JP2023078361A - 多重活性層へのキャリア注入を選定した発光構造 - Google Patents
多重活性層へのキャリア注入を選定した発光構造 Download PDFInfo
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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Abstract
【課題】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。【解決手段】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。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。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。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。【選択図】図2
Description
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20
16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。
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20
16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。
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。
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。
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。II
I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。
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。II
I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。
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 we
ll、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。
)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 we
ll、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。
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。
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。
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7,0
58,105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2010/006692
1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。
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7,0
58,105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2010/006692
1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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
。
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
。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
層を多層活性領域に均等に配置した状態で提供される。
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。
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。
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
。
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
。
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。
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。
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。
は、発光色温度を制御可能な状態で提供される。
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。
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。
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。
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。
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11
0、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。
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11
0、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。
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)2
40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。
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)2
40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。
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、AlGa
N、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3
13および314を設ける。
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、AlGa
N、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3
13および314を設ける。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)LE
D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 Dev
ice 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。
D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 Dev
ice 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 LE
D300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6
11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、
D300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6
11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、
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
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
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。
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。
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5
A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。
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5
A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。
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7
02、706、710、714、718、722は赤色を指し、十字701、705、7
09、713、717、721は緑色を指し、十字703、707、711、715、7
19、723は青色を指している)。
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7
02、706、710、714、718、722は赤色を指し、十字701、705、7
09、713、717、721は緑色を指し、十字703、707、711、715、7
19、723は青色を指している)。
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。
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。
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 LED
300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。
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 LED
300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。
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、90
8、911は緑色を指し、線901、904、907、910は青色を指している。
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、90
8、911は緑色を指し、線901、904、907、910は青色を指している。
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10
D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、1
009、1013は緑色を指し、十字1003、1007、1011、1015は青色を
指している。
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10
D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、1
009、1013は緑色を指し、十字1003、1007、1011、1015は青色を
指している。
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Q
W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。
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Q
W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。
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11
12は赤色を指し、線1117および1122、矢印1119、十字1102および11
10、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。
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11
12は赤色を指し、線1117および1122、矢印1119、十字1102および11
10、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。
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。
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。
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、(i
i)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M
g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。
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、(i
i)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M
g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。
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1
127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 LE
D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 L
ED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。
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1
127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 LE
D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 L
ED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。
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。
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。
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12
22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。
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12
22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。
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RG
B-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IB
L1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。
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RG
B-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IB
L1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。
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(FWH
M)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4
5nm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130
6は緑色を指し、線1304は青色を指している。
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(FWH
M)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4
5nm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130
6は緑色を指し、線1304は青色を指している。
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。
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。
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。
-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。
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-I
BL-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130
3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130
8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。
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-I
BL-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130
3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130
8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。
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
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
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-I
BL-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。
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-I
BL-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。
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L
ED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
。
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L
ED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
。
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560~680n
m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LE
D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。
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560~680n
m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LE
D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。
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1
645)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 L
ED(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
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1
645)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 L
ED(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
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160
1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160
9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1
640および1645では、線1605は青色を指し、線1606は淡青色を指し、線1
607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161
6は緑色を指している。
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160
1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160
9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1
640および1645では、線1605は青色を指し、線1606は淡青色を指し、線1
607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161
6は緑色を指している。
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。
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。
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I
BL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。
BL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。
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I
BL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8,09
8,265号ならびに米国特許出願公開第2010/0066921号および同第201
2/0033113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。
BL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8,09
8,265号ならびに米国特許出願公開第2010/0066921号および同第201
2/0033113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。
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。
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。
Claims (43)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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
。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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