する注入依存性が見られる。この点に関して、図９Ａ〜図９Ｄの実施形態は、図８Ａ〜図８Ｄのサブグラフの実施形態にそれぞれ対応している。図８Ａ〜図８Ｄからわかるように、ＩＢＬ１をｎドーピングまたはｐドーピングすると、赤色−緑色側または緑色−青色側のそれぞれでカラーバランスに影響する。図８Ｃの実施形態（図５Ｃの実施形態も同様）に従って設計したＲＧＢ−ＩＢＬの構造では、ＩＢＬ１は、図８Ａ〜図８Ｄの十字印で表した標的色域の適用範囲を改善するためにドープされず、同図では十字８０２、８０６、８１０、８１４は赤色を指し、十字８０１、８０５、８０９、８１３は緑色を指し、十字８０６、８０７、８１１、８１５は青色を指している。図５Ａ〜図５Ｄのグラフとほぼ同じである図８Ａ〜図８Ｄでは、丸印は最低注入での始点を指し、四角印は最高注入レベルに相当し、三角は注入レベルを示している。図９では、線９０３、９０６、９０９、９１２は赤色を指し、線９０２、９０５、９０８、９１１は緑色を指し、線９０１、９０４、９０７、９１０は青色を指している。
【００４６】
次に、緑色活性層と赤色活性層との間に配置した中間ブロッキング層（ＩＢＬ２）のドーピング量の選定について、図１０Ａ〜図１０Ｄを参照して考察する。図１０Ａ〜図１０Ｄは、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の設計プロセスを例示的な一例として用いてＩＢＬの設計にＭＱＷを注入する感度をさらに示している、この点に関して、図１０Ａ〜図１０Ｄは、ＩＢＬ１およびＩＢＬ２の組成を選定して一定にし、ＩＢＬ２のｐドーピングのレベルを変化させたＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤのＣＩＥ図を示している。図１０Ａ〜図１０Ｄからわかるように、ＩＢＬ２のｐ−ドーピングを図１０Ｃに示したレベルで設定したとき、キャリア注入レベル（割合）を変化させることで所望の色域が最大に広がった適用範囲が確立され、この注入レベルよりも下または上では、色域の適用範囲は所望のＲＧＢ標準色域全体に十分に広がらない。図４Ｃに示した構造では、ＩＢＬ２のドーピングレベルは、図１０Ａ〜図１０Ｄにある赤色、緑色および青色の「Ｘ」印で表した標的色域が最大に広がった適用範囲を達成するために、Ｎａ＝１．５×１０１８ｃｍ-3であり、同図では、十字１００２、１００６、１０１０、１０１４は赤色を指し、十字１００１、１００５、１００９、１０１３は緑色を指し、十字１００３、１００７、１０１１、１０１５は青色を指している。
【００４７】
次に、活性領域に追加の多色ＱＷが含まれている一実施形態を、図１１Ａを参照して考察する。図１１Ａに示したように、ＲＧＢ色域は、追加のＱＷを含ませて中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）を再度設計することで制御される。図１１ＡのＲＧ（アクア）Ｂ−ＩＢＬの列（グラフ１１６０および１１６５）に示したこの実施形態では、定格発光波長５２５ｎｍである１つの緑色発光ＱＷを用いる代わりに、定格発光波長５３１ｎｍである緑色発光ＱＷと定格発光波長５１２ｎｍであるアクアマリン色発光ＱＷを含む２つのＱＷを使用しており、両者は追加の中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ３）で隔てられている。図１１ＡのＲＧＢ−ＩＢＬの列（グラフ１１５０および１１５５）は図３の実施形態に相当し、この実施形態では構造はアクアマリン色発光ＱＷを含んでいない。
【００４８】
表２Ａは、アクアマリン色発光ＱＷ（ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ）のないＬＥＤ構造に設計したＩＢＬと、アクアマリン色発光ＱＷ（ＲＧＡＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ）を含んでいるこの実施形態に従ってＬＥＤ構造を設計したＩＢＬとを比較したものである。また図１１Ａは、対応する色で示されている各活性ＱＷのＣＩＥ特徴も示している。この点に関して、線１１１８および１１２３、十字１１０３および１１１１ならびに点１１０４および１１１２は赤色を指し、線１１１７および１１２２、矢印１１１９、十字１１０２および１１１０、ならびに領域１１０１および１１０９は緑色を指し、線１１１６および１１２１、矢印１１２０、十字１１０５および１１１３、点１１０６および１１１４、ならびに領域１１０８は青色を指している。図１１Ａでは、ＲＧＡＢ−ＩＢＬ構造は、緑色発光範囲が定格注入レベルである１０Ａ／ｃｍ2を超えて広がるように、アクアマリン色ＱＷ発光で青色シフトが強く設計されている。
【００４９】
【表２】
2018516466.tif 000006
【００５０】
次に、キャリア注入電流の選定について、図１１Ｂ〜図１１Ｃを参照して説明する。図１１Ｂ〜図１１Ｃに示した実施形態では、青色発光ＱＷの前（ｎ側）にある追加の中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ０）が、本明細書に開示したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の中に埋め込まれ、他の中間ブロッキング層（ＩＢＬ１およびＩＢＬ２）およびこの構造の活性領域のバリア層は再度設計されている。したがって、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の全色の電流注入範囲を改善することが可能である。図１１Ｂは、この実施形態のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造のバンドプロファイルを示している。図４と同様に、図１１Ｂの破線は、電子（線１１２４）および正孔（線１１２５）に対する準フェルミレベルを示す。図１１Ｂの一点鎖線（線１１２６）は、活性領域内の内部電位分布を示している。
【００５１】
表２Ｂは、図１１Ｂ〜図１１Ｃの実施形態による活性領域の設計に対する例示的なパラメータを示している。表２Ｂに示したように、構造のｎ側にＩＢＬ０を追加したこと以外に、発光レイアウト構造の活性領域を再度設計することには、（ｉ）アルミニウム含有量２２％のＩＢＬ０を追加して７×１０１７ｃｍ-3で軽くＳｉドーピングすることと、（ｉｉ）Ｂ−ＱＷ層とＧ−ＱＷ層との間のバリア分離部を大きくして１×１０１７ｃｍ-3でＭｇドーピングすることと、（ｉｉｉ）ＩＢＬ１中のアルミニウム含有量を２３％まで増量して０．３×１０１７ｃｍ-3で軽くＭｇドーピングすることと、（ｉｖ）ＩＢＬ２中のアルミニウム含有量を２５％まで増量して５×１０１７ｃｍ-3でＭｇドーピングすることとを含む。
【００５２】
図１１Ｃは、この実施形態のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造例の発光色域ＣＩＥのＲＧＢ色度座標の注入依存性を示している。図１１Ｃでは、三角１１２６は緑色を指し、四角１１２７は緑色を指し、十字１１２８は緑色を指している。また、三角１１２９は赤色を指し、四角１１３０は赤色を指し、十字１１３１は赤色を指している。四角１１３２は青色を指し、三角１１３３は青色を指し、十字１１３４は青色を指している。図１１Ｃの破線（線１１３６は赤色を指し、線１１３８は緑色を指し、線１１４０は青色を指している）は、追加のＩＢＬ０を含んでいるが残りの構造を再設計していないＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の発光色域を示している。図１１Ｃの太線（線１１３５は赤色を指し、線１１３７は緑色を指し、線１１３９は青色を指している）は、追加のＩＢＬ０を含み残りの構造を再設計したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造の発光色域を示している。図１１Ｃの太線からわかるように、追加のＩＢＬ０を含みこの実施形態の構造を再設計したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造は、２０ｍＡ／ｃｍ2〜５０Ａ／ｃｍ2の注入電流範囲内の標準ＲＧＢ色域を完全にカバーしており、この範囲は、一つ前の実施形態の例よりも実質的に狭い。
【００５３】
多色発光ダイオード構造の活性領域（例えば図３にある構造３００の活性領域３３０）の中に中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）を埋め込むことの別の利点は、ＩＢＬが中間歪補償層としても作用する点である。このように、活性領域全体にわたるキャリア移動の均衡を保つことに加えて、ＩＢＬを埋め込むことで、複数のバンドギャップ活性領域（例えば発光ダイオード構造３００の活性領域３３０）全体わたる結晶歪みも最小に抑える。その結果、ＩＢＬを埋め込むことで、窒化物系（ＩｎＧａＮ）光学活性層（例えば多色発光ダイオード構造３００の光学活性層３３１）の中にインジウムをより多く取り入れることも促進され、それによって、多色発光ダイオード構造の活性領域内の波長発光範囲が長く、琥珀色（６１５−ｎｍ）から赤色（６２５−ｎｍ）に及ぶ光学活性層のエピタキシャル成長が可能になる。そのため、中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）を埋め込むことで、可視光線スペクトル全体にわたる発光の電流注入を制御できる、色調整可能な窒化物系発光ダイオード構造の製造も可能になる。
【００５４】
【表３】
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【００５５】
図１２Ａは、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ（図１１ＡのＲＧＢ−ＩＢＬの列）を用いたシミュレーションから得た可変色発光スペクトルを、図１１ＡのＲＧ（アクア）Ｂ−ＩＢＬの列によるエピタキシャル成長した琥珀色−緑色−青色の三色ＩＢＬ  ＬＥＤから得た実験によるエレクトロルミネッセンススペクトルと比較したものである。シミュレートしたスペクトル（グラフ１２００）では、活性領域全体にわたる電圧ドロップは、２０ｍＶの段階で３．０Ｖから３．７Ｖに変化している。グラフ上の線１２０１から線１２０２に向かって移るグラフ１２００では、線１２０１は紫色を指し、次のいくつかの線は青色、その次に緑色、その次に黄色、その次にオレンジ色、その次に赤色を指し、それから再び紫色から始まることを繰り返し、線１２０２は赤色を指している。一連の実験データでは（グラフ１２２０）、数値は合計ＬＥＤ注入電流を指している。グラフ１２２０の数値では、４ｍＡは赤色を指し、７ｍＡは淡緑色を指し、１１ｍＡは濃青色を指し、３１ｍＡは淡青色を指し、６１ｍＡは紫色を指し、１０１ｍＡは濃青色を指し、１５１ｍＡは淡青色を指し、２０１ｍＡは濃青色を指し、２５１ｍＡは淡青色を指し、３０１ｍＡは赤色を指し、３４０ｍＡは濃緑色を指し、３５０ｍＡは淡緑色を指し、３５３ｍＡはオレンジ色を指している。グラフ１２２０に関して、線１２２２は赤色を指す４ｍＡに相当し、線１２２１はオレンジ色を指す３５３ｍＡに相当する。線１２２２から線１２２１へ上に向かって移るにしたがい、中間線はグラフ１２２０の数値に順に対応している。したがって、線１２２２の上の線は淡緑色を指す７ｍＡに相当し、次の上の線は濃青色を指す１１ｍＡに相当する、等々である。
【００５６】
図１２Ｂおよび図１２Ｃは、本開示に従って設計し、ＩＩＩ族窒化物を用いてエピタキシャル成長させたＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤから得た可変発光スペクトルを示している。図１２Ｂおよび図１２Ｃに示した完全色域を達成するために、エピタキシャル成長したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ構造には、発光波長が同じであるＱＷ間にＩＢＬが埋め込まれている。具体的には、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示したエピタキシャル成長したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤから得た可変発光スペクトルの場合、３つの青色発光ＱＷおよび青色−緑色ＩＢＬ１が埋め込まれ、次に２つの緑色発光ＱＷが埋め込まれ、これがＩＢＬ１．５と称する追加のＩＢＬで隔てられ、それから赤色発光ＱＷが埋め込まれ、これがＩＢＬ２によって第２の緑色発光ＱＷから隔てられている。このエピタキシャル成長したＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤにある３つのＩＢＬの組成およびドーピングは、図１２Ｂおよび図１２Ｃに示した注入範囲で色域の適用範囲を達成するために前述の通りに選定したものである。図１２Ｂでは、（ａ）５ｍＡで赤色の発光が見られ、（ｂ）２０ｍＡでオレンジ色の発光が見られ、（ｃ）３０ｍＡで黄色の発光が見られ、（ｄ）１００ｍＡで淡緑色の発光が見られ、（ｅ）２００ｍＡで淡青色の発光が見られ、（ｆ）３５０ｍＡで青色の発光が見られる。図１２Ｃでは、７００ｎｍおよび６４０ｎｍは赤色を指し、６２０ｎｍは赤色−オレンジ色を指し、６００ｎｍはオレンジ色を指し、５９０ｎｍは淡オレンジ色を指し、５８０ｎｍは淡オレンジ色を指し、５７０ｎｍは黄色を指し、５６０ｎｍおよび５４０ｎｍは淡緑色を指し、５２０ｎｍ、５１０ｎｍおよび５００ｎｍは緑色を指し、４９６ｎｍは青色を指し、４８０ｎｍは淡青色を指し、４８０ｎｍおよび４６０ｎｍは濃青色を指している。
【００５７】
図１３は、本開示に従って設計し成長させた図３のモノリシックの色調整可能な窒化物系三色ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００の実験によるエレクトロルミネッセンススペクトルをさらに詳細に示したものであり、シミュレーション結果とのさらに詳細な比較を示している。図１３のグラフ１３２１〜１３２３は、注入電流密度を低、中および高にして室温で測定したＥＬスペクトルを示している。約０．５Ａ／ｃｍ2の低電流密度の場合（グラフ１３２３）、発光は主に、波長範囲がおおよそ５６０〜６５０ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が約５０ｎｍの赤色である。約１０Ａ／ｃｍ2の中電流密度の場合（グラフ１３２２）、発光は主に、波長範囲がおおよそ４８０〜５４０ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が約４５ｎｍの緑色である。約５０Ａ／ｃｍ2の電流密度の場合（グラフ１３２１）、発光は主に、波長範囲がおおよそ４２０〜４７５ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が約３５ｎｍの青色である。グラフ１３３４〜１３３５は、３つの電圧バイアス値（単位ボルト）でのスペクトルの発光力に対応する結果を示している。グラフ１３３４では、線１３０１は３．４６ボルトの電圧バイアス値を指し、線１３０２は３．１６ボルトの電圧バイアス値を指し、線１３０３は２．９８ボルトの電圧バイアス値を指している。グラフ１３３５は、正規スケールでの結果を示している。グラフ１３３５では、線１３０５は赤色を指し、線１３０６は緑色を指し、線１３０４は青色を指している。
【００５８】
これまでの実施形態では、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤの光学活性領域内に複数の中間キャリアブロッキング層（ＩＢＬ）が埋め込まれている。記載したように、これらの実施形態のいくつかでは、ＩＢＬは、特定波長の発光を有する１つ以上のＱＷを埋め込んだ活性層の領域を分離している。また、これらの実施形態のいくつかでは、１つのＩＢＬが、同一波長の発光を有するＱＷを埋め込んだ活性層を分離している。さらに、本発明の他の実施形態では、ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤの光学活性領域のｎ側にＩＢＬが埋め込まれている。これらの実施形態のいずれにおいても、ＩＢＬの組成およびドーピングは、これまでの考察で説明したように選定され設計され、所与のキャリア注入（Ｉ，Ｖ）範囲にわたる広い色域をカバーする制御可能な（または調整可能な）色の放出を可能にする。これらの実施形態におけるＩＢＬの組成およびドーピングの全般的な設計基準は、以下の１つ以上を含んでいる。（１）ＩＢＬの伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ  ｂａｎｄ、ＣＢ）エネルギーレベルは、光学活性領域のＣＢエッジよりも高く、構造のｎ側からｐ側に向かって段階的に上昇しなければならない。（２）ＩＢＬの価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ  ｂａｎｄ、ＶＢ）エネルギーレベルは、光学活性領域のＶＢエッジよりも低く、構造のｎ側からｐ側に向かって段階的に低下しなければならない。
【００５９】
上記に開示した実施形態によれば、多色半導体発光構造（例えば、色調整可能なＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤデバイス）は、半導体発光構造の以下の設計パラメータの１つ以上を選定して設計される。（１）活性層ＱＷのバンドギャップを、所望の発光色域にわたって発光を達成するように選定する。（２）所与の波長での発光に対応するバンドギャップを有する活性層ＱＷの数を、各色に対して所望の相対発光力でデバイスの発光色域の中に所望の色発光原色を含めるように選定する。（３）材料の組成およびドーピングレベルを最適にした複数のＩＢＬを発光デバイスの活性領域の中に埋め込んで、所望の色域内でデバイス発光色のキャリア注入率の制御を可能にする。（４）材料の組成およびドーピングレベルを最適にした複数のＩＢＬを発光デバイスの活性領域の中に埋め込んで、所与のキャリア注入範囲内でデバイス発光色の制御を可能にする。（５）所与の波長での発光に対応する複数の活性層ＱＷのバンドギャップを、広域で色発光を提供するように選定する。
【００６０】
次に、いくつかの例を図１４〜図１６を参照して説明する。図では、様々な用途に提供するために半導体発光構造の設計パラメータが選定されている。図１４は、色温度が変化するモノリシックの白色ＬＥＤができるように多色ＬＥＤ構造内に埋め込んだＩＢＬの設計パラメータを選定した一実施形態を示している。図１４は、ＣＩＥ色度図１４００および発光色度座標１４１０の注入依存性を示している。図１４の実施形態では、ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤ構造の設計パラメータは、最大のＬＥＤ効率点、５０Ａ／ｃｍ2の注入電流密度（図１４の１４００に逆三角で示した所）、ＲＧＢ−ＩＢＬ構造の活性層ＱＷの発光原色で形成された色域の白色点（図１４のグラフ１４００の十字１３０３で記した所）で白色発光が生じるように選定されている。図１４のグラフ１４００では、十字１３０３および点１３０４は赤色を指し、十字１３０２および領域１３０１は緑色を指し、十字１３０５および点１３０６は青色を指している。図１４のグラフ１４１０では、線１３０８は赤色を指し、線１３０９は緑色を指し、線１３０７は青色を指している。
【００６１】
表３は、白色−発光ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤ用に設計したＩＢＬを、図３（図４Ｃおよび図５Ｃにも示している）のＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００用に設計したＩＢＬと比較したものである
【００６２】
【表４】
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【００６３】
図１４のグラフ１４１０は、白色−発光ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤの発光色度座標の注入依存性を示している。この実施形態では、ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤ構造の設計パラメータは、５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度で、所与の色温度、例えば６５００°Ｋの白色発光を生み出すように選定されている。図１４のグラフ１４１０に示したように、注入電流が５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度よりも高い値まで上昇すると、放出された白色光は、青色活性層ＱＷからより高いレベルの相対強度寄与を含めるため、放出された白色光の色温度はそれに応じて、５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度で放出された白色光の温度よりも高い値であるＴ＋まで上昇する。同じように、図１４のグラフ１４１０に示したように、注入電流が５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度よりも低い値まで低下すると、放出された白色光は、緑色活性層ＱＷおよび赤色活性層ＱＷからより高いレベルの相対強度寄与を含めるため、放出された白色光の色温度はそれに応じて、５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流で放出された白色光の温度よりも低い値であるＴ−まで低下する。ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤ構造の設計パラメータは、定格の放出された白色光温度付近の所望の白色発光温度範囲に相当する定格注入電流密度の前後で注入電流制御範囲を形成するように選定される。例えば、５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度で６５００°Ｋの白色光温度を選定する場合、デバイスの注入電流が５０Ａ／ｃｍ2の定格注入電流密度を下回る所与の範囲にわたって低下、またはこれを上回る所与の範囲に上昇したとき、ＲＧＢ−ＩＢＬ−白色ＬＥＤ構造の設計パラメータも、白色色温度の範囲を例えば２５００°Ｋ〜８０００°Ｋとなるように設計できる。
【００６４】
図１４からわかるように、設計パラメータは、放出される白色光温度がその電流注入レベルを変化させることで変化するモノリシックの白色ＬＥＤデバイスができるように、多色ＬＥＤ構造の活性領域内に埋め込まれたＩＢＬに対して選定されている。一般的な照明分野の用途では、白色発光温度を制御可能な（または調整可能な）モノリシックの白色ＬＥＤデバイスを使用して、制御可能な（調整可能な）白色発光温度を有する固体電球を作製することができる。ディスプレイ分野の用途では、白色発光温度を制御可能な（調整可能な）モノリシックの白色発光ＬＥＤデバイスを使用して、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用の固体バックライトユニット（ＢＬＵ）または量子ドット表示などのバック照明光を必要とする任意のその他の種類のディスプレイを作製できる。このようなモノリシックの白色ＬＥＤをディスプレイ用バックライトとして使用することの１つの利点は、表示画像のダイナミックレンジを犠牲にすることなくディスプレイ要件に合致するようにその輝度も白色色温度も調整できる点である。その点において、従来の白色でバック照明したディスプレイでは、バックライトの色温度、およびしばしばその強度は通常一定であり、表示画像の輝度または色合いは、表示画像画素のＲＧＢ値を調整することで調整される。これは、一部分が表示画像の輝度および色合いを調整するために使用されるのであって、各画素色のグレースケース値を表現するために使用されるのではないため、通常は表示画像のダイナミックレンジが縮小してしまう手法である。白色発光温度を制御可能な（調整可能な）モノリシックの白色発光ＬＥＤデバイスを使用するディスプレイＢＬＵを使用してこれらの制限を緩和できるため、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）ディスプレイが可能になる。
【００６５】
図１５は、本開示に従ってエピタキシャル成長し、設計した図３の広帯域に可視光線を放出するモノリシックの窒化物系ＲＧＢ−ＩＢＬ  ＬＥＤ３００のエレクトロルミネッセンススペクトルを示している。図１５のグラフ１５００は、約１Ａ／ｃｍ2の駆動電流密度でのＥＬスペクトルを示している。発光は主に、波長範囲がおおよそ５６０〜６８０ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が７０ｎｍの赤色帯域にある。図１５のグラフ１５１０は、約１０Ａ／ｃｍ2の中程度の電流密度でのＥＬスペクトルを示している。発光は主に、波波長範囲がおよそ５００〜６９０ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が１２０ｎｍの赤色と緑色とを合わせた帯域にある。図１５のグラフ１５２０は、約４０Ａ／ｃｍ2の注入電流密度でのＥＬスペクトルを示している。光は、波長範囲がおよそ４４０〜７００ｎｍで半値全幅（ＦＷＨＭ）が１９０ｎｍである赤色と緑色と青色を合わせた帯域で放出される。図１５からわかるように、設計パラメータは、広帯域白色発光を有するモノリシックの白色ＬＥＤデバイスを作製するために多色ＬＥＤ構造の活性領域内に埋め込んだＩＢＬ用に選定される。
【００６６】
図１６は、ＬＥＤ構造内に均一に配置した活性層を形成するように単色ＬＥＤ構造内に埋め込んだＩＢＬの設計パラメータを選定した一実施形態を示しており、それによって（例えば効率の点で）デバイスの性能に好ましくない影響を及ぼす活性ＱＷの不均一で不均衡な配置を緩和する。図１６は、図１の従来構造（グラフ１６２０および１６２５）の単色青色発光（グラフ１６２０および１６４０）および緑色発光（グラフ１６２５および１６４５）のＭＱＷＬＥＤを、ＭＱＷ活性領域に均一に配置した活性層を維持するように本開示に従って設計したＭＱＷ−ＩＢＬ  ＬＥＤ（グラフ１６４０および１６４５）と比較したものである。各列では、図１６のサブグラフは、図１の従来構造による３−ＱＷ  ＬＥＤ（グラフ１６２０および１６２５）、および５０Ａ／ｃｍ2の注入電流密度で達成した最大ＬＥＤ内部量子効率（ＩＱＥ）に相当するＬＥＤ注入レベルで均一な放出分布になるようにＩＢＬを選定した３−ＱＷ  ＩＢＬ−ＬＥＤ（グラフ１６４０および１６４５）にある活性ＱＷ
【００６７】
【数３】
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【００６８】
の発光力の分布を示している。グラフ１６２０および１６２５にある従来のＬＥＤ構造（例えば図１）は、ＥＢＬのない構造（太線１６０２は青色を指し、太線１６０４は淡青色を指し、太線１６０６は紫色を指し、太線１６０８は緑色を指し、太線１６１０は淡緑色を指し、太線１６１２は濃緑色を指している）と、ｐ側にＥＢＬがある構造（破線１６０１は青色を指し、破線１６０３は淡青色を指し、破線１６０５は紫色を指し、破線１６０９は緑色を指し、破線１６１１は淡緑色を指し、破線１６１３は濃緑色を指している）とを含んでいるため、全体的なＬＥＤの内部量子効率（ＩＱＥ）がすでに低下している最高注入レベル以外は、ＭＱＷの放出均一性に対するＥＢＬの影響はわずかであることを示している。逆に、ＭＱＷ−ＩＢＬ  ＬＥＤは、最初の最適な注入電流である５０Ａ／ｃｍ2を十分に上回っている実際にかなりの注入電流（グラフ１６４０および１６４５に丸で記した所）の広範囲内で比較的均一な放出分布であることを示している。図１６のグラフ１６４０および１６４５では、線１６０５は青色を指し、線１６０６は淡青色を指し、線１６０７は紫色を指し、線１６１４は濃緑色を指し、線１６１５は淡緑色を指し、線１６１６は緑色を指している。
【００６９】
表４は、５０Ａ／ｃｍ2の定格注入レベルでの従来の（ＩＢＬのない）ＬＥＤの放出均一特性とＩＢＬ−ＬＥＤの放出均一特性とを比較したものであり、この実施形態に従って選定したＩＢＬのアルミニウム組成およびｐ−ドーピングアクセプタ濃度を示している。
【００７０】
【表５】
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【００７１】
図１６からわかるように、ＬＥＤ構造は、単色ＬＥＤ構造の活性領域内に埋め込んだＩＢＬ用に選定した設計パラメータによって、低から中程度の範囲内の所望の電流注入密度でＩＱＥを有するように設計され得る。図１６の実施形態は、マイクロスケールの固体発光体のアレイをディスプレイの発光画素として使用する用途で特に有利であり、本明細書ではこれを発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイと称する。このような用途では、デバイスの発光開口全体は、そのデバイスの光学開口でもある。したがってデバイスは、かなり高い光結合効率で動作できるため、通常は高い電流注入密度を用いる必要がない。逆に、通常の固体照明用途では一般に、かなり高い電流注入密度を用いる必要がある。発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイは通常、一般には高電流注入方式で動作する通常の固体照明用途と比較して低電流注入方式で動作する。このような低注入方式の場合、固体マイクロスケールエミッタＩＱＥは、その動作効率を維持してさらに高めるために、その通常の電流注入動作点で設計され得る。別の実施形態では、図１６の実施形態を用いて発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイのＩＱＥを設計して、その動作効率を高める。
【００７２】
本明細書に記載した方法および構造によれば、特に多色固体発光構造の活性領域内にＩＢＬを埋め込むことによって、可変色に発光する（または調整可能な）固体発光材料および可変色を放出する（または調整可能な）固体発光デバイスを提供することが可能になる。上記に考察したように、このように可変色を放出する（または調整可能な）固体発光材料およびデバイスに対する用途には、一般の照明およびディスプレイの用途を含め、多数の分野がある。１つの例として、本明細書に開示した可変色を放出する（または調整可能な）固体発光材料およびデバイスは、米国特許第７，６２３，５６０号、同第７，７６７，４７９号、同第７，８２９，９０２号、同第８，０４９，２３１号および同第８，０９８，２６５号ならびに米国特許出願公開第２０１０／００６６９２１号および同第２０１２／００３３１１３号に記載されている発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイの分野にあり、以上の各文献の内容を参照することにより本願に援用する。この種のディスプレイでは、マイクロスケール画素の多色発光は、制御するシリコン系の相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）構造の上に複数の層の状態発光構造を積層して、（色および強度を）個別に指定できる発光型マイクロ画素アレイデバイスを形成することで実現される。このような発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイ技術の１つの利点は、この技術を用いて数ミクロン範囲内の小さい画素サイズを実現できる点である。このような発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイの画素ピッチをどれほど小さくできるかは、各マイクロスケール画素の発光色および強度を制御するのに必要な電気接点の数に左右される。三原色を用いてディスプレイの色域を形成する場合、マイクロ画素アレイ全体に対する１つの共通接点のほかに、発光型マイクロスケール画素１つにつき少なくとも３つの接点が必要であり、これによって、最新の半導体デバイスの能力を基準におよそ１０ミクロンの範囲内でマイクロスケールの画素ピッチを実現できる。本明細書に開示した可変色で発光する（または調整可能な）固体発光材料をこの種の発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイの状況で使用する場合、マイクロ画素アレイ全体に対する１つの共通接点のほかに、各画素の発光を制御するためにはマイクロスケール画素１つにつき１つのみの接点が必要である。マイクロ画素１つにつき必要な接点の数をこのように少なくすることで、５ミクロン以下の発光型多色マイクロスケール画素ピッチを実現することが有利に可能になる。さらに、本明細書に開示した可変色に発光する（または調整可能な）固体発光材料をこの種の発光型マイクロスケール固体照明ディスプレイの状況で使用する場合、（通常の３層の代わりに）多色発光型マイクロスケール画素ディスプレイを実現するためには１つのみの固体発光層が必要であり、それによって実質的にディスプレイの製造コストが下がる。
【００７３】
本発明をいくつかの実施形態に関して説明したが、当業者は、本発明が説明した実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の趣旨および範囲内で修正および変更を加えて実施し得るものであることがわかるであろう。したがって、この説明文を、限定するものではなく例示的なものとみなすべきである。前述した本発明の様々な態様には多くの他の変形例があり、それについては簡略化のために詳述していない。したがって、その他の実施形態は本開示の範囲内であり、その態様は特許請求の範囲に定義されている。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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