JP2023538769A - モノリシック・ナノコラム構造 - Google Patents

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Abstract

窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイが、ナノコラムの端部に向けられた光を発するように極性ｃ面又は半極性面にある量子井戸と、ナノコラムにおいて発せられる光がナノコラムの一端部から出るようにガイドされる間隙フィラー材料とを有する。

Description

本特許出願は、活性半導体エミッタを使用する、ディスプレイ技術及び照明デバイスに関する。
ディスプレイ技術は、急速な発展及び進化をたどっている。マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）が、次世代ディスプレイの出現に用いられているが、まだ課題が残っている。色スペクトルは、マス・トランスファー法を用いた組み立てにおける処理量が実質的な課題であると同時に、ＣＩＥ色域を部分的にしかカバーしない。
ディスプレイ技術分野は現在、ＬＥＤバックライト付き液晶シャッタ（ＬＣＤ）を使用して人間の視覚感知のための画像を形成する。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）もまた、より新たな製品に適用される。当該技術分野は、マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ）を用いて広がってきているが著しい課題があるままである。これらは、制限された視覚スペクトル、及び、ディスプレイの組み立てにおける深刻な困難である。マイクロＬＥＤを用いたディスプレイの組み立ては、ピクセル、次いでディスプレイを形成するために、非常に高精度のマイクロＬＥＤの数百万回の自動配置である、マス・トランスファーと呼ばれる新しい技術を必要とする。すべてが非常に高速であるため、ディスプレイを費用効果の高いものにする。これまで、これは達成されていない。
科学雑誌及び特許の概観から、ナノワイヤ（ＮＷ：ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）及びナノコラム（ＮＣ：ｎａｎｏｃｏｌｕｍｎｓ）とも呼ばれるナノ構造から発光素子を製造する上でのいくらかの取り組みが明らかになっている。
ＮＣ発光素子の最も有望な特徴は、発光波長が材料を変更する必要なくＮＣの直径に依存することが見い出されていることである。ＬＥＤ材料を用いる場合、種々の色を有するディスプレイが、種々の基板、すなわち、ＬＥＤの各色につき１つの基板からの、要素の組み立てを必要とするように、種々の色が材料の変更を必要とする。この組み立ての複雑性が問題である。ＮＣ技術の場合、同じ半導体基板が種々の色のピクセルを提供することができる。ＮＣ技術はまた、単色又は多色であるものとすることができる照明源を提供するために有望である。
米国特許出願公開第２００３／０１６８９６４号は、ナノワイヤ内の空領域を充填するとともにｐ接点を形成する有機活性領域を有する発光ナノワイヤを記載している。この用途は、発光ナノワイヤからディスプレイを形成する方法、つまり、量子井戸（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造及び結晶軸配向における記載を何も記載していない。さらに、同じウェハでの限定範囲の波長を示している。この開示は、青色光に限定されている。
米国特許第１０，１７７，１９５号及び米国特許出願公開第２０１９／０１３１３４５号は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いて形成されるナノワイヤを使用するディスプレイの製造を示している。ナノワイヤ又はナノワイヤのグルーピングによって生成される色は、ナノワイヤの直径を変えることによって制御される。これらの出願は、種々の材料が活性領域に使用され、それには、種々の色セットが種々のウェハ上に作製され、次いでリフトオフされ、バックプレーンに取り付ける必要があることを示している。これには、まだ達成されていないレベルにおけるマス・トランスファー技術を必要とする。これらの出願は、電気接点を形成することを開示していない。
米国特許第１０，２６３，１４９号は、ＭＯＣＶＤと触媒によって支援されたエピタキシーとを用いて成長させるナノワイヤを開示している。この特許は、ナノワイヤの直径を制御する手段を記載しておらず、したがって、ナノワイヤによって発せられる光の色を調節することをさらに記載していない。この出願は、ナノワイヤからディスプレイを形成する方法を記載していない。
米国特許出願公開第２０１７／０２７９０１７号は、ナノワイヤの作製を記載しているが、同じウェハ上に堆積された種々の色の一体モノリシック・ピクセルを記載していない。さらに、この出願は、青色ＬＥＤが白色光のために蛍光体を用いるやり方と同様にリン技術をナノワイヤと融合させている。
米国特許出願公開第２０１８／０３７４９８８号は、活性領域のためにＩｎＧａＮを用いてナノワイヤを製造する方法を記載している。製造されたナノワイヤの直径が色に影響する。製造されたナノワイヤの直径を制御するために電子ビーム・リソグラフィが使用されている。この出願は、単一のナノワイヤを電気的に駆動するやり方を記載している。この出願は、単一のナノワイヤしか考慮していないため、ナノワイヤからディスプレイを形成するやり方を開示していない。
米国特許第１０，２６３，１４９号は、ＭＯＣＶＤと触媒によって支援されたエピタキシーとを用いて成長させるナノワイヤを開示している。この特許は、ナノワイヤの直径を制御する手段を記載しておらず、したがって、ナノワイヤによって発せられる光の色を調節することをさらに記載していない。この出願は、ナノワイヤからディスプレイを形成する方法を記載していない。
Ａｈｍｅｄ（米国特許出願公開第２０１９／０３６３０６号）、Ｈｕｇｏｎ（米国特許出願公開第２０１７／０３５２６０１（Ａ１）号）、Ｌｕ（米国特許出願公開第２０１２／０２６１６８６号）及びＷａｎｇ（米国特許出願公開第２０１２／０２５３９８２号）はすべて、ナノワイヤとＱＷのためのコア・シェル構造とを成長させるためにＭＯＣＶＤを用いている。
Ａｈｍｅｄ出願は、直径を変えることによってエミッタの波長を変えることができるやり方を示している。２つの異なる色が、外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、又は、覆うことができる色域のいかなる言及もなく示されている。
それらの開示のすべては、ナノワイヤ成長にＭＯＣＶＤを用い、コア・シェル構造においてＱＷを成長させ、このことは、ＱＷをｍ面上に成長させることを意味している。
ＮＣベースのディスプレイの効率は、ビューアの方向に出力される光にどの程度の電流が変換されることができるかによって定められる。ＱＷをＮＣにおいてｍ面上に成長させる場合、発光はＮＣの両側に向けられる。ＥＱＥが優れている場合であっても、ＮＣの端部を介して出力された光は、放射方向によって妨げられる。
Ｚｅｔｉａｎ Ｍｉによる２つの開示、及び、Ｓｅｋｉｇｕｃｈｉによる、ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２３１１０４（２０１０）における論文にだけが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）によって成長させるナノワイヤを示しており、Ｚｅｔｉａｎ Ｍｉだけが、ナノワイヤに成長させたＱＷ、及び、単一プロセスでの単一のウェハにおける少なくとも３つの種々の波長を示している。しかしながら、Ｚｅｔｉａｎ Ｍｉは、どのようにディスプレイを製造することができるかを開示していない。これらＱＷはｃ面上にあり、大きい方の直径のナノワイヤが半極性面内にある。Ｃ面発光は、ＮＣを介して出力された光のより優れた効率を有するために有望である。
Ｚｅｔｉａｎ Ｍｉらは、４６０ｎｍ～６３５ｎｍの範囲内に制限された種々の波長のウェハにおけるエミッタを開示している。この変動は、ナノワイヤの直径を変えることによって達成される。この開示は、発せられた光がどの程度出ることができて有用であり得るのかを定めていない。電気的接続を提供する手段が開示されている。したがって、ＥＱＥが制限される。Ｓｅｋｉｇｕｃｈｉらは、エミッタの同様の波長範囲を記載しているが、デバイスのＥＱＥを高めるための構造はない。エレクトロルミネッセンス（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）（ＥＬ）特性は開示されていない。
従来技術の上記概要は、ナノワイヤが現在のディスプレイ技術におけるいくつか又はすべての欠点を解消する可能性を有し得る。しかしながら、従来の開示のいずれも、ナノワイヤ・エミッタをサブピクセル／ピクセルに配置するのに適するものにするとともに十分なエミッタ効率及び色品質の完全な作業ディスプレイを作製する方法を示すことを試みていないことは明らかである。これらの開示は、組み合わせられると、同じウェハ及び同じプロセスにおいて種々の波長のナノワイヤベースのエミッタを成長させることの記載を提示している。Ｚｅｔｉａｎ Ｍｉを除き、成長条件及びどのように波長の変化が起こるかを開示しているものはない。
さらに、従来技術のいずれも、ＱＷをＧａＮ結晶において成長させる結晶面に応じた発光光効率に関連する問題に対処しているものはない。
米国特許出願公開第２００３／０１６８９６４号 米国特許第１０，１７７，１９５号 米国特許出願公開第２０１９／０１３１３４５号 米国特許第１０，２６３，１４９号 米国特許出願公開第２０１７／０２７９０１７号 米国特許出願公開第２０１８／０３７４９８８号 米国特許出願公開第２０１９／０３６３０６号 米国特許出願公開第２０１７／０３５２６０１（Ａ１）号 米国特許出願公開第２０１２／０２６１６８６号 米国特許出願公開第２０１２／０２５３９８２号
Ｓｅｋｉｇｕｃｈｉ，ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２３１１０４（２０１０）
本出願人は、二層ｐ接点構造を有する、ｃ面及び半極性面上に成長させた量子井戸から得られたナノコラム構造を用いることにより、高められたレベルの発光及び均一性がもたらされ、そのため、この技術によりディスプレイを構築することが可能となることを見い出した。本明細書において詳述したように、従来技術において見い出されているナノコラム構造は、一般的に、十分な輝度、光度、コントラスト、解像度などを生成しないため、ディスプレイを構築するのに適していないものであり得る。本明細書に記載のナノコラムを用いるディスプレイは、従来技術のナノコラムを用いるディスプレイの欠点を解消する。
窒化ガリウム（ＧａＮ：Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）ナノコラムのアレイは、配列されたナノコラム及び間隙フィラー材料の端部に向けられた光を発して、ナノコラムにおける、ガイドされる発光が、ナノコラムの一端部から出るように、極性ｃ面又は半極性面内に量子井戸を有し得る。ナノコラムの両側は、ナノコラムの縦方向軸に沿って光を反射する材料でコーティングすることができる。ナノコラムのｐドープされた端部は、金属化され、光を方向付けて、ｎドープされた端部を介して出すように反射接点が設けられることができる。
いくつかの実施例では、ナノコラム・デバイスであって、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイであって、第１の端部と第２の端部の間に発光領域を有する、負にドープされた第１の端部及び正にドープされた第２の端部を有し、ＧａＮナノコラムのアレイが、間隙フィラー材料を有し、発光領域から発せられた光がナノコラムにおいて第１の端部及び第２の端部にガイドされる、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイと、ＧａＮナノコラムのアレイの第１の端部を覆うとともに光のための出口窓を提供する、共通の透明接点と、ＧａＮナノコラムのアレイの第２の端部における金属コーティングであって、発光領域から発せされる光の低吸収を有するのに十分に薄いものでありつつ、ＧａＮナノコラムのアレイの第２の端部に結合するのに十分な厚さを有する、金属コーティングと、光を出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数のＧａＮナノコラムの金属コーティングをそれぞれ覆う、反射導電接点のアレイであって、金属コーティングが、当該ナノコラムの正にドープされたＧａＮと反射導電接点との間に低減した電気抵抗をもたらす、反射導電接点のアレイと、反射導電接点のアレイに接続される表面接点を有するドライバ半導体基板と、を備える、ナノコラム・デバイスが提供される。
他の実施例では、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイを含むナノコラム・デバイスが提供される。ＧａＮナノコラムのそれぞれは、ナノコラムの全幅を延びる、負にドープされた第１の端部領域と、ナノコラムの全幅を延びる、正にドープされた第２の端部領域と、第１の端部領域と第２の端部領域との間のｃ面及び半極性面のうちの一方に成長させた発光領域と、ＧａＮナノコラムのそれぞれの全長にわたる側壁表面と接触するとともに側壁表面を覆う絶縁材料層であって、全長が、第１の端部、第２の端部及び発光領域にわって延びる、絶縁材料層と、ナノコラムにおける光を出口窓にガイドするのを助ける、絶縁材料層と接触するとともに当該絶縁材料層を覆う反射材料層と、の縦配列を含む。ＧａＮナノコラムのアレイは、間隙フィラー材料を含み、発光領域から発せられた光が、ナノコラムにおいて第１の端部領域及び第２の端部領域にガイドされる。共通の透明接点は、ＧａＮナノコラムのアレイの第１の端部を覆い、光のための出口窓（ｅｘｉｔ ｗｉｎｄｏｗ）を提供し得る。金属コーティングは、ＧａＮナノコラムのアレイの第２の端部にあり得、ＧａＮナノコラムのアレイの第２の端部に結合されるとともに、発光領域から発せられる光の透過を可能にする。反射導電接点のアレイはそれぞれ、光を出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数のＧａＮナノコラムの金属コーティングを覆い得、金属コーティングは、ナノコラムの正にドープされたＧａＮと反射導電接点との間に低減した電気接点とをもたらす。ドライバ半導体基板が、反射導電接点のアレイに接続される表面接点を有し得る。
共通の透明接点は、ＧａＮナノコラムのアレイの第１の端部を覆う負にドープされたＧａＮ層を有し得る。ＧａＮナノコラムのアレイは、絶縁材料でコーティングされ得、絶縁材料は、ナノコラムにおける光を出口窓にガイドすることを助けるために反射材料でコーティングされ得る。間隙フィラー材料は光吸収材料を含み得る。
ＧａＮナノコラムのアレイは、種々の幅寸法を有するとともに種々の色で発光するサブピクセル群を含み得る。ナノコラムの発光領域は、第１の端部及び第２の端部に向けられた光を発するように極性ｃ面又は半極性面内にあり得る。
金属コーティングは、ＧａＮナノコラムのアレイの第２の端部に結合されるように熱処理されたニッケル及び金を含み得る。金属コーティングは、約６ｎｍ厚であり得、約等量のニッケル及び金を含み得る。
反射導電接点のアレイは、ピクセル・アレイ内に配置され得、ドライバ半導体基板は、画像ディスプレイ装置をもたらすように構成され得る。窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイは、カラー画像ディスプレイ装置を提供するサブピクセル群内に配置され得る。サブピクセル群は数が４以上とすることができる。
反射導電接点のアレイは、種々の色を提供するために窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイの群を駆動するように配置されることができ、ドライバ半導体基板は、可変色照明装置を提供するように上記群に異なる電圧を供給するように構成され得る。
いくつかの実施例では、モノリシック・ナノコラム発光デバイスを製造する方法であって、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイのｐドープされた端部に金属コーティングを塗布することであって、金属コーティングは、ＧａＮナノコラムの発光領域から発せられる光の低吸収を有するのに十分に薄いものでありつつ、ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた端部に結合するのに十分な厚さを有する、塗布することと、光を出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数のＧａＮナノコラムの金属コーティングをそれぞれ覆う反射導電接点のアレイを塗布することであって、金属コーティングは、ナノコラムのｐドープされたＧａＮと反射導電接点との間に低減した電気抵抗をもたらす、塗布することと、を含む方法が提供される。
他の実施例では、モノリシック・ナノコラム発光デバイスを製造する方法であって、
ｎドープされたＧａＮのバッファ層上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイの各ナノコラムについて、ｎドープされた第１の端部領域を縦方向に成長させることであって、バッファ層が、共通の接点及び出口窓を設けることが可能である、縦方向に成長させることと、
ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムについて、第１の端部領域上に、発光領域を縦方向に成長させることであって、発光領域の幅は、ＧａＮナノコラムのそれぞれについて等しい幅の第１の端部領域を有する、縦方向に成長させることと、
ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムについて、発光領域上に、ｐドープされた第２の端部領域を縦方向に成長させることであって、第２の端部領域の幅は、各ナノコラムについて等しい幅の第１の端部領域及び発光領域を有する、縦方向に成長させることと、
ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラム間の間隙フィラー材料をスピン・コーティングすることと、
ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた第２の端部領域を研磨することと、
ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた第２の端部領域上に、金属コーティングを塗布することであって、金属コーティングは、ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムの発光領域から発せされる光の低吸収を有するのに十分に薄いものでありつつ、ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた第２の端部領域に結合するのに十分な厚さを有する、塗布することと、
光を出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数のＧａＮナノコラムの金属コーティングをそれぞれが覆う反射導電接点のアレイを塗布することであって、金属コーティングは、ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた第２の端部領域と反射導電接点との間に低減した電気抵抗をもたらす、塗布することと、を含む方法が提供される。
さらに、表面接点を有するドライバ半導体基板が、反射導電接点のアレイに接続され得る。ＧａＮナノコラムのアレイは、ｎドープされたＧａＮのバッファ層上に成長され得、ｎドープされたＧａＮは、共通の接点及び出口窓を設けることができる。表面接点を有するドライバ半導体基板は、反射導電接点のアレイに接続され得る。
ＧａＮナノコラムのアレイは、絶縁材料でコーティングされ得、絶縁材料は、ナノコラムにおける光を出口窓にガイドするのを助ける反射材料でコーティングされ得る。
ＧａＮナノコラムのアレイは、誘電体反射材料でコーティングされ得る。
ＧａＮナノコラムのアレイ間の間隙空間は、光吸収材料とすることができる、間隙フィラー材料で充填され得る。
ＧａＮナノコラムのアレイは、種々の幅寸法を有するとともに種々の色で発光するサブピクセル群を含み得る。
ナノコラムの発光領域は、第１の端部及び第２の端部に向けられた光を発するように極性ｃ面又は半極性面内にあり得る。
金属コーティングは、ニッケル及び金を含み得、ニッケルが先に堆積され、金がニッケル上に堆積され、ＧａＮナノコラムのアレイのｐドープされた端部に結合するように熱処理される。金属コーティングは、約６ｎｍ厚とすることができ、約等量のニッケル及び金を含有し得る。
本発明は、添付の図面を参照しながら本発明の実施例の以下の詳細な説明としてより良く理解される。
窒化ガリウム結晶面の例示の図である。 光のほとんどが横方向に発せられる、例示的な従来技術のナノコラムの図である。 本開示による例示的なナノコラムの図である。 発せられた光が示されている、本開示による例示的なナノコラムの概略図である。 モノリシック・ナノコラム・エミッタ・パネルの製造に含まれるステップを示すフロー・チャートである。 ナノコラムの直径とナノコラムによって発せられる光の波長との関係を示すグラフである。 ２つのナノコラムと周囲層との構造を示す、本開示による例示的なナノコラムの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 本開示によるナノコラム・ディスプレイ・デバイスを製造するステップの概略図である。 複数のピクセルを含む例示的なディスプレイの概略図である。 それぞれが３つのサブピクセルを有する複数のピクセルを含む例示的なディスプレイの概略図である。 それぞれが５つのサブピクセルを有する複数のピクセルを含む例示的なディスプレイの概略図である。
本開示は、ナノコラムを含むディスプレイ、及び、ナノコラム・ベースのディスプレイを製造する方法に関する。かかるディスプレイは、スマートフォン、ウェアラブル・デバイス、マイクロ・ディスプレイ、グラフィック・ディスプレイ、テレビジョン、及び他のデバイスに使用され得る。明瞭にするため、ナノコラム（ＮＣ）という用語が、本開示の全体を通じて使用される。
ディスプレイの基本特性
ディスプレイは通常、２次元配列のピクセルであり、これらピクセルがまた、サブピクセルからなる。ディスプレイは、１ピクセルあたり１つのサブピクセルを有し得るか、又は、１ピクセルに対して複数のサブピクセルを有し得る。ピクセルは通常、外部から設定することができる可変発光レベルをすべてのサブピクセルが有する２次元マトリックスで配列される。ディスプレイが必要とする重要な属性は、解像度、色範囲（色域）、強度範囲（コントラスト）、視野、及び、ピクセルが変化することができる速度である。有用なディスプレイを製造する上で色及び強度の均一性が特に重大である。
人間の目の特性
ディスプレイが発する光が見る者によって知覚される仕方は、人間の目の特性に応じて決まる。人間の目は、異なる３種類の錐体を有し、各種類が、特定の波長にセンタリングされることが知られている異なる波長帯域に対して感度が高い。波長の正確な中心は、人間個体群において様々であるが、一般的に以下の帯域、すなわち、青色に関して４００～５００ｎｍ、緑色に関して５００～６００ｎｍ及び赤色に関して５２０～６８０ｎｍである。
色覚は、より大きいダイナミックレンジであるがグレースケールのみの知覚を提供する桿体の反応によっても影響を受ける。目は、人間の脳による色の処理も伴う非常に複雑な仕方で色を知覚する。当該技術分野においてよく知られているように、光のほとんどの波長が複数の種類の錐体を活性化させる。唯一の例外は、青錐体のみを活性化させる約４１５ｎｍ未満の波長、及び、赤錐体のみを活性化させる約６８０ｎｍ超の波長である。可能な全範囲の色は、人間の目の３つの錐体（赤、緑及び青）と種々の強度の比とから得られる情報から脳によってつくり出される。しかしながら、現在の半導体技術は、正確な緑色を生成することができない。
青錐体は、最も感度が高いが、すべての錐体のうちのほんの２％を構成し、緑錐体は、すべての錐体のうちの６５％を構成し、赤錐体は、すべての錐体のうちの残りの約３３％を構成する。３種類の錐体は、光の同じレベルの強度／光度に対して異なる反応を有する。換言すると、所与の光度の光は、目の集合（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ）緑錐体、集合赤錐体、及び集合青錐体から異なる反応を引き起こす。理解されることができるように、赤色は、赤錐体の何らかの刺激があるが緑錐体の刺激はない場合に脳によって知覚される。錐体の様々な量の刺激により、視覚野が、光の波長が何であるのかを、すなわちその色を知覚することが可能となる。視覚野はまた、追加の輝度情報を提供する網膜における桿体から信号を受け取る。
下記の表１は、緑錐体の応答と比べた、錐体の相対的な応答を示す。表１に示すように、３つの源の光度は、感度の反比例である。したがって、緑の光度が１ｍＷである場合、赤光度が１．３３ｍＷであり、青光度が３．８５ｍＷである。
ディスプレイにおいて、光は、上記のようにピクセルにおいて発せられることができる。各ピクセルは１つ又は複数のサブピクセルを含むことができ、各サブピクセルは、特定の波長で発光することができる。サブピクセルによって発せられた光は、目の赤錐体、緑錐体、及び／又は青錐体を様々な程度に活性化するようにともに作用することができる。概して、可視光は、第１のサブピクセルの強度が第２のサブピクセルの強度に加えられるように相加的に作用する。その場合、脳が錐体活性化全体を処理して、知覚された色をつくり出す。本開示は、ナノコラムの特性と組み合わせて上記の目の特性を用いて、ディスプレイを設計及び製造する。
従来技術－窒化ガリウム結晶面
ＩＩＩ－Ｖ化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ウルツ鉱（六方）晶である。窒化ガリウムは、図１に示すような面を有する。ｍ面は、垂直軸に対して平行であり、ｃ面は、垂直軸に対し直交しており、半極性面は、図示のように結晶の一方の側から反対側に傾いている。当該技術分野において知られ、本明細書において詳述するように、異なる結晶軸は、それらの上に成長させた量子井戸（ＱＷ）の量子効率をもたらす異なる電気特性を有する。
従来技術－コア・シェル量子井戸（ｍ面）
本明細書に記載のように、ナノコラムからの発光をディスプレイ及び照明用途に用いることができる唯一のやり方は、量子井戸（ＱＷ）をｍ面上ではなくｃ面及び半極性面上に成長させる場合である。当該技術分野においてよく知られているように、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）プロセスのみが、ｍ面上にＱＷを成長させることができる。したがって、ＭＯＣＶＤプロセスを用いる従来技術はすべて、ディスプレイ用途にとって満足のいく結果とならない可能性がある。コア・シェル構造としてＱＷを成長させるＭＯＣＶＤの最も重要な制約は、光の大部分がナノコラムの長手方向軸に対して直交するということである。図２は、かかる従来技術の、ｍ面上に成長させたナノコラムを示し、このナノコラムに関して、光は、隣り合うナノコラムによって吸収又は反射される。
図２において、ｐ接点５１は概ね不透明であり、したがって、ナノコラムの軸において透過させ得る光をさらに減らす。さらに、ＱＷ５７は、ｍ面上に成長させられるため、各ナノコラムの両側において制限された角度分布でしか発光し得ない。ＭＯＣＶＤプロセスを用いてＧａＮ上にＱＷを成長させることは本質的に、図２に示すようなコア・シェル構造となる。現在、ＭＯＣＶＤプロセスを用いてＧａＮ上にＱＷを成長させる場合にｍ面以外の面上で成長を得るやり方はない。
かかる従来技術の実施例では、光のほとんどが垂直軸に対して直交に発せられ、隣のナノコラムから吸収又は反射される。非常に少量の光しかディスプレイのビューアへ出ず、光は、画像のコヒーレントな表示を妨げ得る程度まで拡散される。ＭＯＣＶＤがｍ面上にＱＷを成長させる利点として、大きなＱＷ表面積を有することが挙げられる。しかしながら、増大した表面積（ｃ面上に構築された同等のＱＷ構造よりも何倍も大きい）の場合であっても、有用な光が発せられるにはほど遠く、有効ＥＱＥが非常に低いことを意味する。
ｃ面及び半極性面上の量子井戸
ｃ面及び半極性面上に成長させたＱＷを教示する、従来技術の参照文献では、それら参照文献は、これら面をコア・シェルよりも優れた利点を有するものとして示しておらず、また、有効外部量子効率（Ｅ２ＱＥ：Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の違いを示していない。さらに、従来技術の参照文献は、どのようにサブピクセル及びピクセルが形成されて色表示を構成することができるのかを示していない。
ｃ面又は半極性面上にＱＷを成長させる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により、発光がナノコラムの長手方向軸に沿って垂直に出ることが可能となり、これは付随的にビューアへ方向付けられる。光抽出を高める手段を提供することによって、光のほとんどが有用となり、非常に高いＥ２ＱＥをもたらす。
図３は、ＭＢＥプロセスによりｃ面又は半極性面上に成長させたＱＷを有するそのような１つのナノコラムの概略的な例示である。ＭＢＥプロセスの本来的な部分は、ｃ面及び半極性面上に成長させるＱＷがナノコラムの直径に応じて決まることである。例えば、直径（又は断面積）が小さい場合、ＱＷはｍ面上に形成され得るが、その一方、直径がより大きい場合、ＱＷはｍ面上に形成することができる。その場合、ｃ面及び半極性面は、ＱＷがナノコラム上に成長することができるとともにディスプレイを形成する手段を提供することができる唯一の方法であることが十分に理解される。図３を参照すると、ナノコラムは、共通電極として機能し得るバッファ層５９（例えば、ｎ－ＧａＮ層）を有し得、このバッファ層は、ナノコラムの成長プロセスに必要であり得る構造基板６０の上にある。各ナノコラムを、ｎ－ＧａＮ層６５がバッファ層５９と接触した状態にあるように成長させ得る。その後、ＱＷ６１を含む活性領域を、ｎ－ＧａＮ層６５の上に成長させ得る。ナノコラムは、別個の電極により給電され得るｐ－ＧａＮ層６３をさらに含み得る。
図３は、製造プロセス時のナノコラム構造を示すのに対し、図４は、製造プロセスが完了したときの単一ナノコラムについてのより詳細なナノコラム構造図（すなわち、ナノコラム間充填材料のない完全な構造）を示す。したがって、成長基板６０が除去されており、共通電極として機能するバッファ層５９は発光がナノコラムからこの層を通して出る層であることが観察され得る。発光の視覚化を助けるために、光線が示されている。バッファ層５９は図４において単一ナノコラム上にあるものとして示されているが、これは単一コラムの概略的な例示であり、ｎドープされたＧａＮ層５９はナノコラムのすべてに及ぶことが理解される。
図４に示したナノコラムは、ディスプレイ又は照明パネルに使用され得るため、各サブピクセル及び電気ドライバ回路との必要な接続部を含むバックパネル６９が、リフレクタとしても機能し得る導電性ｐ接点層６７に接続され得る。したがって、ｐ接点層６７は、ｐ－ＧａＮ層６３とバックパネル６９との電気的接続部、及び、ビューアがある側とは反対の側へＱＷ６１による発光を反射するリフレクタの両方として機能し得る。そのようなものとして、光透過に著しい増加があり得る。以下に記載されるように、層６７は、バンドギャップエネルギーが電気的接続を確立することを困難にさせるｐドープされたＧａＮとの良好な導電性接触をもたらす複合層とすることができる。複合層のこの部分は透過性であり得る（すなわち、僅かしか吸収しない）。接点層６７は図４において単一ナノコラム上にあるものとして示されているが、これは単一ナノコラムの概略的な例示であり、層６７は所与のピクセル又はサブピクセルにおけるナノコラムのすべてに及ぶことが理解される。
本明細書に記載のように、ナノコラムの直径は、その発せられた光子の波長に影響を及ぼす。図６は、直径と波長との間の関係のグラフを示す。グラフに見られ得るように、直径が大きいほど、生成される波長は短くなる。ＭＢＥプロセスにより成長させるナノコラムの直径を制御することが可能であるため、発せられる光の色を調節することが可能である。したがって、各波長についてのナノコラムの正確な所望の分布によりピクセル及びサブピクセルを生成することがなされ得る。
好ましい実施例
モノリス単一プロセス発色基板
本開示は、ナノコラムの選択領域成長（ＳＡＧ）、複数のＱＷ、及び、以下に詳細に記載される、別のＩＩＩ－Ｖ構造を上に、さらにはｐ接点を用いて、ＩＩＩ－Ｖ化合半導体から、モノリシック発光素子を製造する方法に関する。複数のこれらのナノコラムは次いで、サブピクセルを形成することができる。これらのサブピクセル群のうちの１つ又は複数が次いで、ピクセルを形成する。ＲＧＢサブピクセルに関して、これらは数が３つであるが、現在の技術を用いて３つよりも多くの波長を利用することが可能であり得る。所望の波長と各波長に専用のナノコラム数とを選択して、ディスプレイの色域及び効率を高めることも可能である。
プロセスは、プロセス基板、例えばサファイア板又はシリコン板を用意することで開始する。このプロセス基板の一方の側に負にドープされたＧａＮのバッファ層が堆積される。このバッファ層５９は最終的に、ディスプレイの放射窓及びナノコラムについての共通接点となる。ヒータからプロセス基板への均一で効率的な伝熱のために、２μｍの金属層Ｍｏをサファイア（又はシリコン）基板の裏面に堆積することができる。ＧａＮナノコラムの選択領域エピタキシーのために薄Ｔｉ層（～１０ｎｍ）を先にバッファ層５９上に成長マスクとして用いる。例えば、格子定数「ａ」の三角格子に配置された特定の格子サイズ「ｄ」を有する、ナノスケールの六角形穴を、例えば電子ビーム・リソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いて作製することができる。ナノコラムの成長前に、Ｔｉマスクの窒化を約４００℃で行って、成長プロセス時におけるクラック及び劣化を防止することができる。次いで、ｎ－ＧａＮ（５００ｎｍ）及びｐ－ＧａＮ（２７０ｎｍ）ナノコラム部分をそれぞれ、例えば、ＭＢＥシステムにおいて約０．６ｓｃｃｍ（３．６×１０－５ｍ３／ｈ）の窒素流量及び２．５×１０－７Ｔｏｒｒ（３３３．３Ｐａ）以下のＧａフラックスで、約９８０℃及び９６０℃の基板温度で成長させることができる。複数対のＩｎｘＧａｌ－ｘＮ（～３ｎｍ）／ＧａＮ（～３ｎｍ）を多重ＱＷ活性領域としてｎ－ＧａＮ部分とｐ－ＧａＮ部分との間に挟むことができる。活性領域の成長条件は、約７３５℃の基板温度、約１．２ｓｃｃｍ（７．２×１０－５ｍ３／ｈ）の窒素流量からなり得、Ｇａ及びＩｎビーム束をそれぞれ１．８×１０－８Ｔｏｒｒ（２４０．０Ｐａ）以下、及び９．０×１０－８Ｔｏｒｒ（１１９９．９Ｐａ）以下とすることができる。Ｓｉ及びＭｇをそれぞれｎドーパント及びｐドーパントとして使用することができる。ここで述べる基板温度とは、プロセス基板の裏側での熱電対読み取り値を指す。実際の基板表面温度は、基板及びサンプルサイズに応じて、おおよそ約１００～１５０℃低く推定される。ナノコラムを所望の高さまで成長させたら、残りのＴｉマスクを洗浄プロセスによって除去することができる。
図７は、本明細書に記載のようなナノコラムの成長の完了後に加え得るナノコラム間層を含む、この好ましい実施例の結果として得られる構造を示す。この実施例では、ｎ－ＧａＮ層であり得るバッファ層５９によりｎ接点が形成され得る。このバッファ層５９にナノコラムｎ－ＧａＮ層６５を成長させ、ｎ－ＧａＮ層６５の上にＱＷ６１をさらに成長させる。次いで、活性層６１の上にｐ－ＧａＮ層６３を加え得る。ｐ接点複合層６７が、最初は出口とは反対側へ発せられるため他の場合ではナノコラムから出ないであろう光を反射させることによって発光強度を高めつつ、ｐ－ＧａＮ層のための必要な電気的接続を提供し得る。
好ましい実施例では、ｐ接点複合層６７は、Ｎｉ層７５、Ａｕ層７３及び反射金属層７１などの複数の層を含み得る。光透過に関して、金属化界面層７５及び７３がｐ－ＧａＮに結合して電流がｐ－ＧａＮから金属導体７１に通じることを可能にする。ｐ接点界面層の材料厚さが重要である。Ｎｉ／Ａｕ層が厚いほど、光の吸収及び損失が多くなる。好ましい実施例は、ｐ接点の堆積について３ｎｍの各金属を用い得る。金属化層についてＰｄなどの他の金属も使用されてもよい。２つの金属は、Ｎｉ／Ａｕが適切な温度でｐ－ＧａＮと融合する複合体を形成する。それぞれ約３ｎｍの厚さ未満では、ｐ－ＧａＮとのこの融合は起こり得ず、Ｎｉ／Ａｕはプロービング及び剥離に耐え得ない。しかしながら、ディスプレイのその側（すなわち、ビューアへの出口とは反対側）への発光が、Ａｕ層７３の上に加えられた反射及び導電層７１を通過するとともにその層に反射され得るように、層がそれぞれ約３ｎｍにあるままであることが最適であり得る。全体のＮｉ／Ａｕ層の厚さが約６ｎｍの場合、層を通って戻ってくる光の損失は約１０％未満であり得る（すなわち、リフレクタへ発せられた光のほとんどが反射してナノコラムの出口（ｅｘｉｔ）に戻る）。
ナノコラム発光が所望のナノコラムに限定される（すなわち、出力されるとともに、隣り合う出力ナノコラムによって誘発されない、特定の電極により制御される）ことができるように、光透過を高めるとともに電気的絶縁を確実にするために各ナノコラム間に複数の層があり得る。したがって、各ナノコラムは、透明絶縁層８１によって先に包囲され得る。絶縁層８１の外側にリフレクタ層７９が加えられ得るため、リフレクタ層７９がナノコラムの側へ発光を反射してナノコラムに戻し得る。したがって、リフレクタ層７９は、ナノコラムの出口へ伝播される光を増加させ得、それにより、より多くの光子がビューアに達し得る。
絶縁層８１は、ＳｉＯ２を含み得、反射層７９は、アルミニウム（Ａｌ）、又は、可視スペクトルにわたって若しくは少なくともナノコラムの発光波長に関して反射する適した誘電体材料を含み得る。最後に、ナノコラム間の光透過又はナノコラム間の格子間空間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ ｓｐａｃｅ）から反射した外部光がないものとし得るように、不透明な吸収性ナノコラム間フィラー７７を加え得る。フィラー材料７７は、ポリイミドであり得るが、光吸収を改善するために、例えば、白色光について約０．８よりも大きい吸収係数をもたらすためにグラファイト又は他の顔料を添加するというオプションを有する。したがって、フィラー材料は、反射コーティングを受けない発光残部と、表面における周囲からの入射光との両方である、光の吸収特性を有することができる。
デバイス形成
ナノコラムの半導体ベースの構造から、電流の適用時に、次いで、ディスプレイに適したやり方で光抽出を高めるように機能するデバイスである各ナノコラムを形成することは、以下に記載のステップを含むとともに好ましい実施例の一部を形成することができる。当業者は、本開示の教示から逸脱することなく本明細書に提示されたステップの変更を行い得ることを理解するであろう。ディスプレイ又は光源を製造する種々のステップは、図５のフロー・チャートに示され、対応する製造段階におけるモノリシック・デバイスが図８Ａ～図８Ｈに示されている。
ステップＳ１において、支持基板を用意する。ステップＳ２において、均一な、負にドープされたＧａＮ層を、支持基板上に成長させる。図８Ａに示すように、構造基板６０に載置しているバッファ層５９上に複数のナノコラムを先に成長させる。基板６０は、バッファ・エピタキシャル層を有する、シリコン（Ｓｉ）、サファイア、又はバルクＧａＮであり得る。マスキング材料の薄層を基板上に堆積し得（ステップＳ３）、この層を、ＧａＮナノコラムの選択領域エピタキシーのための成長マスクとして用いるようにエッチングする（ステップＳ４）。マスキング材料は、エピタキシャル成長がより高い温度を必要とし得るため、任意の硬質材料とすることができる（例えば、チタン（Ｔｉ）であってもよい）。
ＭＢＥプロセスを用いて、本明細書に記載のようにナノコラムを成長させる（ステップＳ５）。量子井戸（ＱＷ）を、ｎドープされたＧａＮナノコラム上に成長させ（ステップＳ６）、次いで、ナノコラムを成長させ続けるようにｐドープされたＧａＮをＱＷ領域上に成長させる（ステップＳ７）。ナノコラムをすべて達成する（すなわち、ｐ－ＧａＮ層を成長させる）と、図８Ｂに示すように、マスキング材料を除去することができるとともにナノコラムをＳｉＯ２のパッシベーション層でコーティングし得る（ステップＳ９）。次いで、パッシベーション層８１を金属反射層７９でコーティングし得（ステップＳ１０）、この金属反射層はアルミニウム（Ａｌ）又は電気絶縁誘電体であってもよい。反射層７９及びパッシベーション層８１は、スパッタリング・プロセスにより行われ得る。図８Ｃは、次のステップを示し、このステップにおいて、光吸収材料７７をナノコラム間及びナノコラムの上のエリアに堆積させ得る（ステップＳ１１）。
フィラー吸収材料７７は、当該技術分野において知られているような任意の適した堆積プロセスを用いて、例えばスピン・コーティング及びベーキングによって堆積され得る。
平坦化
図８Ｄに示すように、次いで、ウェハを、化学機械研磨／平坦化（ＣＭＰ）プロセスを用いて研磨して（ステップＳ１２）、ナノコラムの上面を露出させる。その後、ナノコラムの上面上のｐ－ＧａＮ層は、さらなる処理のために利用できるものとなり得る。
Ｐ接点
ここで図８Ｅを参照すると、Ｎｉ（層７５、ステップＳ１３）及びその後のＡｕ（層７３、ステップＳ１４）の、約３ｎｍ厚であり得る薄層を、ナノコラムの露出した上面に堆積し得る。その後、Ｎｉ／Ａｕ層をアニーリングし得る（ステップＳ１５）。本明細書に記載のように、これは、可視光に対して非常に透過性があるｐ接点を形成し、Ｎｉ／Ａｕの金属界面層は、光ラウンドトリップの約１０％未満を吸収する。ナノコラムのピクセル又はサブピクセル群を覆う金属反射接点を、例えば均一な層を堆積するとともに個々の接点間のセパレーションをエッチングすることによって、堆積させる（ステップＳ１６）。図８Ｅに示すように、各サブピクセルは、サブピクセル全体が出力時に同じ時点で発光し得るようにＮｉ／Ａｕ７５／７３の同じ層及び金属反射接点７１に接続され得る。本明細書に記載のように、各サブピクセルは、同じ又は同様の波長で発光する複数のナノコラムから形成される。これは、単一ナノコラムでは機能的なディスプレイに十分な特性を示すのに十分な光を発し得ないために必要とされ得る（すなわち、単一のピクセルに十分な赤色光をもたらすと同時に発光する複数の赤色ナノコラムの必要性がある）。
Ｎｉ／Ａｕ層７５、７３は、所望のｐ接点をつくり出すために、１０分間、４５０℃でアニーリングされ得る。デバイス構造を完成させるとともにディスプレイの個々のサブピクセルに電流用の経路を提供するために、図８Ｆに示すように、反射及び導電層７１を正電極のために堆積させることができる。ピクセルにおけるサブピクセルのｐ接点はすべて、ドライブ・エレクトロニクスと接続されるとともに、シリコン・バックプレーン６９におけるパターンをドライブ・エレクトロニクスと一致させるように経路付けられる（ステップＳ１７）。このシリコン・バックプレーン６９は、本開示の一部をなさないが、当該技術分野においてよく知られており、照明パネルの場合、すべてのサブピクセルが同様に駆動されることができるのに対し、ディスプレイでは、個々のピクセルが対処及び駆動される。反射及び導電層７１は、ナノコラムの上面からの光を反射してナノコラムに戻し得る。
図８Ｇに示すように、次いで、サファイア基板層６０をウェハから除去し得る（例えば、サファイア層をリフトオフして除去する、ステップＳ１８）。負電極に関して、その後、ナノコラムの発光構造の底面におけるｎ－ＧａＮ共通層（すなわち、バッファ層５９）を共通電源である電源８５に接続し得る。当業者は、各ナノコラムの負側及び正側を逆にし得、シリコン・バックプレーン及びナノコラムの交互設計によって同じことが定められることを理解するであろう。
ここで、結果として得られる単品ディスプレイ又はその一部は、発光することで完成し、そのため、発光は、図８Ｈに示すように、ディスプレイのユーザに見えるものとなり得る。
上記の製造プロセスはｎドープされたバッファ層上にナノコラムを成長させることを含むが、ｐドープされたナノコラムを成長させることによって開始することができることが理解されるであろう。この場合、モノリシック・デバイスのｎドープされた上面が、ｐドープされた上面の代わりに研磨されることになる。共通の電気接点に関して、ナノコラムに及ぶｎドープされた層はなく、そのため、デバイスのｎドープされた側の上に透明電極を堆積することができる。ｐドープされた表面に関して、ｐドープされた表面は、支持基板から分離され、研磨されて、ナノコラムのｐドープされた端部を露出させる。接点の金属化及び堆積は上記と同じである。
１サブピクセルあたりのナノコラムの数
各サブピクセルにおけるナノコラムの数は、以下の式、すなわち
Ｎλｘ＝Ｐ’λｘ／（Ｐｎｗ×Ｒλｘ）
を用いて求めることができ、
式中、Ｎλｘは、サブピクセルにおけるナノコラムの数であり、Ｐ’λｘは、サブピクセルによって出力される有効電力であり、Ｐｎｗは、Ｖｆｄにおける単一ナノコラムによって出力される最大電力であり、Ｒλｘは、サブピクセルが発する光に対する人間の目の相対的な測光感度である。ディスプレイは、赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ発するように構成された、３つのサブピクセルを含み得る。
いくつかの実施例では、ナノコラム・ベースのディスプレイは、複数のピクセルを含み、各ピクセルが、複数のナノコラムをそれぞれが含む５個のサブピクセルを含み、複数のナノコラムがそれぞれ、特定の波長で発光するように構成される、複数のピクセルと、ディスプレイのナノコラムのすべてに接続されるバックプレーンと、複数の接点であって、各接点が、単一ピクセルの単一サブピクセルのナノコラムに接続され、５個のサブピクセルのそれぞれが異なる数のナノコラムを含む、複数の接点と、を含む。５個のサブピクセルのうちの第１のサブピクセルは、約７００ｎｍで光を発し得、５個のサブピクセルのうちの第２のサブピクセルは、約６１０ｎｍで光を発し得、５個のサブピクセルのうちの第３のサブピクセルは、約５６５ｎｍで光を発し得、５個のサブピクセルのうちの第４のサブピクセルは、約４７０ｎｍで光を発し得、５個のサブピクセルのうちの第５のサブピクセルは、約４００ｎｍで光を発し得る。第１のサブピクセル及び第５のサブピクセルのそれぞれは、第２のサブピクセル、第３のサブピクセル、又は第４のサブピクセルよりも多いナノコラムを含み得る。
ディスプレイは、ピクセルのそれぞれにおける５個のサブピクセルのうちのどれを活性化させるかを制御するように構成された制御システムを備え得る。この制御システムは、ディスプレイの周囲の環境輝度が閾値超であるのか又は閾値未満であるのかを検出するように構成された環境輝度センサを備え得る。制御システムは、輝度が閾値未満である場合、５個のサブピクセルのすべてを活性化させるように構成され得、輝度が閾値超の場合、第２のサブピクセル、第３のサブピクセル、及び第４のサブピクセルのみを活性化させるように構成され得る。
いくつかの実施例では、ナノコラム・ベースのディスプレイを製造する方法は、ディスプレイの各ピクセルにおけるサブピクセルの数ｍ、サブピクセルｘが波長λで光を発する波長λｘ、及び、サブピクセルｘが波長λで光を発する最大動作電力Ｐ’λｘを求めることと、ディスプレイが動作する電圧Ｖｆｄでナノコラムが光を発する電力Ｐｎｗ、及び、各λｘについて波長λｘの光に対する人間の目の相対的な測光感度Ｒλを特定することと、各サブピクセルにおけるナノコラムの数Ｎλｘを計算することであって、以下の式、すなわち、Ｎλｘ＝Ｐ’λｘ／（Ｐｎｗ×Ｒλｘ）を解くことを含む、計算することと、それぞれがｍ個のサブピクセルを有するピクセルに配置されたナノコラムのパターンを決定することであって、パターンが、各波長λｘについて１ピクセルあたりのＮλｘ個のナノコラムをもたらす、決定することと、ナノコラムを所定のパターンで基板上に成長させることと、を含むことができる。
図９は、ナノコラム・ベースのディスプレイ１５０の概略図を示す。図９に関して上記で論じたように、ディスプレイ１５０は、２次元配列のピクセル１５１を含み得る。各ピクセル１５１は、１つ又は複数のサブピクセル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを含み得る。各サブピクセル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、所望の波長λａ、λｂ、λｃで発光するナノコラム群を含み得る。各群におけるナノコラムの総数は、サブピクセル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが所望の最大光度で発光することができるように選択され得る。所望の全最大光度は、ディスプレイが使用される周囲環境によって決まり得る。その場合、ピクセルの光度は単にＬ／Ｔであり、ここで、Ｌは、ディスプレイの全光度であり、Ｔは、ディスプレイにおけるピクセルの数である。
図９に示すようなディスプレイを設計するには、「所与の値」に基づいて以下に挙げる値を選択すること、「既知の値」に基づいて以下に挙げる特性を求めること、及び、「計算された値」に基づいて以下に挙げる値を計算することを必要とし得る。所与の値及び既知の値を用いてＮλ１，Ｎλ２，．．．Ｎλｍを計算し得、ここで、ｍは、ディスプレイの各ピクセルにおけるサブピクセルの数であり、Ｎλｘは、ディスプレイの各サブピクセルにおいて必要とされる、波長λｘで発光するナノコラムの数である。サブピクセルあたりのナノコラムの数を求めた後、サブピクセルのサイズ及び面積を、サブピクセル間距離（ディスプレイのコントラストに影響を及ぼし得る）に応じて選択することができる。
例示的な計算を以下に提示する。
ナノコラム・ベースのディスプレイ設計の実例
第１の例示的なディスプレイが図１０に示されており、このディスプレイは、ＣＩＥ色域がより大きい必要に応じて緑以外、標準ＲＧＢディスプレイと同様である。上記のように、ディスプレイ１５０の各ピクセル１５１は、赤色サブピクセル１１１ａ、緑色サブピクセル１１１ｂ、及び青色サブピクセル１１１ｃを含む。したがって、ディスプレイ１５０に関して以下の値を選択及び決定し得る。
Ｔ＝１，１２５ピクセル＊２，４３６ピクセル＝２，７４０，５００ピクセル
Ｌ＝５，０００ｎｉｔｓ＝９２ワット
ｍ＝３個のサブピクセル
λ１＝６３５ナノメートル（赤色）
λ２＝５３０ナノメートル（緑色）
λ３＝４５０ナノメートル（青色）
Ｌｐ＝Ｌ／Ｔ＝９２／２，７４０，５００＝３３．５×１０－６Ｗ＝Ｐｐ
ここで、１ピクセルあたりの光度Ｌｐは、ワットで測定された、１ピクセルあたりの電力出力Ｐｐに等しいことを留意されたい。ここで、ナノコラムを、最大動作点で、異なるＶｆｄ及び電流密度での各異なる波長で動作しているものとみなす。すべて、同量の電力を生成する。したがって、１サブピクセルあたりに望まれる電力は、Ｐ’λ１＝Ｐ’λ２＝Ｐ’λ３＝３３．５×１０－６／３＝１１．１×１０－６ワットである。
その場合、電力は、人間の目の錐体の異なる相対的な応答について正規化される必要がある。Ｒ６３５＝０．７５；Ｒ５３０＝１；Ｒ４５０＝０．２６。これらの波長での光に対する目の相対的な測光感度は、上記で論じた、人間の目の特性に基づき得る。
Ｐｐ＝Ｐｎｗλ１＋Ｐｎｗλ２＋Ｐｎｗλ３であるため、測定からＰｎｗλ１＝Ｐｎｗλ２＝Ｐｎｗλ３＝１×１０－６Ｗが得られる。
したがって、各サブピクセルに必要とされる、各波長で発光するナノコラムの数は、以下、すなわち
Ｎ６３５＝（Ｐ’６３５／（Ｐｎｗλ１×Ｒ６３５））＝（１１．１×１０－６／（１×１０－６×０．７５））＝１４．８＝１５
Ｎ５３０＝（Ｐ’５３０／（Ｐｎｗλ２×Ｒ５３０））＝（１１．１×１０－６／（１×１０－６×１））＝１１
Ｎ４５０＝（Ｐ’４５０／（Ｐｎｗλ３×Ｒ４５０））＝（１１．１×１０－６／（１×１０－６×０．２６））＝４２．７＝４３
として計算され得る。
上記の計算に基づいて、ディスプレイ１５０の各ピクセル１５１は、６３５ｎｍ（赤色光）で発光する１５個のナノコラムと、５３０ｎｍ（緑色光）で発光する１１個のナノコラムと、４５０ｎｍ（青色光）で発光する４３個のナノコラムと、を含むように設計される。上記計算を考慮すると、最も大きな変化はＲλｘ値において生じることに留意されたい。それらの値に基づいて、ディスプレイが最も多くの青色ナノコラム及び最も少ない緑色ナノコラムを必要とすることは驚くべきことではない。図１０における拡大ピクセル１５１は、この計算に基づいた、赤色ナノコラム、緑色ナノコラム、及び青色ナノコラムの割合を概ね示す。
この実例に記載のディスプレイは、現在のＲＧＢディスプレイと同様とし得る。しかしながら、記載のディスプレイは、そのような現在のディスプレイよりも優れたいくつかの利点を有し得る。第１に、このディスプレイは、ナノコラムがマイクロＬＥＤよりも低い電圧を必要とするため、より少ない電力を消費し得る。このことは、バッテリ電力に依拠するスマートフォン及びウェアラブル・デバイスなどの携帯機器について特に有利であり得、したがって、このディスプレイはバッテリ寿命を延ばし得る。第２に、このディスプレイは、ナノコラムのすべてを単一の基板上に成長させることができるため、マイクロＬＥＤディスプレイよりも製造が容易であり得る。これによりディスプレイのコストが著しく低減し得る。
ナノコラム・ベースのディスプレイ設計の実例２
第２の例示的なディスプレイが図１１に示されており、このディスプレイはエネルギー効率が向上した５色ディスプレイを呈する。ディスプレイ１５０の各ピクセル１５１は、６３５ｎｍ、５３０ｎｍ、４５０ｎｍ、５７０ｎｍ及び４２０ｎｍの波長をそれぞれ有する、５個のサブピクセル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅを含み得る。第１の３個のサブピクセルが、可視スペクトルの実質的な部分である光をもたらすように組み合わせることができる波長で発光し得る。これらのサブピクセルは、それらが含むナノコラムの数を含む第１の実例と同じである。
残りの２個のサブピクセルは、赤錐体及び青錐体について最大感度の波長に対応する光を発し得る。最大感度では、人間の目において同じ効果をもたらすのにより低い光度が必要とされる。これは、より低い電流、したがってより低い電力消費に言い換えられる。これらの２個のサブピクセルにおけるナノコラムの数は、錐体の感度が高くなるにつれて少なくなる。
アルゴリズムを用いて、これら５個のサブピクセルの強度を選択してピクセルにおける所望の色を達成することができる。いくつかの用途では、それぞれの錐体が低い感度を有する赤色サブピクセル及び青色サブピクセルを必ずしも用いなくてもよい。それらのサブピクセルは、所望の色に必要とされない。より高い感度のサブピクセルが代わりに用いられ得る。
第１の波長及び第３の波長がすべての色について同じピーク輝度をもたらすのに十分なナノコラムを提供することが可能である一方、ディスプレイのより低い強度が受け入れられる室内ディスプレイ又はヘッドマウント・ディスプレイ用途のための完全な（又は略完全な）ＣＩＥ色域ディスプレイを確保することも可能である。昼光、極限には直射日光に晒される場合に動作する必要がある、スマートフォン、タブレット、ウェアラブル・デバイス、及びグラフィック・ディスプレイに関して、より大きいディスプレイの輝度が必要とされる。そのような輝度は、錐体がより感度のある他の選択された波長について確保されることができ、したがって、かかる波長が同じ完全又は略完全なＣＩＥ色域を達成することを可能にしない場合であっても、ディスプレイ電力を節約する。
低輝度レジーム及び高輝度レジームがもたらされる場合、サブピクセルへのドライブ信号電力の分割はレジームに応じて様々であることが理解される。低輝度レジームでは、サブピクセルのすべてを用いて所望のピクセル色をもたらす。高輝度レジームでは、紫色及び深紅色サブピクセルがオフであるか、又は、低減したＣＩＥ色域内における所望の色でのピクセルの輝度に対する寄与を低減するために用いられる。
上記で論じた２つの異なる色レジームを達成するために、ディスプレイは制御システムによって制御され得る。制御システムは、画面が表示される輝度を検知するように構成された環境輝度センサを含み得る。輝度センサが特定の閾値未満の輝度を検知する場合、制御システムは、ディスプレイに５個すべてのサブピクセルを用いるように命令し得る。この命令は、５つすべてのサブピクセルに電圧を供給することによって実行され得る。輝度センサが、閾値を超える輝度を検知し、制御システムが、例えば、これらのサブピクセルにだけ電圧を供給することによって、３つのサブピクセルのみを用いるようにディスプレイに命令し得る。いくつかの実施例では、制御システムは、ユーザが２つの異なるレジーム間で手動により切り換えることが可能であり得るユーザ・インターフェースを含み得る。
当業者は、ここで論じた制御システムが、種々の環境照明において種々のカラー・スキームを提供する様々なサブピクセル構成に関して使用することができることを理解するであろう。このことは、本開示によるディスプレイが、広い色域を表示しつつ非常に効率的であるようにすることを可能にし得る。さらに、そのような制御システムは、任意の数のディスプレイ・レジーム間でディスプレイを切り換えるために使用することができるとともに、任意の環境センサによって決まることができる。
上記で論じたように、図１１に示すディスプレイは、略完全な可視スペクトルに沿って光をもたらしつつ非常に効率的であり得る。６３５ｎｍ、５３０ｎｍ、及び４５０ｎｍで発光するサブピクセル１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、これらの主要な波長によって規定される任意の色を生成するように組み合わせることができ、ＣＩＥ色空間チャートに見ることができる。５７０ｎｍ及び４２０ｎｍそれぞれのサブピクセル１１１ｄ及び１１１ｅは、これらのサブピクセルによって生成されることができる色空間が、それほど大きくはないが、最初の３つからの５３０ｎｍエミッタと組み合わせられた、青錐体及び赤錐体のピーク感度にあり、非常に効率的であるため、電力消費を低減することになる。
５３０ｎｍ、４２０ｎｍ及び５７０ｎｍが錐体活性化の略ピークであるため、それらの波長を発するサブピクセルは、所望の光度を達成するために非常に僅かな電力及び数個のナノコラムを必要とする。このことは、これらの波長で発光するより少ないナノコラムが必要とされる図１１に見ることができる。６３５ｎｍ及び４５０ｎｍは、錐体について活性化ピークとは言えず、それにより、６３５ｎｍ及び４５０ｎｍで発光するサブピクセル１１１ａ、１１１ｃは、より多くの電力及びより多くのナノコラムを必要とし得る。
いくつかの実施例では、ナノコラム・ベースのディスプレイは、そのコントラストを高めるために処理されることができる。コントラストは、画像におけるハイライトとシャドーとの差、及び／又は、ディスプレイによって発せられる光とバックグラウンドの光度との間の差である。コントラストは比として測定され得る。コントラストは、ディスプレイから、また、ナノコラムからナノコラム間の空間へ漏れる任意の光からの、反射された周囲光の量によって限定され得る。
ナノコラム・ベースのディスプレイのコントラストは、以下の方法の１つ又は複数を用いることによって改善され得る。第１に、コントラスト強調カラー・フィルタを発光表面に配置し得る。これらのフィルタは、ディスプレイの色に一致するフィルタ色を選択することによってコントラストを改善し得る。例えば、赤色フィルタ、青色フィルタ及び緑色フィルタを、３つのサブピクセルを用いるＲＧＢディスプレイについて選択することができる。これらのフィルタは、他の色のすべての環境光を排除し、フィルタを介して透過される光の一部を吸収することができる。結果として、背景が暗くなり得、ディスプレイの色がより明るく見え得る。第２に、調光フィルム・コーティング（反射防止フィルムとも呼ばれる）を、ディスプレイの前面に塗布することができる。これらのコーティングは、ナノコラム間の空間から発せられる光子を吸収することによってピクセル間のエリアにおける環境光を吸収することができる。第３に、偏光子を用い得る。環境光は、偏光子を通過した後、変更され、フィルタによって捕捉され得る。フィルタを通過するピクセル光は、環境光によってもたらされる暗い背景に対して明るい光として見え得る。
ナノコラム壁を通って逃げるバックグラウンド発光は、ナノコラム間の空間を光吸収材料で充填することによって低減され得る。これにより、側壁発光が低減するとともにコントラストが増加し得る。かかる方法を用いて、他の箇所で記載される方法に加え、側壁から発せられてナノコラムへ戻る、より高いコントラストにも寄与し得る光子を反射し得る。
上記に記載した製造方法及び結果として得られる特性は、スマートフォン・ディスプレイなどのディスプレイとして機能するナノコラム・デバイスに当てはまり得る。これらはまた、照明又は光源のために製造されるデバイスに当てはまるとともに、デジタル・カメラのビュー・ファインダ及びバーチャル／拡張現実ヘッド・マウント・ディスプレイ用のマイクロ・ディスプレイ又は他の同様の目的に用いられ得る網膜又は表面上に画像を投影するために使用されるデバイスに当てはまり得る。これらのデバイスでは、ナノコラムは、同様に製造され、所望の色域及び強度のために群が生成される。本明細書に記載の計算は、ナノコラム・デバイスの任意のタイプにも適用され得る。
照明デバイスの場合、色温度は、２つ以上の色を用いることによって調整することができる。より多くの波長を用いて、自然の昼光の場合に当てはまるように、より多くの自然さを感じる照明をもたらすことができる。ドライバは、所望であれば、色温度を変化させる異なる波長ナノコラムの各群に制御された可変電流を供給するかあるいは、デバイスは固定波長組成物をもたらすように設計されることができる。光学配置がデバイスから出力される光をブレンドする場合、デバイスに直接見ると異なる色ブロックとして気付かされるが照明の単一の色相を呈するように光学配置によって混合される、大きなブロック又はマクロ・サブピクセル（密に挟み込まれたサブピクセルを提供する代わりに）として配置されるナノコラムの異なる波長群を有することが可能である。

Claims (23)

  1. ナノコラム・デバイスであって、
    窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイであって、前記ＧａＮナノコラムのそれぞれが、
    間に発光領域を有する、負にドープされた第１の端部及び正にドープされた第２の端部と、
    前記ＧａＮナノコラムのそれぞれの全長にわたる側壁表面と接触するとともに前記側壁表面を覆う絶縁材料層であって、前記全長が、前記第１の端部、前記第２の端部及び前記発光領域にわたって延びる、絶縁材料層と、
    前記ナノコラムにおける光を出口窓にガイドするのを助ける、前記絶縁材料層と接触するとともに前記絶縁材料層を覆う反射材料層と、を含み
    前記ＧａＮナノコラムのアレイが、間隙フィラー材料を有し、前記発光領域から発せられた光が前記ナノコラムにおいて前記第１の端部及び前記第２の端部にガイドされる、窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイと、
    前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記第１の端部を覆うとともに前記光のための前記出口窓を提供する、共通の透明接点と、
    前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記第２の端部における金属コーティングであって、前記発光領域から発せされる前記光の低吸収を有するのに十分に薄いものでありつつ、前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記第２の端部に結合するのに十分な厚さを有する、金属コーティングと、
    前記光を前記出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数の前記ＧａＮナノコラムの前記金属コーティングをそれぞれ覆う、反射導電接点のアレイであって、前記金属コーティングが、前記ナノコラムの正にドープされたＧａＮと反射導電接点との間に低減した電気抵抗をもたらす、反射導電接点のアレイと、
    前記反射導電接点のアレイに接続される表面接点を有するドライバ半導体基板と、
    を備える、ナノコラム・デバイス。
  2. 前記共通の透明接点は、前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記第１の端部を覆う、負にドープされたＧａＮ層を含む、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記ＧａＮナノコラムのアレイは、絶縁材料でコーティングされ、前記絶縁材料は、前記ナノコラムにおける光を前記出口窓にガイドするのを助ける反射材料でコーティングされる、請求項１又は２に記載のデバイス。
  4. 前記間隙フィラー材料は光吸収材料を含む、請求項１、２又は３に記載のデバイス。
  5. 前記ＧａＮナノコラムのアレイは、種々の幅寸法を有するとともに種々の色で発光するサブピクセル群を含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載のデバイス。
  6. 前記ナノコラムの前記発光領域は、前記第１の端部及び前記第２の端部に向けられた光を発するように極性ｃ面又は半極性面内にある、請求項１から５までのいずれか一項に記載のデバイス。
  7. 前記金属コーティングは、前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記第２の端部に結合されるように熱処理されたニッケル及び金を含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載のデバイス。
  8. 前記金属コーティングは、約６ｎｍ厚であり、約等量のニッケル及び金を含有する、請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記反射導電接点のアレイは、ピクセル・アレイ内に配置され、前記ドライバ半導体基板は、画像ディスプレイ装置をもたらすように構成される、請求項１から８までのいずれか一項に記載のデバイス。
  10. 前記窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイは、カラー画像ディスプレイ装置を提供するサブピクセル群内に配置される、請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記サブピクセル群は数が４以上である、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 前記反射導電接点のアレイは、種々の色を提供するために前記窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイの群を駆動するように配置され、前記ドライバ半導体基板は、可変色照明装置を提供するように前記群に異なる電圧を供給するように構成される、請求項１から８までのいずれか一項に記載のデバイス。
  13. モノリシック・ナノコラム発光デバイスを製造する方法であって、
    窒化ガリウム（ＧａＮ）ナノコラムのアレイのｐドープされた端部に金属コーティングを塗布することであって、前記金属コーティングは、前記ＧａＮナノコラムの発光領域から発せられる光の低吸収を有するのに十分に薄いものでありつつ、前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記ｐドープされた端部に結合するのに十分な厚さを有し、
    前記ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムを絶縁材料でコーティングすることであって、前記絶縁材料が各ナノコラムの全長にわたる側壁表面を覆い、前記全長は、前記ＧａＮナノコラムのそれぞれの前記ｎドープされた端部、発光領域及び前記ｐドープされた端部にわたって延びる、コーティングすること、並びに
    前記ナノコラムにおける光を出口窓にガイドすることを助けるために、前記ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムの前記絶縁材料を反射材料でコーティングすること、並びに
    前記ナノコラムにおける光を出口窓にガイドすることを助けるために、各ナノコラムの全長にわたる側壁表面を覆う誘電体反射材料で前記ＧａＮナノコラムのアレイの各ナノコラムをコーティングすることとであって、前記全長は、前記ＧａＮナノコラムのそれぞれのｎドープされた端部、発光領域及び前記ｐドープされた端部にわたって延びる、コーティングすること、
    のうちの１つである、塗布することと、
    前記光を前記出口窓に反射させるためにピクセル又はサブピクセルを表す複数の前記ＧａＮナノコラムの前記金属コーティングをそれぞれ覆う反射導電接点のアレイを塗布することであって、前記金属コーティングは、前記ナノコラムの前記ｐドープされたＧａＮと前記反射導電接点との間に低減した電気抵抗をもたらす、塗布することと、
    を含む、方法。
  14. ｎドープされたＧａＮのバッファ層上に前記ＧａＮナノコラムのアレイを成長させることであって、前記ｎドープされたＧａＮが共通の接点及び前記出口窓をもたらすことが可能である、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記反射導電接点のアレイに接続される表面接点を有するドライバ半導体基板を取り付けることをさらに含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
  16. 前記ＧａＮナノコラムのアレイを絶縁材料でコーティングすることと、
    前記ナノコラムにおける光を前記出口窓にガイドすることを助けるために、前記絶縁材料を反射材料でコーティングすることと、
    を含む、請求項１３、１４又は１５に記載の方法。
  17. 前記ＧａＮナノコラムのアレイを誘電体反射材料でコーティングすることを含む、請求項１３、１４又は１５に記載の方法。
  18. 前記ＧａＮナノコラムのアレイ間の間隙スペースを間隙フィラー材料で充填することを含む、請求項１３から１７までのいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記フィラー材料は、光吸収材料である、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記ＧａＮナノコラムのアレイは、種々の幅寸法を有するとともに種々の色で発光するサブピクセル群を含む、請求項１３から１９までのいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記ナノコラムの前記発光領域は、前記第１の端部及び前記第２の端部に向けられた光を発するように極性ｃ面又は半極性面内にある、請求項１３から２０までのいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記金属コーティングは、ニッケル及び金を含み、前記ニッケルが先に堆積され、前記金が前記ニッケル上に堆積され、前記ＧａＮナノコラムのアレイの前記ｐドープされた端部に結合するように熱処理される、請求項１３から２１までのいずれか一項に記載の方法。
  23. 前記金属コーティングは、約６ｎｍ厚であり、約等量のニッケル及び金を含有する、請求項２２に記載の方法。
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