CN107851968A - 具有到多个有源层中的选择性载流子注入的发光结构 - Google Patents

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Abstract

本文所公开的是用于并入了中间载流子阻挡层的半导体发光器件（LED）的多层光学有源区域，所述中间载流子阻挡层具有针对组分和掺杂水平的设计参数，其被选择以提供在有源区域上对载流子注入分布的有效控制以实现期望的器件注入特性。本文所讨论的实施例的示例尤其包括：具有RGB色域的全覆盖范围的在可见光范围内操作的多量子阱可变颜色LED；具有超出标准RGB色域的扩展颜色色域的在可见光范围内操作的多量子阱可变颜色LED，具有可变色温的多量子阱发射白光LED和具有均匀填充的有源层的多量子阱LED。

Description

具有到多个有源层中的选择性载流子注入的发光结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月5日提交的美国临时专利申请第62/171,536号、2016年1月6日提交的美国临时专利申请第62/275,650号以及2016年2月3日提交的美国临时专利申请第62/290,607号的利益，其每一个的内容都通过引用并入本文，如同在本文中完整陈述一样。
技术领域
本文的公开内容涉及用于调整和控制诸如发光二极管和激光二极管之类的电泵送固态发光体的多层有源区域中的电荷载流子分布的装置。
背景技术
半导体发光二极管结构在不同发射波长范围内的光学光源之中已经成为既定的领导者。取决于二极管结构的目标波长发射，传统的发光结构通常由诸如GaAsP、AlGaAs、AlGaInP或AlGaInN之类的多层III-V族化合物半导体合金组成。III族氮化物AlGaInN合金由于可用带隙范围宽广而在可能的材料系统中占有特殊的地位。来自AlGaInN的光发射覆盖了整个可见光谱；目前也正在开发III族氮化物基的光源以用于紫外和红外发射。光电子器件有源区域的多个有源层设计抵消了对于III族氮化物基的异质结构而言是典型的高水平的光和电损耗以及小应变松弛长度。
光学有源区域的多量子阱（MQW）设计对于发光体性能是有益的。通过增加有源量子阱（QW）的数量，注入的载流子可以在MQW之中扩散，从而降低平均QW群体并且使如下不良效应最小化：（i）非辐射俄歇复合，（ii）QW热消减，和（iii）QW光学转换饱和度。另一方面，电泵送器件的MQW有源区域典型地遭受从二极管结构的相对侧注入的电荷载流子（电子和空穴二者）的不均匀分布。结果，有源QW的不均衡和不平衡群体不利地影响了器件性能。在III族氮化物发光二极管（LED）中，过度填充的有源QW常常由于增加了非辐射俄歇复合损耗或者由于提升了来自器件有源区域的载流子泄漏而加剧了器件效率下降。在激光二极管（LD）中，欠泵送QW将其带间吸收附加到总体光损耗，从而增加了激光阈值。
在极性III族氮化物异质结构中，非均匀载流子注入通过内建的极化场和相关的势垒而被额外加剧。这有时使得非极性或半极性技术成为极性模板的有吸引力的替代方案。然而，非极性模板并没有完全解决非均匀注入的问题。即使在没有内部极化场的情况下，具有足够深QW和强载流子限制的MQW结构揭示了在宽广的注入电流范围中的不均匀QW群体，使得III族氮化物MQW中的载流子群体不均匀性是极性和非极性模板二者的共同特征。载流子注入的不均匀性随着有源QW深度而增加，并且因此在较长波长的发射体中变得更加明显，从而在所谓的“绿色发射间隙”中阻碍了III族氮化物基的发光体的效率。
一些传统方法采用MQW有源区域设计试图实现具有固定或可变发射颜色的多色发射和/或增加器件有源区域的注入效率。例如，美国专利第7,323,721号描述了一种通过包括具有不同发射波长的足够数量的QW而被设计发射白光的单片多色MQW结构，而美国专利第8,314,429号描述了具有MQW的多结发光结构，其每个结被设计成发射特定波长，所述特定波长取决于包括该结构的多个结中的每一个的设计发射强度而组合成白光发射。美国专利第7,058,105号和第6,434,178号描述了通过并入用于MQW有源区域的增加的光学限制和分别的电限制的装置来实现高载流子注入效率的方法。美国专利公开第2011/0188528号描述了MQW III族氮化物发光二极管结构，其通过使用浅QW来实现高载流子注入效率，所述浅QW被设计为避免过度的载流子限制并获得均匀的MQW载流子群体。美国专利公开第2010/0066921号描述了在微棒上外延生长的MQW III族氮化物发光结构，其中微棒的外延生长平面促进了在半极性和非极性定向上的更高的铟并入，其可以导致多色发射形成MQW结构。因此，上述传统方法使用与其特定目标相关的特定特设方法。
附图说明
本文中的实施例在附图中通过示例而不是通过限制的方式进行说明，其中相同的附图标号表示类似的元件。应该注意，对本公开的“一”或“一个”实施例的引用不一定是相同的实施例，并且它们意指至少一个。而且，为了简洁和减少图的总数，可以使用给定的图来说明本公开的多于一个实施例的特征，并且对于给定的实施例，可能并非图中的所有元件都是需要的。
图1图示出了用于解释传统的基于异质结多层量子限制的发光二极管结构的有源区域的典型能量带轮廓。
图2图示出了用于解释根据本文所公开的实施例的基于异质结多层量子限制的发光二极管结构的布局的有源区域能量带轮廓。
图3图示出了用于解释根据本文所公开的实施例的基于异质结多层量子限制的发光二极管结构的简化示意性截面图。
图4A-图4D图示了根据本文所公开的示例实施例的三色红-绿-蓝（RGB）LED结构中的有源区域带轮廓模拟的结果。在图4A和图4B中，根据图1的传统布置设计三色红-绿-蓝（RGB）LED结构而没有中间载流子阻挡层（IBL）。在图4C和图4D中，根据本文所公开的实施例使用IBL来设计三色红-绿-蓝（RGB）LED结构。在图4A-图4D中，为了说明的目的，以10 A/cm2的LED注入水平计算带轮廓，并且带隙垂直标度减小1 eV。图4C图示了针对图3的RGB-IBL-LED结构的有源区域带轮廓，所述RGB-IBL-LED结构具有为了发射颜色控制的目的而设计的IBL。
图5A-图5D图示了根据本文所公开的示例实施例的针对使用图4A-图4D所解释的三色RGB LED结构在注入电流范围中计算出的CIE色度图的比较。对于图5A-图5D的结构分别对应于对于图4A-图4D的结构。在图5A-图5D中，圆圈标记指示低注入电流的开始点，方形标记指示高注入电流的结束点，并且三角形标记对应于在图4A-图4D中使用的标称注入水平10A/cm2。各种叉形（“X”）指示不同颜色的标准RGB色域原色。图5C图示出了在由图3和图4C所图示的RGB-IBL-LED结构中所实现的发射颜色控制。
图6A-图6B图示出了根据本文所公开的示例实施例的在由图3和图4C所图示的RGB-IBL LED结构中的颜色控制过程的细节。图6A图示出了用于受控RGB发射的CIE色度坐标的注入依赖性。图6B图示出了来自每个QW的相对光发射功率的注入依赖性。为了比较，图6A-图6B中的虚线指示了用于由图4D所图示的RGB（3）-IBL LED的对应依赖性。
图7A-图7F图示出了根据本文所公开的示例实施例的MQW载流子注入和输出颜色控制对LED结构的IBL元件的设计的灵敏度。图7A-图7F的每一个图示出了类似于图3的300的RGB-IBL LED的CIE色度图，其中两个中间载流子阻挡层（IBL1和IBL2）的组分具有已修改的设计参数。
图8A-图8D图示出了根据本文所公开的示例实施例对RGB-IBL LED结构进行设计的过程。图8A-图8D的每个图示出了诸如图3的结构300的RGB-IBL LED的CIE色度图，其中具有设计的IBL1和IBL2组分以及第一中间载流子阻挡层（IBL1）的不同掺杂。
图9A-图9D图示出了对于图8A-图8D的RGB-IBL LED结构的CIE色度坐标的注入依赖性。图9A-图9D图示出了诸如图3的结构300的RGB-IBL LED的CIE色度坐标，其中具有设计的IBL1和IBL2组分以及IBL1的不同掺杂。
图10A-图10D图示了根据本文所公开的示例实施例的设计RGB-IBL LED结构的过程。图10A-图10D图示出了诸如图3的结构300的RGB-IBL LED的CIE图，其中具有设计的IBL1和IBL2组分和在IBL2中的不同p掺杂水平。
图11A图示出了其中通过包括附加的海蓝宝石发射QW并且使用中间阻挡层来将颜色发射延伸超过标准RGB调色板的一个实施例。
图11B-图11C涉及其中并入了附加的中间载流子阻挡层以降低全色控制电流注入范围的实施例。图11B图示出了其中并入了附加的中间载流子阻挡层以降低全色控制电流注入范围的RGB-IBL LED结构的带轮廓。图11C图示出了其中并入了附加的中间载流子阻挡层的RGB-IBL LED结构的光发射域CIE RGB色度坐标的注入依赖性。
图12A图示出了从根据本文所公开的示例性实施例外延生长的单片颜色可调的氮化物基三色RGB-IBL LED中所获得的实验电致发光光谱与计算出的可变颜色发射光谱的比较。
图12B是用于解释在从根据本文所公开的示例实施例外延生长的单片颜色可调的氮化物基三色RGB-IBL LED中所获得的不同注入电流处的输出发射颜色的视图。
图12C图示出了在从根据本文所公开的示例实施例外延生长的单片颜色可调的氮化物基三色RGB-IBL LED中所获得的不同注入电流处的发射色域覆盖范围。
图13图示出了根据本文所公开的示例实施例生长的诸如图3的结构300之类的单片颜色可调的氮化物基三色RGB-IBL LED的实验电致发光光谱，并且图示出了与仿真结果的详细比较。
图14图示出了针对被设计成根据本文所公开的示例实施例在最大LED效率点处产生白光发射的诸如图3的结构300之类的RGB-IBL LED所计算出的发射色度坐标的CIE图和注入依赖性。
图15图示出了根据本文所公开的示例实施例而设计和生长的诸如图3的结构300之类的单片宽带可见发光氮化物基RGB-IBL LED的实验电致发光光谱。
图16图示出了根据传统布置设计的单色度MQW LED与根据本文所公开的示例实施例的被设计成在最大LED 效率点处维持均匀填充的有源层的MQW-IBL LED的计算出的发射特性的比较。
具体实施方式
将参考下面讨论的细节来描述本文公开的各种实施例和方面，并且附图将图示出各种实施例。以下描述和附图是对本文公开的说明，并且不被解释为限制。描述了许多具体细节以提供对各种实施例的透彻理解。然而，可以理解：可以在没有这些具体细节的情况下实践本文所公开的实施例。在某些实例中，为了提供示例实施例的简洁讨论，不描述诸如电路、结构和技术等熟知的或传统的细节。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”并不一定都是指同一个实施例。
本发明人在此已经认识到需要提供一种用于在半导体发光结构的多层有源区域中调整电荷载流子群体分布并控制有源层群体均匀性的系统方法，使得在有源层中具有均匀载流子群体分布成为可能并且增强发射体效率。此外，本发明人在此已经认识到，故意调整或直接控制发光结构的有源层之中的载流子群体分布是所期望的，从而有可能创造出具有固定的预设计的发射光谱的单片多色半导体发光体（例如白色发射体）以及在许多其他可能的应用中开发出具有可变发射颜色的发光体。如将通过以下描述和附图所说明的，本文公开了一种用于实现对固态发光二极管结构的多个有源层的选择性且可控制的电荷载流子注入的系统方法。例如，根据本文中的实施例，设计并外延生长多层固态发光体结构，其并入了用于调整在器件多层有源区域中的电荷载流子传送并且控制用于受益于这种能力的许多应用的有源层载流子群体的装置。本文还公开了许多可能应用的示例，例如显示器应用和普通照明应用、高效固态发光体、具有固定或可变发射波长的多色单片半导体光源以及白光半导体发射体。
根据本文公开内容的一个方面，通过在器件有源区域中并入了在组分和掺杂方面特别设计的中间载流子阻挡层（IBL），提供了一种用于调整和控制诸如发光二极管和激光二极管之类的半导体发光体结构的多层有源区域中的电荷载流子群体分布的系统方法。
根据本文公开的另一方面，通过（i）平衡光学有源层之间的电子和空穴传送中的不对称性和（ii）平衡进入光学有源层中的载流子捕获速率，提供了多层发光结构的注入特性的目标修改，从而提高了整体有源区域注入效率并减少了有源区域外的有源区域溢出、载流子泄漏和载流子复合损耗。
根据本文公开的又另一方面，提供在多层有源区域中具有可控顺序载流子注入的单片半导体发光器件。
根据本文公开的实施例，提供在多层有源区域中具有均匀填充的有源层的单片半导体发光器件。
根据本文公开的另一个实施例，提供具有固定或可变发射波长的可控且可调的多色发射的单片半导体发光器件。
根据本文公开的又另一个实施例，提供具有与指定颜色发射色域相匹配的可控且可调的多色发射的单片半导体发光器件。
根据本文公开的又另一个实施例，提供具有宽颜色发射色域的可控且可调的多色发射的单片半导体发光器件。
根据本文公开的一个实施例，提供具有可控发射色温的单片半导体白光发射器件。
根据本文公开的实施例，提供具有获得高内部量子效率（EQE）的单色发射的单片半导体发光器件。
在以下描述中，由于III族氮化物半导体合金准备在发光应用中产生了重大的影响，所以使用III族氮化物半导体合金作为示例材料系统。此外，由于通常采用量子阱（QW）异质结构作为用于光学有源层的量子限制结构，所以在本公开中使用多量子阱（MQW）有源区域作为示例有源区域设计。应该理解，本文所公开的实施例也适用于其他材料系统和并入有诸如量子线和量子点的使用之类的其他量子限制装置的光学有源层。
转到图1，图1图示出了传统的基于异质结的发光二极管结构的有源区域的典型带轮廓。发光二极管结构100包括n掺杂层110、光学有源区域130和p掺杂层120。通常以电子阻挡层（EBL）140位于二极管结构100的p侧处的光学有源区域130之外来完成二极管结构100的光学有源区域130。在基于量子限制的LED中，多层光学有源区域130可以进一步包括由量子势垒层132分开的多量子阱（MQW）层131。通常将选择有源区域130的光学有源MQW层131中的III-V族材料合金组分以设定所需的有源层带隙，并且因此设定发光二极管结构100的光学有源区域130的固定发射波长。并入在二极管结构100中以减少在结构p侧处的电子泄漏的电子阻挡层（EBL）140通常将是重度p掺杂的宽带隙层，其带隙大于二极管结构100的有源区域130的势垒层132的带隙。避免载流子泄漏是提高发光体效率的有价值机制，并且不同种类的EBL结构现在通常是大多数III族氮化物LED设计的标准特征。然而，应该强调的是，位于光学有源区域之外的载流子阻挡层对有源区域内的均匀性或载流子分布有很少或没有影响，并且因此通常不能用作在多层发光器件中控制或调整有源层载流子群体的设计元件。实际上，这种情形由于可能造成过度极化场而可能对有源区域内的载流子分布产生不利影响——尤其是在长波长发射体的有源区域中。
图2图示出了用于解释根据一个实施例的基于异质结多层量子限制的发光二极管结构的有源区域带轮廓。发光二极管结构200包括n掺杂层210、光学有源区域230和p掺杂层220。在图2的实施例中，二极管结构200的光学有源区域230包括被置于二极管结构200的p侧处的光学有源区域230之外的电子阻挡层（EBL）240。在其它实施例中，不包括EBL 240。多层光学有源区域230可以进一步包括由量子势垒层232分开的多量子阱（MQW）层231。在图2的实施例中，特定设计的中间载流子阻挡层（IBL）233被直接并入到光学有源区域230中，以提供用于控制有源层231之间的载流子传送以及平衡通过有源层231的载流子捕获速率的装置，所述中间载流子阻挡层（IBL）233具有由其相应组分所定义的选定带隙以及受其掺杂水平影响的带偏移。取决于二极管结构的目标波长发射，图2的发光二极管结构的多层可以由诸如GaAsP、AlGaAs、AlGaInP或AlGaInN之类的III-V族化合物半导体合金构成。根据图2的实施例的二极管结构可适于具有并入了诸如量子阱、量子线或量子点之类的量子限制装置的光学有源层的极性、或半极性、或非极性晶体结构的固态发光二极管结构。
图3图示出了用于解释根据一个实施例的单片三色异质结多层量子限制GaN基LED器件结构300的简化示意性截面图。在图3的实施例中，LED结构300由金属有机化学气相沉积（MOCVD）形成。然而，LED结构300可以通过任何外延沉积技术形成。LED结构300包括用于在其上外延沉积的合适衬底311（例如，在其上形成有成核/缓冲层312的GaN、Si、蓝宝石（Al2O3）或碳化硅（SiC）晶片）以及有源区域330的覆盖的N掺杂层310 （例如，包括作为N型掺杂剂的Si）。覆盖N层310的是（例如，由GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN层的组合所组成的）多层光学有源区域330。覆盖有源区域330的是通常由AlGaN组成的可选电子阻挡层（EBL）340，并且随后是P掺杂层320（例如，包括作为P型掺杂剂的Mg）。最后，提供电极313和314以用于分别电接触N掺杂层310和P掺杂层320。
仍然参考图3，多层（MQW）有源区域330包括具有相应量子阱光学有源层331的堆叠的多个量子势垒层332，用于蓝-绿-和红-光发射。每个势垒层332大约5-20 nm厚并且主要由GaN组成；光学有源层331各自约2-3 nm厚并由InGaN构成。如图3中所示，光学有源层331可以包括红色发射层、绿色发射层和蓝色发射层。应该理解：在其他实施例中，可以使用其他光学有源层，包括附加的红-绿-和蓝-发射层以及海蓝宝石-发射层。
多层有源区域330还包括特别设计的中间载流子阻挡层（IBL）333，在该实施例中，该中间载流子阻挡层333包括附加量的铝（Al）和掺杂质以调节它们相应的带隙和带偏移。针对中间阻挡层（IBL）333的设计参数的选择用于选择性地控制相应量子阱内注入的载流子的群体，以便在给定的载流子注入水平上增强它们自发的光发射。在图3的实施例中，中间载流子阻挡层（IBL）的带隙大于相关联量子阱层的带隙，并且选择其厚度以避免会导致性能降级的高正向电压和过热。然而，可以选择其他带隙和厚度。
如将在下面进一步详细解释的，如实现器件发射颜色色域的全面覆盖范围所需要的那样，结构中的光学有源层331可以各自包括由附加势垒层332所分开的多个QW层。在这方面，以下描述中的一些描述了对图3中所图示的结构的修改，使得图3仅仅是关于在LED结构中包括的量子势垒层、有源层和中间阻挡层的布置和数量的一个示例。
此外，在图3的实施例中使用多量子阱（MQW）有源区域作为量子限制结构。然而，也可以使用其他量子限制结构，诸如一个或多个量子阱、量子线和量子点。在这方面，在涉及量子线和量子点的实施例中，如图3中所示的量子势垒层、有源层、以及该量子势垒层在该有源层的另一侧上的组合被作为量子限制结构的量子线或量子点所替代。
图4A和图4B图示出了根据图1的实施例所设计的多色红-绿-蓝（RGB）LED结构的有源区域带轮廓模拟的结果（图4A涉及未掺杂的RGB结构；图4B涉及掺杂的RGB结构）。图4C和图4D图示出了根据图2的实施例所设计的多色红-绿-蓝（RGB）LED结构的有源区域带轮廓模拟的结果，其中IBL 233已经被并入到有源区域中（图4C涉及RGB-IBL结构；图4D涉及RGB（3）-IBL结构）。在图4A-图4D中示出的模拟结果通过使用诸如光学器件建模和模拟（ODMS）软件之类的模拟程序来获得。为了结果清楚，EBL层已经被排除在这些模拟之外。
图4A和图4C分别图示出了图1和图2的结构的有源区域带轮廓。图4C图示出了RGB-IBL LED器件结构的模拟的有源区域能量带轮廓，其中针对在期望的光发射色域上的可变（或可调）颜色控制选择有源层带隙和IBL组分和掺杂水平。在大约相同的10A/cm2的LED注入水平处模拟图4A-图4D中所图示的所有LED能量带轮廓。图4A-图4D中的虚线示出了针对电子（线401、404、407、410）和空穴（线403、406、409、412）的准费尔米水平。图4A-图4D中的点划线（线402、405、408、411）指示有源区域内部的内部电势分布。
表1提供了图4C的设计的RGB-IBL LED结构的有源区域布局设计参数的示例，包括每个结构层的半导体材料组分和它们相应的掺杂水平。根据本文公开外延生长的LED结构的实际发射结果在下面进行讨论并确认了所描述的针对图4C的RGB-IBL LED结构的模拟结果。
表1
在由图4D所图示的另一个实施例中，在二极管结构有源区域中并入附加的有源层以便平衡器件光发射色域。根据该实施例，RGB-IBL器件有源区域并入了附加的蓝光发射的QW，其被引入以改善RGB光发射色域覆盖范围。添加更多蓝光发射QW增加了蓝光发射QW的总载流子捕获，因此扩展了RGB-IBL LED器件的发射特性以包括光发射色域的所期望的颜色发射原色（在图4D的实施例中为蓝色）。
图5A-图5D比较了在一个注入电流范围上的针对图4A-图4D的多色LED结构的光发射色域（CIE色度图）。图5A和图5C的实施例分别对应于图4A和图4C的实施例。在图5A-图5D中，例如，圆圈标记指示在最低注入点（模拟值1μA/cm2）处的开始点，方形标记对应于最高注入水平（模拟值10kA/cm2），三角形标记了在图4A-图4D中使用的注入水平（模拟值10A/cm2），并且叉形（“X”）指示标准RGB色域的原色（红色由叉形502、506、510、514来指示；绿色由叉形501、505、509、513来指示；蓝色由叉形503、507、511、515来指示），诸如HD颜色色域。图5C和图5D图示出了其中RGB-IBL器件被设计为具有选择的IBL带隙和带偏移以在器件有源区域内提供可控载流子注入分布以及覆盖标准RGB色域的可调多色发射的实施例。特别地，图5D示出了其中通过在相关联的势垒层和第一IBL（本文中称为IBL1）的生长之前添加两个蓝色发射QW来进一步改善图3的（以及还有图4C的）RGB-IBL LED 300的发射以实现标准RGB色域的完全覆盖范围的实施例。
图6A-图6B详述了图3的（并且也是图4的子制图C的）RGB-IBL LED 300中的颜色控制的过程。在图6A-B中，线606和611指示红色；线604和609指示绿色，线602和608指示蓝色。图6A图示出了光发射色域CIE RGB色度坐标的注入依赖性。图6B图示出了在每个QW颜色组中的相对光发射功率，，其中，索引i分别涉及红、绿或蓝色发射QW。虚线（线601和607指示蓝色；线603和610指示绿色；线605和612指示红色）示出了针对并入了在图4的制图470中图示的三个蓝色发射QW的RGB-IBL（3）发光结构的对应注入依赖性。应该注意，如实现每个QW颜色组中的器件发射颜色色域的全部覆盖范围和/或期望的相对光发射功率所需要的，在图3的器件结构中添加了由附加的势垒层332分开的附加的光学有源QW层331。相应地，图3的结构可以包括更少或额外的光学有源QW层331，并且相应地包括更少或额外的势垒层332以将它们分开。
再次参考图5A-图5D，图5A和图5C的光发射色域的比较（其也分别对应于图4A和图4C）图示出了将具有选定带隙和带偏移的IBL并入到半导体发光二极管结构的有源区域中的效果，所述半导体发光二极管结构并入了具有与多色光发射相对应的带隙的多个有源层。正如从图5A中可以看出的，在没有IBL的情况下，随着载流子注入水平（速率）增加，颜色发射轨迹主要受限于分别具有对应颜色发射的p侧（红色）和n侧（蓝色）有源层（QW）并且在任何注入层完全失去了绿色原色域的支配，从而无法实现标准RGB颜色色域的全面覆盖范围。正如从图5B中可以看出的，根据传统方法在没有IBL的情况下在半导体发光二极管结构的有源层之间掺杂势垒导致光发射分别在低和高注入水平处由绿色和蓝色发射有源层（QW）支配，并导致在任何注入水平上，失去色域红色原色的支配。因此不可能实现标准RGB颜色色域的全面覆盖范围。正如从图5C和图5D中可以看出的，将IBL并入到LED结构的有源区域中，随着注入水平（速率）的增加，颜色发射轨迹完全覆盖了标准RGB颜色色域。
现在将参照图7A-图7F描述中间载流子阻挡层（IBL）的组分的选择。在这方面，图7A-图7F图示了MQW注入对IBL设计的灵敏度。除了其中一个IBL的设计参数被修改之外，图7A-图7F示出了与图3中的RGB-IBL LED 300的色度图类似的RGB-IBL LED的CIE色度图。在图7A-图7F中，类似于图5A-图5D，圆圈标记指示在最低注入点处的开始点，方形标记对应于最高注入水平，三角形标记了注入水平，并且叉形（“X”）指示标准RGB色域的原色（叉形702、706、710、714、718、722指示红色；叉形701、705、709、713、717、721指示绿色；叉形703、707、711、715、719、723指示蓝色）。
图7A-图7C图示出了如受中间阻挡层的材料组分影响的颜色控制对中间阻挡层的选择的灵敏度，在本文中被称为IBL2的中间阻挡层被置于绿色和红色有源层（QW）之间。在图7A-图7C中，在本文中被称为IBL1的位于蓝色和绿色QW之间的中间阻挡层不存在，并且位于绿色和红色QW之间的IBL2的带隙由于从图7A的到图7C的其组分内的铝浓度系统地增加影响而增加。图7A-图7C由此示出了如何使用受其材料组分影响的IBL2带隙来控制红-绿色平衡。
图7D-图7F图示出了如何使用受其材料组分影响的IBL1的带隙来调节在特定注入水平处的LED输出绿-蓝色平衡。在图7D-图7F中，IBL2设计是固定的（如在图3的RGB-IBLLED 300中那样），而从子制图D的到子制图F的，未掺杂的IBL1中的铝浓度系统地增加。图7D-图7F因此示出了如何可以使用受其材料组分影响的IBL1带隙来以子制图D-子制图F中的三角形标记所指示的特定标称注入10A/cm2控制绿-蓝色平衡。在下面描述的实施例中，将使用该特征来将白光LED发射调节到最大效率点。
现在将参照图8A-图8D和图9A-图9D讨论置于蓝色和绿色有源层之间的中间阻挡层（IBL1）的掺杂量的选择。在这方面，图8A-图8D和图9A-图9D进一步图示了使用RGB-IBLLED结构设计的过程作为说明性示例的MQW注入对IBL设计的灵敏度。图8A-图8D图示出了具有选定和固定的IBL1和IBL2组分以及具有不同IBL1掺杂水平的RGB-IBL LED的CIE图。图9A-图9D呈现了发射色度坐标的对应注入依赖性。在这方面，图9A-图9D的实施例分别对应于图8A-图8D的子制图的实施例。正如从图8A-图8D中可以看出的，IBL1的n或p掺杂将分别影响在红-绿或绿-蓝侧的颜色平衡。在根据图8C的实施例（也是图5C中的实施例）所设计的RGB-IBL的结构中，IBL1未被掺杂，以便实现图8A-图8D中由叉形标记所表示的目标色域的改善的覆盖范围，其中叉形802、806、810、814指示红色，叉形801、805、809、813指示绿色，并且叉形806、807、811、815指示蓝色。在图8A-图8D中，类似于图5A-图5D中的制图，圆圈标记指示最低注入处的开始点，方形标记对应于最高注入水平，三角形标记了注入水平。在图9中，线903、906、909、912指示红色；线902、905、908、911指示绿色；并且线901、904、907、910指示蓝色。
现在将参照图10A-图10D讨论置于绿色和红色有源层之间的中间阻挡层（IBL2）的掺杂量的选择。图10A-图10D进一步图示了使用RGB-IBL LED结构设计的过程作为说明性示例的MQW注入对IBL设计的灵敏度。在这方面，图10A-图10D呈现了针对具有选定和固定的IBL1和IBL2组分以及具有IBL2中不同p掺杂水平的RGB-IBL LED的CIE图。正如从图10A-图10D中可以看出的，当IBL2 p-掺杂被设定在图10C中所示的水平时，通过改变载流子注入水平（速率），所希望的色域的最扩展的覆盖范围被建立。低于或者高于这个水平，色域覆盖范围不能充分扩展到期望的RGB标准颜色色域。在图4C中所呈现的结构中，IBL2的掺杂水平为Na=1.5×1018 cm-3，以便实现由图10A-图10D中的红色、绿色和蓝色“X”标记所表示的目标颜色色域的最扩展的覆盖范围，其中，叉形1002、1006、1010、1014指示红色；叉形1001、1005、1009、1013指示绿色；并且叉形1003、1007、1011、1015指示蓝色。
现在将参照图11A讨论一个实施例，其中附加的多色QW被包括在有源区域中。如图11A中所图示，通过包括附加的QW并重新设计中间载流子阻挡层（IBL）来控制RGB域。在该实施例中，由图11A中的RG（Aqua）B-IBL列所指示的（制图1160和制图1165），代替使用具有标称发射波长525 nm的一个绿色发射QW，包括由附加的中间载流子阻挡层（IBL3）分开的具有标称发射波长531 nm的绿色发射QW和具有标称发射波长512 nm的海蓝宝石发射QW的两个QW被使用。图11A的RGB-IBL列（制图1150和制图1155）对应于图3的实施例，其中该结构不包括海蓝宝石发射QW。
表2A比较了没有海蓝宝石发射QW（RGB-IBL LED）的LED结构中的设计IBL和根据本实施例包括海蓝宝石发射QW（RGAB-IBL LED）的LED结构中的设计IBL。图11A还示出了由对应颜色所指示的每个有源QW的CIE特性。在这方面，线1118和1123、叉形1103和1111以及点1104和1112指示红色；线1117和1122、箭头1119、叉形1102和1110、以及区域1101和1109指示绿色；线1116和1121、箭头1120、叉形1105和1113、点1106和1114以及区域1108指示蓝色。在图11A中，RGAB-IBL结构被设计成在海蓝宝石QW发射中具有强烈的蓝色偏移，以将绿色发射范围扩展超过10A/cm2的标称注入水平。
表2A
现在将参照图11B-图11C来描述载流子注入电流的选择。在由图11B-图11C所图示的实施例中，在蓝色发射QW的前面（n侧）的附加中间载流子阻挡层（IBL0）已经被并入到本文所公开的RGB-IBL LED结构中，并且该结构的有源区域的其他中间阻挡层（IBL1和IBL2）和势垒层被重新设计。因此，可以改善RGB-IBL LED结构的全色电流注入范围。图11B图示出了本实施例的RGB-IBL LED结构的带轮廓。类似于图4，图11B中的虚线示出了针对电子（线1124）和空穴（线1125）的准费尔米水平。图11B中的点划线（线1126）指示有源区域内的内部电势分布。
表2B提供了根据图11B-图11C的实施例的用于设计有源区域的示例参数。如表2B中所示，除了在结构的n侧添加IBL0之外，重新设计发光布局结构的有源区域包括：（i）添加具有22％的铝含量的IBL0，伴随着7×1017 cm-3的光Si掺杂，（ii）增加B-QW和G-QW层之间的势垒分离，伴随着1×1017 cm-3的Mg掺杂，（iii）将IBL1中的铝含量增加高达23％，伴随着0.3×1017 cm-3的光Mg掺杂，和（iv）将IBL2中的铝含量增加高达25％，伴随着5×1017 cm-3的Mg掺杂。
图11C示出了本实施例的RGB-IBL LED结构示例的光发射色域CIE RGB色度坐标的注入依赖性。在图11C中，三角形1126指示绿色，方形1127指示绿色，并且叉形1128指示绿色。另外，三角形1129指示红色，方形1130指示红色，并且叉形1131指示红色。方形1132指示蓝色，三角形1133指示蓝色，并且叉形1134指示蓝色。图11C中的点线（指示红色的线1136；指示绿色的线1138；指示蓝色的线1140）示出了具有附加IBL0但没有重新设计剩余结构的RGB-IBL LED结构的发射色域。图11C中的实线（指示红色的线1135；指示绿色的线1137；指示蓝色的线1139）示出了具有附加IBL0并且重新设计了剩余结构的RGB-IBL LED结构的发射色域。从图11C的实线可以看出，具有本实施例的附加IBL0和重新设计结构的RGB-IBLLED结构完全覆盖了从20 mA/cm2到50A/cm2的注入电流范围内的标准RGB色域，其实质上比之前实施例的示例更窄。
将中间载流子阻挡层（IBL）并入多色发光二极管结构的有源区域（诸如图3中的结构300的有源区域330）中的附加益处在于：IBL也充当中间应变补偿层。这样，除了平衡在有源区域上的载流子传送之外，IBL的并入还使在多带隙有源区域（诸如发光二极管结构300的有源区域330）上的晶体应变最小化。结果，IBL的并入还促进了氮化物基（InGaN）光学有源层（诸如多色发光二极管结构300的光学有源层331）中更高的铟吸收，因此使得能够在多色发光二极管结构的有源区域内外延生长具有范围从琥珀色（615 nm）到红色（625 nm）的长波长光发射的光学有源层。因此，并入中间载流子阻挡层（IBL）也使得能够生产具有在可见光谱上的电流注入可控光发射的颜色可调的氮化物基发光二极管结构。
表2B
图12A提供了从使用RGB-IBL LED（图11A的RGB-IBL列）的模拟中获得的可变颜色发射光谱与从根据图11A 的RG（Aqua）B-IBL列而外延生长的三色琥珀色-绿色-蓝色-IBLLED中获得的实验电致发光光谱的比较。在模拟的光谱（制图1200）中，在有源区域上的电压降以20 mV步进从3.0 V变为3.7 V。在制图1200中，在制图上从线1201向线1202移动，线1201指示紫色，接下来的几条线指示蓝色，然后是绿色，然后是黄色，然后是橙色，然后是红色，然后再次从紫色开始重复，直到线条1202指示红色。在实验数据集（制图1220）中，图例指示了总的LED注入电流。在制图1220的图例中，4 mA指示红色，7 mA指示淡绿色，11 mA指示深蓝色，31 mA指示淡蓝色，61 mA指示紫色，101 mA指示深蓝色，151 mA指示淡蓝色，201mA指示深蓝色，251 mA指示淡蓝色，301 mA指示红色，340 mA指示深绿色，350 mA指示淡绿色，并且353 mA指示橙色。参考制图1220，线1222对应于指示红色的4 mA，并且线1221对应于指示橙色的353 mA。从线1222向上移动到线1221，中间线顺序对应于制图1220的图例。因此，线1222上方的线对应于指示淡绿色的7 mA，并且往上的下一条线对应于指示深蓝色的11 mA，以此类推。
图12B和图12C提供了从根据本文公开所设计的并使用III族氮化物外延生长的RGB-IBL LED中获得的可变颜色发射光谱。为了实现图12B和图12C中所演示的全颜色色域，外延生长的RGB-IBL LED结构包括在具有相同发射波长的QW之间并入IBL。具体而言，从图12B和图12C中提供的外延生长的RGB-IBL LED中获得的可变颜色发射光谱并入了三个蓝色发射QW和蓝绿IBL1，然后是由被标记为IBL1.5的附加IBL分开的两个绿色发射QW，随后是通过IBL2而与第二绿色发射QW分开的红色发射QW。如上所述选择在该外延生长的RGB-IBLLED中的三个IBL的组分和掺杂，以实现在图12B和图12C中提供的注入范围处的颜色色域覆盖范围。在图12B中，（a）在5 mA时演示红光的发射，（b）在20 mA时演示橙光的发射，（c）在30mA时演示黄光的发射，（d）在100 mA时演示淡绿光的发射，（e）在200 mA时演示淡蓝光的发射，（f）在350 mA时演示蓝色的发射。在图12C中，700 nm和640 nm指示红色；620 nm指示红橙色；600 nm指示橙色；590 nm指示淡橙色；580 nm指示淡橙色；570 nm指示黄色；560 nm和540 nm指示淡绿色；520 nm、510 nm和500 nm指示绿色；496 nm指示蓝色；480 nm指示淡蓝色；并且480 nm和460 nm指示深蓝色。
图13进一步详述了根据本文公开所设计和生长的图3的单片颜色可调的氮化物基三色RGB-IBL LED 300的实验电致发光光谱，并提供了与模拟结果的更详细的比较。图13中的制图1321-制图1323示出了在低、中等和高的注入电流密度下在室温下测量的EL光谱。对于约0.5 A/cm2的低电流密度（制图1323），光发射主要为红色，波长范围大致从560到650nm并且半最大值全宽度（FWHM）约为50 nm。对于约10 A/cm2的中等电流密度（制图1322），光发射主要为绿色，波长范围大致从480到540 nm并且半最大值全宽度（FWHM）约为45 nm。对于约50A/cm2的电流密度（制图1321），光发射主要为蓝色，波长范围大致从420到475 nm并且半最大值全宽度（FWHM）约为35 nm。制图1334-制图1335示出了在三个电压偏置值（伏特为单位）下的针对光谱发射功率的对应结果。在制图1334中，线1301指示3.46伏的电压偏置值，线1302指示3.16伏的电压偏置值，而线1303指示2.98伏的电压偏置值。制图1335呈现了归一化尺度的结果。在制图1305中，线1305指示红色，线1306指示绿色，并且线1304指示蓝色。
在前述实施例中，将多个中间载流子阻挡层（IBL）并入在RGB-IBL LED的光学有源区域内。如所描述的，在这些实施例中的一些实施例中，IBL分开了并入具有特定波长发射的一个或多个QW的有源层的区域。而且在这些实施例中的一些实施例中，IBL分开了并入具有相同波长发射的QW的有源层。而在本发明的其他实施例中，将IBL并入在RGB-IBL LED的光学有源区域的n侧。在所有这些实施例中，如前面的讨论中所描述的那样选择和设计IBL组分和掺杂，以便实现在给定载流子注入（I，V）范围内覆盖宽颜色色域的可控（或可调）颜色发射。这些实施例中的IBL组分和掺杂的一般设计准则包括以下中的一个或多个：（1）IBL的导带（CB）能级应该高于光学有源区域的CB边缘并且从结构的n侧向p侧渐进地增加；和（2）IBL的价带（VB）能级应该低于光学有源区域的VB边缘，并且从结构的n侧向p侧渐进地减少。
根据上面公开的实施例，通过选择半导体发光结构的以下设计参数中的一个或多个来设计多色半导体发光结构（例如，颜色可调的RGB-IBL LED器件）：（1）选择有源层QW的带隙以在期望的颜色发射色域上实现光发射；（2）选择具有与在给定波长处的光发射相对应的带隙的有源层QW的数量，以便针对每种颜色以期望的相对光发射功率将期望的颜色发射原色包括到器件光发射色域中；（3）将具有优化的材料组分和掺杂水平的多个IBL并入到发光器件的有源区域中，以便实现在所期望的色域内的器件发光颜色的载流子注入速率的控制；（4）将具有优化的材料组分和掺杂水平的多个IBL并入到发光器件的有源区域中，以便实现在给定的载流子注入范围内的器件发光颜色的控制；以及（5）选择与在给定波长处的光发射相对应的多个有源层QW的带隙以提供宽色域颜色发射。
现在将参考图14-图16来描述几个示例，其中对半导体发光结构的设计参数进行选择以提供各种应用。图14图示出了其中选择被并入到多色LED结构内的IBL的设计参数以产生具有可变色温的单片白光LED的实施例。图14示出了CIE色度图1400和发射色度坐标1410的注入依赖性。在图14的实施例中，已经对RGB-IBL-白色LED结构的设计参数进行了选择以在RGB-IBL结构有源层QW的发射颜色原色所形成的颜色色域的白色点（由图14的制图1400中的叉形1303标记）处以50 A/cm2的注入电流密度（由图14的1400中的倒三角表示）在最大LED效率点处产生白光发射。在图14的制图1400中，叉形1303和点1304指示红色；叉形1302和区域1301指示绿色；叉形1305和点1306指示蓝色。在图14的制图1410中，线1308指示红色，线1309指示绿色，并且线1307指示蓝色。
表3将针对发白光发射的RGB-IBL-白光LED所设计的IBL与针对图3（也在图4C中和在图5C中被呈现）的RGB-IBL LED 300所设计的IBL进行比较。
表3
图14的制图1410示出了白光发射RGB-IBL-白色LED的发射色度坐标的注入依赖性。在该实施例中，选择RGB-IBL-白色LED结构的设计参数以在50A/cm2的标称注入电流密度处产生给定色温（例如6500°K）的白光发射。如图14的制图1410中所示，当将注入电流增加到高于50A/cm2的标称注入电流密度的值时，发射的白光将包括来自蓝色有源层QW的较高水平的相对强度贡献，从而导致发射的白光色温相应地增加到比在50A/cm2的标称注入电流密度处发射的白光的温度更高的值T+。类似地，如图14的制图1410中所示，当将注入电流降低到低于50A/cm2的标称注入电流密度的值时，发射的白光将包括来自绿色和红色有源层QW的较高水平的相对强度贡献，从而导致发射的白光色温相应地降低到比在50A/cm2的标称注入电流处发射的白光的温度更低的值T-。选择RGB-IBL-白色LED结构设计参数以产生高于和低于标称注入电流密度的注入电流控制范围，其对应于在标称发射的白光温度附近的期望白光发射温度范围。例如，当在50A/cm2的标称注入电流密度处选择6500°K的白光温度时，例如，当器件注入电流在分别低于和高于50A/cm2的标称注入电流密度的一个给定范围上降低或增加时，RGB-IBL白光LED结构设计参数也可以被设计成允许范围从2500°K到8000°K的白光温度范围。
正如从图14中可以看出的，针对被并入在多色LED结构的有源区域内的IBL选择设计参数，以产生通过改变其电流注入水平而改变其发射的白光温度的单片白光LED器件。在一般的照明应用领域中，可控（或可调节）白光发射温度单片白光LED器件可用来产生具有可控（可调节）白光发射温度的固态灯泡。在应用的显示领域中，可控（可调节）白光发射温度单片白光发射LED器件可用来为液晶显示器（LCD）或者诸如量子点显示器之类需要背照光的任何其他类型的显示器创建固态背光单元（BLU）。使用这种单片白光LED作为用于显示器的背光的一个优点是：可以调整其亮度及其白色温度以匹配显示要求而不牺牲被显示图像的动态范围。在此方面，在传统的白色背光显示器中，背光色温以及常常还有其强度通常被固定，并且通过调节被显示的图像像素RGB值来调节被显示的图像亮度或色调；通常会导致被显示的图像动态范围减小的方法，因为一部分正在被用来调节被显示的图像亮度和色调，而不是正在被用来表达每个像素颜色的灰度值。使用可控（可调节）白色发射温度单片白光发射LED器件的显示器BLU可用于减轻这些限制，并且从而实现高动态范围（HDR）显示器。
图15示出了根据本文公开的外延生长和设计的图3的单片宽带可见发光氮化物基RGB-IBL LED 300的电致发光光谱。图15的制图1500图示出了在大约1A/cm2的驱动电流密度处的EL光谱。光发射主要在红色带，波长范围约从560到680 nm并且半最大值全宽（FWHM）为70 nm。图15的制图1510图示出了在大约10A/cm2的中等驱动电流密度处的EL光谱。光发射主要在红色和绿色的组合带，波长范围约从500到690 nm并且半最大值全宽（FWHM）为120nm。图15的制图1520图示出了在大约40A/cm2的注入电流密度处的EL光谱。光以红色、绿色和蓝色组合的带发射，波长范围约从440nm跨越到700 nm并且半最大值全宽（FWHM）为190nm。正如从图15中可以看出的，针对被并入在多色LED结构的有源区域内的IBL选择设计参数，以产生具有宽带白光发射的单片白光LED器件。
图16图示出了一个实施例，其中选择被并入在单色LED结构内的IBL的设计参数，以在LED结构内产生均匀填充的有源层，从而减轻不利地影响器件性能（例如，就效率而言）的不均匀和不平衡的有源QW群体。图16对图1的传统结构（制图1620和1625）的单色蓝色发射（制图1620和1640）和绿色发射（制图1625和1645）MQW LED与根据本文公开而被设计为维持MQW有源区域中的均匀填充的有源层的MQW-IBL LED（制图1640和1645）进行比较。在每一行中，图16的子制图呈现了具有IBL的3-QW IBL-LED（制图1640和1645 ）以及根据图1的传统结构的3-QW LED（制图1620和1625）中的有源QW（）之间的光发射功率的分布，其中所述IBL被选择以用于在与在50A/cm2的注入电流密度处实现的最大LED内部量子效率（IQE）相对应的LED注入水平处的均匀发射分布。制图1620和1625中的传统LED结构（诸如图1）包括没有EBL的结构（实线1602指示蓝色，实线1604指示淡蓝色，实线1606指示紫色，实线1608指示绿色，实线1610指示淡绿色，和实线1612指示深绿色）并且具有p侧EBL（虚线1601指示蓝色，虚线1603指示淡蓝色，虚线1605指示紫色，虚线1609指示绿色，虚线1611指示淡绿色，虚线1613指示深绿色），因此图示出了EBL对MQW发射均匀性的影响不显著——除了在整个LED内部量子效率（IQE）已经恶化的最高注入水平处之外。相反，MQW-IBL LED在（由制图1640和1645中的圆圈标记的）宽范围的实际重要的注入电流中揭示出相对均匀的发射分布，远远超过50A/cm2的初始优化注入电流。在图16的制图1640和1645中，线1605指示蓝色，线1606指示淡蓝色，线1607指示紫色，线1614指示深绿色，线1615指示淡绿色，并且线1616指示绿色。
表4比较了在50A/cm2的标称注入水平处的传统LED（无IBL）和IBL-LED的发射均匀性特性，并且显示了根据该实施例选择的IBL的铝组分和p-掺杂受体浓度。
表4
正如从图16中可以看出的，LED结构可以被设计成通过针对被并入在单色LED结构的有源区域内的IBL的选定设计参数而在低到中等范围内具有在期望的电流注入密度处的IQE。图16的实施例在其中使用微尺度固态发光体阵列作为显示器的发射像素的应用中是特别有利的，所述显示器在本文中被称为发射式微尺度固态光显示器。在这种应用中，器件的整个发射孔径也是其光学孔径，并且因此该器件可以以相当高的光学耦合效率进行操作，并且因此通常不需要使用高电流注入密度。相反，典型的固态光应用通常需要使用相当高的电流注入密度。与通常操作高电流注入制度的典型固态光应用相比，发射式微尺度固态光显示器通常将操作低电流注入制度。对于这种低注入制度，固态微尺度发射体IQE可以被设计在其典型的电流注入操作点处，以便保持并进一步提高其操作效率。在另一个实施例中，图16的实施例被用来设计发射式微尺度固态光显示器的IQE以便提高其操作效率。
根据本文所描述的方法和结构，并且尤其是通过将IBL并入在多色固态发光结构的有源区域内，可以提供可变颜色发射（或可调）固态发光材料和可变颜色发射（或可调）固态发光器件。如上所讨论的，针对这种可变颜色发射（或可调）固态发光材料和器件存在着许多应用领域，包括普通照明和显示器应用。作为一个示例，本文所公开的可变颜色发射（或可调）固态发光材料和器件是在美国专利第7,623,560、7,767,479、7,829,902、8,049,231和8,098,265号和美国专利公开第2010/0066921号和第2012/0033113号中所描述的发射式微尺度固态光显示器的领域，其每一个的内容都通过引用并入本文。在这种类型的显示器中，通过在控制的基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）结构的顶部上堆叠多层状态发光结构以形成（在颜色和强度方面）可单独寻址的发射式微像素阵列器件，从而实现微尺度像素多色发射。这种发射式微尺度固态光显示技术的一个优点是：它可以被用来实现在几微米范围内的小像素尺寸。这样的发射式微尺度固态光显示器的像素间距可以有多小取决于控制每个微尺度像素的发射颜色和强度所需的电触点的数量。在使用三色原色来创建显示器色域的情况下，除了用于整个微像素阵列的一个公共触点之外，每个发射式微尺度像素还需要至少三个触点，其基于当前的半导体装备能力允许实现在约10微米范围内的微尺度像素间距。当本文所公开的可变颜色发射（或可调）固态发光材料被用于这种类型的发射式微尺度固态光显示器的情境中时，除了用于整个微像素阵列的一个公共触点之外，每个微尺度像素仅需要一个触点来控制每个像素的光发射。每个微像素所需的触点数量的这种减少使得可以有利地实现5微米或更小的发射式多色微尺度像素间距。此外，当本文所公开的可变颜色发射（或可调）固态发光材料被用于这种类型的发射式微尺度固态光显示器的情境中时，仅需要一个固态发光层来实现多色发射式微尺度像素显示器（代替典型的三层），这继而将显著降低显示器的制造成本。
尽管本发明已经根据若干实施例进行了描述，但是本领域的普通技术人员将认识到，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求的精神和范围内实行修改和改变。因此，说明书被认为是说明性的而不是限制性的。上面所描述的本发明的不同方面存在着许多其他的变化，为了简洁起见没有详细提供。相应地，其他实施例在本文公开的范围内，其各个方面在权利要求书中进行限定。

Claims (43)

1.一种多层半导体发光结构，包括：
第一量子限制结构；
具有第一预定带隙和带偏移的第一中间载流子阻挡层；和
第二量子限制结构，
其中将所述第一中间载流子阻挡层设置在所述第一量子限制结构与所述第二量子限制结构之间。
2.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子线。
3.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子点。
4.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子阱。
5.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括多个量子阱。
6.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述多层半导体发光结构是包括LED或激光二极管的二极管结构。
7.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第一中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平来限定。
8.根据权利要求1所述的多层半导体发光结构，还包括：
具有第二预定带隙和带偏移的第二中间载流子阻挡层；和
第三量子限制结构，其中将所述第二中间载流子阻挡层设置在所述第二量子限制结构与所述第三量子限制结构之间；
所述第二中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第二中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平来限定。
9.根据权利要求8所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二预定带隙以及带偏移被选择用于（i）平衡光学有源层之间的电子和空穴传送中的不对称性和（ii）平衡进入光学有源层中的载流子捕获速率，从而提高整个有源区域注入效率并减少有源区域外部的有源区域溢出、载流子泄漏和载流子复合损耗。
10.一种多层半导体多色发光结构，包括：
用于发射第一波长的光的第一量子限制结构；
具有第一预定带隙和带偏移的第一中间载流子阻挡层；和
用于发射第二波长的光的第二量子限制结构，
其中将所述第一中间载流子阻挡层设置在所述第一量子限制结构与所述第二量子限制结构之间。
11.根据权利要求10所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第一中间载流子阻挡层具有第一预定带隙和带偏移，所述第一预定带隙和带偏移被选择以提供可变地响应于所述多层半导体多色发光结构中的电流密度的所述第一和第二量子限制结构的相对光发射。
12.根据权利要求10所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子线。
13.根据权利要求10所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子点。
14.根据权利要求10所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子阱。
15.根据权利要求10所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括多个量子阱。
16.根据权利要求10所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述多层半导体多色发光结构是包括用于发射多色光的LED或激光二极管的二极管结构。
17.根据权利要求10所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第一中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第一中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平来限定。
18.根据权利要求10所述的多层半导体多色发光结构，还包括：
具有第二预定带隙和带偏移的第二中间载流子阻挡层；和
用于发射第三波长的光的第三量子限制结构，其中将所述第二中间载流子阻挡层设置在所述第二量子限制结构与所述第三量子限制结构之间；
所述第二中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第二中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平来限定。
19.根据权利要求18所述的多层半导体多色发光结构，其中，由所述第二中间载流子阻挡层的所述组分和所述掺杂水平来限定的所述第二中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移被选择以提供可变地响应于所述多层半导体多色发光结构中的电流密度的所述第一、第二和第三量子阱结构的相对光发射。
20.根据权利要求18所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第二中间载流子阻挡层具有大于所述第一中间载流子阻挡层的带隙和带偏移的带隙和带偏移。
21.根据权利要求20所述的多层半导体多色发光结构，其中，选择所述三个量子限制结构以使所述多层半导体多色发光结构响应于所述多层半导体多色发光结构中的电流密度而主导地发射红色、绿色和蓝色。
22.一种多层半导体发光结构，包括：
用于发射第一波长的光的第一量子限制结构；
具有第一预定带隙和带偏移的第一中间载流子阻挡层；
用于发射第二波长的光的第二量子限制结构，
其中将所述第一中间载流子阻挡层设置在所述第一量子限制结构与所述第二量子限制结构之间；
具有第二预定带隙和带偏移的第二中间载流子阻挡层；和
用于发射第三波长的光的第三量子限制结构，
其中将所述第二中间载流子阻挡层设置在所述第二量子限制结构与所述第三量子限制结构之间；
所述第一、第二和第三量子限制结构分别发射红色、绿色和蓝色；
所述第一和第二中间载流子阻挡层具有预定的带隙和带偏移，所述预定的带隙和带偏移被选择为使得所述第一、第二和第三量子限制结构在预定的注入电流密度处以大致相等的CIE发射原色，从而所述多层半导体发光结构发射白光。
23.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中,所述原色是红色、绿色和蓝色。
24.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中,所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子线。
25.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中,所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子点。
26.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中,所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子阱。
27.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中所述第一、第二和第三量子限制结构中的至少一个包括多个量子阱。
28.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一、第二和第三量子限制结构在大约50A/cm2的注入电流密度处以大致相等的CIE发射相应的颜色。
29.根据权利要求22所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一、第二和第三量子限制结构针对特定注入电流密度以大致相等的CIE发射来发射红光、绿光和蓝光，并且当所述特定注入电流密度增加时，蓝色发射增加并且绿色发射减少。
30.根据权利要求29所述的多层半导体发光结构，其中，所述白光发射器件的发射色温可通过控制所述注入电流密度来控制。
31.根据权利要求29所述的多层半导体发光结构，其中，当所述红色发射也随着增加注入电流密度而减少时，所述第一、第二和第三量子限制结构以大致相等的CIE发射来发射相应的颜色。
32.根据权利要求31所述的多层半导体发光结构，其中，发射白光的所述多层半导体发光结构的发射色温可通过控制所述注入电流密度来控制。
33.一种多层半导体多色发光结构，包括：
用于发射第一波长的光的第一量子限制结构；
具有第一预定带隙和带偏移的第一中间载流子阻挡层；和
用于发射第二波长的光的第二量子限制结构，
其中将所述第一中间载流子阻挡层设置在所述第一量子限制结构与所述第二量子限制结构之间；
选择所述第一中间层以提供在注入电流密度范围上的发射分布，所述发射分布比在不具有所述第一中间载流子阻挡层的情况下在相同的注入电流密度范围上的发射分布更均匀。
34.根据权利要求33所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子线。
35.根据权利要求33所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子点。
36.根据权利要求33所述的多层半导体发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括量子阱。
37.根据权利要求33所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第一和第二量子限制结构中的至少一个包括多个量子阱。
38.根据权利要求33所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第一中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第一中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平限定。
39.根据权利要求33所述的多层半导体多色发光结构，其中所述多层半导体多色发光结构是包括用于发射多色光的LED或激光二极管的二极管结构。
40.根据权利要求33所述的多层半导体多色发光结构，还包括：
具有第二预定带隙和带偏移的第二中间载流子阻挡层；和
用于发射第三波长的光的第三量子限制结构，
其中将所述第二中间载流子阻挡层设置在所述第二量子限制结构与所述第三量子限制结构之间；
所述第二中间载流子阻挡层的所述预定带隙和所述带偏移由所述第二中间载流子阻挡层的组分和掺杂水平限定。
41.根据权利要求40所述的多层半导体多色发光结构，其中，所述第二中间载流子阻挡层具有大于所述第一中间载流子阻挡层的带隙和带偏移的带隙和带偏移。
42.根据权利要求41所述的多层半导体多色发光结构，其中，选择所述第一和第二中间载流子阻挡层的组分和掺杂以使所述多层半导体多色发光结构响应所述多层半导体多色发光结构中的电流密度而主导地发射红色、绿色和蓝色。
43.根据权利要求40所述的多层半导体多色发光结构，其中，选择所述第一和第二中间阻挡层的所述预定带隙和带偏移以提供在注入电流密度范围上的发射分布，所述发射分布比在没有所述第一和第二中间载流子阻挡层的情况下在相同的注入电流密度范围上的发射分布更均匀。
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