TW201724553A - 具有選擇性載子注入至多個作用層中之發光結構 - Google Patents

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light emitting
confinement structure
quantum
multilayer semiconductor
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葛洛力 哈森Ｓ 艾爾
米凱爾Ｖ 奇辛
亞權 米爾頓 葉
奇理 莊
季嘉 陳
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Abstract

本文中揭示用於半導體發光裝置(LED)之多層光學作用區域，其併入中間載子阻擋層，該等中間載子阻擋層具有針對組合物及摻雜位準之設計參數，該等設計參數經選擇以對橫跨該等作用區域之載子注入分佈提供有效控制以達成所要裝置注入特性。本文中論述之實施例之實例尤其包含：一多量子井可變色LED，其操作於具有RGB色域之全覆蓋之可見光學範圍中；一多量子井可變色LED，其操作於具有超過標準RGB色域之一擴展色域之可見光學範圍中；一多量子井發白光LED，其具有可變色溫；及一多量子井LED，其具有均勻填充之作用層。

Description

具有選擇性載子注入至多個作用層中之發光結構 相關申請案之交叉參考
本申請案主張2015年6月5日申請之美國臨時專利申請案第62/171,536號、2016年1月6日申請之美國臨時專利申請案第62/275,650號及2016年2月3日申請之美國臨時專利申請案第62/290,607號之權利，該等申請案之各者之內容據此以引用的方式併入，宛如在本文中完整闡述。
本發明係關於用於客製化並控制電泵浦固態光發射器(諸如發光二極體及雷射二極體)之多層作用區域中之電荷載子之分佈之構件。
半導體發光二極體結構已成為不同發射波長範圍中之光學光源之間之確立領導者。一習知發光結構通常取決於二極體結構之目標波長發射而由多層的Ⅲ-V族化合物半導體合金(諸如GaAsP、AlGaAs、AlGaInP或AlGaInN)構成。Ⅲ族氮化物AlGaInN合金由於寬範圍之可用帶隙而在可行材料系統間佔據特殊位置。來自AlGaInN之光發射覆蓋整個可見光譜；當前亦針對紫外光及紅外光發射開發基於Ⅲ族氮化物之光源。一光電裝置作用區域之多個作用層設計補償對於基於Ⅲ族氮化物之異質結構而言典型之一高位準光學及電氣損耗及小應變鬆弛長度。
光學作用區域之多量子井(MQW)設計有益於光發射器效能。藉由增加作用量子井(QW)之數目，可在MQW間散佈經注入之載子，因此減少平均QW填充且最小化(i)非輻射歐傑(Auger)再結合、(ii)QW熱去填充及(iii)QW光學躍遷飽和之不利效應。另一方面，電泵浦裝置之MQW作用區域通常經受從二極體結構之對立側注入的電荷載子(電子及電洞兩者)之非均質分佈。因此，作用QW之不均勻且不平衡填充不利地影響裝置效能。在III族氮化物發光二極體(LED)中，過度填充之作用QW往往藉由增加非輻射歐傑再結合損耗或藉由提高來自裝置作用區域的載子洩漏而加重裝置效率下降。在雷射二極體(LD)中，不足泵浦的QW將其等的帶間吸收附加至總光學損耗，因此增大雷射臨限值。
在極性Ⅲ族氮化物異質結構中，此外藉由內建偏振場及相關電位障壁加重非均勻載子注入。此有時使非極性或半極性技術成為極性模板之一有吸引力的替代。然而，非極性模板並未完全解決非均質注入之問題。甚至在無內部偏振場的情況下，具有足夠深的QW及強載子侷限之MQW結構仍顯露寬範圍之注入電流中之不均勻QW填充，使得Ⅲ族氮化物MQW中之載子填充非均勻性係極性及非極性模板兩者之一共同特徵。載子注入非均質性隨作用QW深度增大，且因此在較長波長發射器中變得更顯著，因此抑制在所謂的「發綠光間隙」中之基於Ⅲ族氮化物之光發射器之效率。
數個習知方法採用一MQW作用區域設計嘗試達成具有固定或可變發射色彩之多色發射及/或嘗試增大裝置作用區域之注入效率。例如，美國專利第7,323,721號描述經設計以藉由包含具有不同發射波長之足夠數目之QW而發射白光之一單片多色MQW結構，而美國專利第8,314,429號描述一多接面發光結構，其中每一接面之MQW經設計以取決於構成該結構之多個接面之各者之所設計發射強度而發射組合成 白光發射之一特定波長。美國專利第7,058,105號及第6,434,178號描述藉由併入分別用於MQW作用區域之增大之光學及電氣侷限之構件而達成高載子注入效率之方法。美國專利公開案第2011/0188528號描述一MQW Ⅲ族氮化物發光二極體結構，該結構藉由使用經設計以避免過度載子侷限並獲得均勻MQW載子填充之淺QW而達成高載子注入效率。美國專利公開案第2010/0066921號描述在微桿上磊晶生長之一MQW Ⅲ族氮化物發光結構，其中微桿之磊晶生長平面促進半極性及非極性定向上之較高銦併入，此可導致來自MQW結構的多色發射。因此，前述習知方法使用與其等的特定目的相關之特定專用方法。
100‧‧‧發光二極體結構
110‧‧‧n摻雜層
120‧‧‧p摻雜層
130‧‧‧光學作用區域
131‧‧‧多量子井(MQW)層
132‧‧‧量子障壁層
140‧‧‧電子阻擋層(EBL)
200‧‧‧發光二極體結構
210‧‧‧n摻雜層
220‧‧‧p摻雜層
230‧‧‧光學作用區域
231‧‧‧多量子井(MQW)層
232‧‧‧量子障壁層
233‧‧‧中間載子阻擋層
240‧‧‧電子阻擋層(EBL)
300‧‧‧發光二極體(LED)結構
310‧‧‧N摻雜層
311‧‧‧基板
312‧‧‧成核/緩衝層
313‧‧‧電極
314‧‧‧電極
320‧‧‧P摻雜層
330‧‧‧多層光學作用區域
331‧‧‧量子井光學作用層
332‧‧‧量子障壁層
333‧‧‧中間載子阻擋層
340‧‧‧選用電子阻擋層(EBL)
401‧‧‧線；針對電子之準費米位準
402‧‧‧線；作用區域內之內部電位分佈
403‧‧‧線；針對電洞之準費米位準
404‧‧‧線；針對電子之準費米位準
405‧‧‧線；作用區域內之內部電位分佈
406‧‧‧線；針對電洞之準費米位準
407‧‧‧線；針對電子之準費米位準
408‧‧‧線；作用區域內之內部電位分佈
409‧‧‧線；針對電洞之準費米位準
410‧‧‧線；針對電子之準費米位準
411‧‧‧線；作用區域內之內部電位分佈
412‧‧‧線；針對電洞之準費米位準
501‧‧‧叉號；綠色
502‧‧‧叉號；紅色
503‧‧‧叉號；藍色
505‧‧‧叉號；綠色
506‧‧‧叉號；紅色
507‧‧‧叉號；藍色
509‧‧‧叉號；綠色
510‧‧‧叉號；紅色
511‧‧‧叉號；藍色
513‧‧‧叉號；綠色
514‧‧‧叉號；紅色
515‧‧‧叉號；藍色
601‧‧‧線；藍色
602‧‧‧線；藍色
603‧‧‧線；綠色
604‧‧‧線；綠色
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607‧‧‧線；藍色
608‧‧‧線；藍色
609‧‧‧線；綠色
610‧‧‧線；綠色
611‧‧‧線；紅色
612‧‧‧線；紅色
701‧‧‧叉號；綠色
702‧‧‧叉號；紅色
703‧‧‧叉號；藍色
705‧‧‧叉號；綠色
706‧‧‧叉號；紅色
707‧‧‧叉號；藍色
709‧‧‧叉號；綠色
710‧‧‧叉號；紅色
711‧‧‧叉號；藍色
713‧‧‧叉號；綠色
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717‧‧‧叉號；綠色
718‧‧‧叉號；紅色
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722‧‧‧叉號；紅色
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801‧‧‧叉號；綠色
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803‧‧‧叉號；藍色
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806‧‧‧叉號；紅色
807‧‧‧叉號；藍色
809‧‧‧叉號；綠色
810‧‧‧叉號；紅色
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813‧‧‧叉號；綠色
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815‧‧‧叉號；藍色
901‧‧‧線；藍色
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903‧‧‧線；紅色
904‧‧‧線；藍色
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906‧‧‧線；紅色
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911‧‧‧線；綠色
912‧‧‧線；紅色
1001‧‧‧叉號；綠色
1002‧‧‧叉號；紅色
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1009‧‧‧叉號；綠色
1010‧‧‧叉號；紅色
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1013‧‧‧叉號；綠色
1014‧‧‧叉號；紅色
1015‧‧‧叉號；藍色
1101‧‧‧區域；綠色
1102‧‧‧叉號；綠色
1103‧‧‧叉號；紅色
1104‧‧‧點；紅色
1105‧‧‧叉號；藍色
1106‧‧‧點；藍色
1108‧‧‧區域；藍色
1109‧‧‧區域；綠色
1110‧‧‧叉號；綠色
1111‧‧‧叉號；紅色
1112‧‧‧點；紅色
1113‧‧‧叉號；藍色
1114‧‧‧點；藍色
1116‧‧‧線；藍色
1117‧‧‧線；綠色
1118‧‧‧線；紅色
1119‧‧‧箭頭；綠色
1120‧‧‧箭頭；藍色
1121‧‧‧線；藍色
1122‧‧‧線；綠色
1123‧‧‧線；紅色
1124‧‧‧線；針對電子之準費米位準
1125‧‧‧線；針對電洞之準費米位準
1126‧‧‧線；三角形；綠色
1127‧‧‧方形；綠色
1128‧‧‧叉號；綠色
1129‧‧‧三角形；紅色
1130‧‧‧方形；紅色
1131‧‧‧叉號；紅色
1132‧‧‧方形；藍色
1133‧‧‧三角形；藍色
1134‧‧‧叉號；藍色
1135‧‧‧線；紅色
1136‧‧‧線；紅色
1137‧‧‧線；綠色
1138‧‧‧線；綠色
1139‧‧‧線；藍色
1140‧‧‧線；藍色
1150‧‧‧標繪圖
1155‧‧‧標繪圖
1160‧‧‧標繪圖
1165‧‧‧標繪圖
1200‧‧‧標繪圖
1201‧‧‧線；紫色
1202‧‧‧線；紅色
1220‧‧‧標繪圖
1221‧‧‧線；橙色
1222‧‧‧線；紅色
1301‧‧‧線；區域；綠色
1302‧‧‧線；叉號；綠色
1303‧‧‧線；叉號；紅色
1304‧‧‧線；點；紅色
1305‧‧‧線；叉號；藍色
1306‧‧‧線；點；藍色
1307‧‧‧線；藍色
1308‧‧‧線；紅色
1309‧‧‧線；綠色
1321‧‧‧標繪圖
1322‧‧‧標繪圖
1323‧‧‧標繪圖
1334‧‧‧標繪圖
1335‧‧‧標繪圖
1400‧‧‧CIE色度圖
1410‧‧‧發射色度座標；標繪圖
1500‧‧‧標繪圖
1510‧‧‧標繪圖
1520‧‧‧標繪圖
1601‧‧‧虛線；藍色
1602‧‧‧實線；藍色
1603‧‧‧虛線；淺藍色
1604‧‧‧實線；淺藍色
1605‧‧‧虛線；紫色
1606‧‧‧實線；紫色
1607‧‧‧線；紫色
1608‧‧‧實線；綠色
1609‧‧‧虛線；綠色
1610‧‧‧實線；淺綠色
1611‧‧‧虛線；淺綠色
1612‧‧‧實線；深綠色
1613‧‧‧虛線；深綠色
1614‧‧‧線；深綠色
1615‧‧‧線；淺綠色
1616‧‧‧線；綠色
1620‧‧‧標繪圖
1625‧‧‧標繪圖
1640‧‧‧標繪圖
1645‧‧‧標繪圖
藉由實例而非藉由附圖之圖中之限制圖解說明本文中之實施例，其中相似參考符號指示類似元件。應注意，對本發明之「一」或「一項」實施例之引用並不一定引用相同實施例，且其等意指至少一個。再者，為了簡明且減少圖之總數，一給定圖可用來圖解說明本發明之一個以上實施例之特徵，且一給定實施例可能無需圖中之所有元件。
圖1圖解說明用於說明一習知異質接面多層基於量子侷限之發光二極體結構之一作用區域之一典型能帶量變曲線。
圖2圖解說明用於說明根據本文中揭示之一實施例之一異質接面多層基於量子侷限之發光二極體結構之佈局之一作用區域能帶量變曲線。
圖3圖解說明用於說明根據本文中揭示之一實施例之一異質接面多層基於量子侷限之發光二極體結構之一簡化示意性剖面圖。
圖4A至圖4D圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之三色紅-綠-藍(RGB)LED結構中之作用區域能帶量變曲線模擬之結果。在圖4A及圖4B中，根據無中間載子阻擋層(IBL)之圖1之習知配置設計三色紅 -綠-藍(RGB)LED結構。在圖4C及圖4D中，根據使用IBL之本文中揭示之一實施例設計三色紅-綠-藍(RGB)LED結構。在圖4A至圖4D中，依10A/cm2之一LED注入位準計算能帶量變曲線且出於闡釋性目的減小帶隙垂直標度達1eV。圖4C圖解說明針對出於發射色彩控制之目的設計之具有IBL之圖3之RGB-IBL-LED結構之作用區域能帶量變曲線。
圖5A至圖5D圖解說明根據本文中揭示之實例實施例在針對使用圖4A至圖4D說明之三色RGB LED結構之注入電流之範圍中計算之CIE色度圖之一比較。圖5A至圖5D之結構分別對應於圖4A至圖4D之結構。在圖5A至圖5D中，一圓形標記指示低注入電流之起始點，一方形標記指示高注入電流之終點，且一三角形標記對應於圖4A至圖4D中使用之10A/cm2之標稱注入位準。各種叉號(「X」)指示不同色彩之標準RGB色域原色。圖5C圖解說明在藉由圖3及圖4C圖解說明之RGB-IBL-LED結構中達成之發射色彩控制。
圖6A至圖6B圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之藉由圖3及圖4C圖解說明之RGB-IBL-LED結構中之一色彩控制程序之細節。圖6A圖解說明針對受控RGB發射之CIE色度座標之注入相依性。圖6B圖解說明來自每一QW之相對光學發射功率之注入相依性。為了比較，圖6A至圖6B中之虛線指示針對藉由圖4D圖解說明之RGB(3)-IBL LED之對應相依性。
圖7A至圖7F圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之MQW載子注入及輸出色彩控制對LED結構之IBL元件之設計之靈敏度。圖7A至圖7F之各者圖解說明類似於圖3之300之一RGB-IBL LED之CIE色度圖，其中兩個中間載子阻擋層(IBL1及IBL2)之組合物具有經修改設計參數。
圖8A至圖8D圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之設計RGB- IBL LED結構之程序。圖8A至圖8D之各者圖解說明一RGB-IBL LED之CIE色度圖，諸如圖3之結構300，其具有所設計IBL1及IBL2組合物及第一中間載子阻擋層(IBL1)之變化的摻雜。
圖9A至圖9D圖解說明針對圖8A至圖8D之RGB-IBL LED結構之CIE色度座標之注入相依性。圖9A至圖9D圖解說明針對一RGB-IBL LED之CIE色度座標，諸如圖3之結構300，其具有所設計IBL1及IBL2組合物及IBL1之變化的摻雜。
圖10A至圖10D圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之設計一RGB-IBL LED結構之一程序。圖10A至圖10D圖解說明針對一RGB-IBL LED之CIE圖，諸如圖3之結構300，其具有所設計IBL1及IBL2組合物及IBL2之變化的p摻雜位準。
圖11A圖解說明其中色彩發射藉由包含一額外發碧綠光QW並使用中間阻擋層而經擴展超出標準RGB調色板之一實施例。
圖11B至圖11C係關於其中一額外中間載子阻擋層經併入以減小全色彩控制電流注入範圍之一實施例。圖11B圖解說明一RGB-IBL LED結構之能帶量變曲線，其中一額外中間載子阻擋層經併入以減小全色彩控制電流注入範圍。圖11C圖解說明其中併入一額外中間載子阻擋層之RGB-IBL LED結構之發光色域CIE RGB色度座標之注入相依性。
圖12A圖解說明一經計算可變色發射光譜與從根據本文中揭示之實例實施例磊晶生長之一單片可調諧色彩基於氮化物之三色RGB-IBL LED獲得之實驗電激發光光譜之一比較。
圖12B係用於說明從根據本文中揭示之實例實施例磊晶生長之一單片可調諧色彩基於氮化物之三色RGB-IBL LED獲得之依不同注入電流之輸出發射色彩之一視圖。
圖12C圖解說明從根據本文中揭示之實例實施例磊晶生長之一單片可調諧色彩基於氮化物之三色RGB-IBL LED獲得之依不同注入電流 之發射色域覆蓋。
圖13圖解說明根據本文中揭示之實例實施例生長之一單片可調諧色彩基於氮化物之三色RGB-IBL LED(諸如圖3之結構300)之實驗電激發光光譜且圖解說明與模擬結果之一詳細比較。
圖14圖解說明根據本文中揭示之實例實施例之一CIE圖及針對經設計以依最大LED效率點產生白光發射之一RGB-IBL LED(諸如圖3之結構300)所計算之發射色度座標之注入相依性。
圖15圖解說明根據本文中揭示之實例實施例設計並生長之一單片寬頻發可見光基於氮化物之RGB-IBL LED(諸如圖3之結構300)之實驗電激發光光譜。
圖16圖解說明根據一習知配置設計之單色MQW LED與根據本文中揭示之實例實施例之經設計以使均勻填充之作用層維持在最大LED效率點處之一MQW-IBL LED之經計算發射特性之一比較。
將參考下文論述之細節描述本發明之各種實施例及態樣，且附圖將圖解說明各種實施例。下列描述及圖闡釋本發明且不應解釋為限制的。眾多特定細節經描述以提供對各種實施例之一透徹理解。然而，應瞭解，可在無此等特定細節之情況下實踐本文中揭示之實施例。在特定實例中，並未描述眾所周知或習知細節(諸如電路、結構及技術)以便提供對實例實施例之一簡潔論述。
說明書中對「一項實施例」或「一實施例」之引用意指結合實施例描述之一特定特徵、結構或特性可被包含在本發明之至少一項實施例中。片語「在一項實施例中」出現在說明書中之各種位置並不一定皆指代相同實施例。
本發明者已認知如下期望：提供一種系統方法用於客製化一電荷載子填充分佈並控制半導體發光結構之多層作用區域中之一作用層 填充均勻性，使得變得可在作用層中具有均勻載子填充分佈且增強發射器效率。再者，本發明者已認知，期望特意客製化或直接控制發光結構之作用層間之載子填充分佈，使得變得可建立具有固定預設計發射光譜之單片多色半導體光發射器(例如，一白色發射器)且在許多可行其他應用之中開發具有可變發射色彩之光發射器。如將藉由下列描述及圖圖解說明，本文中揭示一種系統方法，其用於達成至固態發光二極體結構之多個作用層中的選擇性且可控制電荷載子注入。例如，根據本文中之一實施例，多層固態光發射器結構經設計且磊晶生長，併入用於客製化裝置多層作用區域中之電荷載子傳遞且控制用於受益於此能力之眾多應用之作用層載子填充之構件。本文中亦揭示眾多可行應用之實例，例如，顯示器應用及一般照明應用、高效率固態光發射器、具有固定或可變發射波長之多色單片半導體光源及白光半導體發射器。
根據本發明之一項態樣，運用將在組合物及摻雜方面明確設計之中間載子阻擋層(IBL)併入至裝置作用區域中而提供一種用於客製化並控制半導體光發射器結構(諸如發光二極體及雷射二極體)之多層作用區域中之電荷載子填充分佈之系統方法。
根據本發明之另一態樣，藉由(i)平衡光學作用層之間之電子及電洞傳遞中之不對稱性及(ii)平衡至該等光學作用層中之載子捕獲速率而提供多層發光結構之注入特性之目標修改，因此增大整體作用區域注入效率並減小作用區域溢出、載子洩漏及作用區域外之載子再結合損耗。
根據本發明之又另一態樣，一單片半導體發光裝置具備一多層作用區域中之可控制循序載子注入。
根據本文中揭示之一實施例，一單片半導體發光裝置具備一多層作用區域中之均勻填充之作用層。
根據本文中揭示之另一實施例，一單片半導體發光裝置具備具有固定或可變發射波長之可控制且可調諧多色發射。
根據本文中揭示之又另一實施例，一單片半導體發光裝置具備匹配一指定色彩發射色域之可控制且可調諧多色發射。
根據本文中揭示之又另一實施例，一單片半導體發光裝置具備具有一寬色彩發射色域之可控制且可調諧多色發射。
根據本文中揭示之一項實施例，一單片半導體發白光裝置具備可控制發射色溫。
根據本文中揭示之一實施例，一單片半導體發光裝置具備獲得高內部量子效率(EQE)之單色發射。
在下列描述中，Ⅲ族氮化物半導體合金用作一實例材料系統，此係因為Ⅲ族氮化物半導體合金旨在在光發射應用中發揮一顯著影響。另外，多量子井(MQW)作用區域在本發明中用作一實例作用區域設計，此係因為量子井(QW)異質結構一般用作針對光學作用層之量子侷限結構。將瞭解，本文中揭示之實施例亦可應用於併入量子侷限之其他構件(諸如使用量子線及量子點)之其他材料系統及光學作用層。
轉向圖1，圖1圖解說明一習知基於異質接面之發光二極體結構之一作用區域之一典型能帶量變曲線。發光二極體結構100由一n摻雜層110、一光學作用區域130及一p摻雜層120構成。二極體結構100之光學作用區域130往往配有放置在二極體結構100之p側處之光學作用區域130外部之電子阻擋層(EBL)140。在基於量子侷限之LED中，多層光學作用區域130可進一步由藉由量子障壁層132分離之多量子井(MQW)層131構成。作用區域130之光學作用MQW層131中之Ⅲ-V族材料合金組合物將通常經選擇以設立所要作用層帶隙且因此設立發光二極體結構100之光學作用區域130之固定發射波長。經併入二極體結構100中以減少結構p側處之電子洩漏之電子阻擋層(EBL)140將通常 係一重度p摻雜寬帶隙層，其具有的一帶隙大於二極體結構100之作用區域130之障壁層132之帶隙。避免載子洩漏已成為增大光發射器效率之一有價值的機制，且不同種類之EBL結構現在往往為多數Ⅲ族氮化物LED設計之標準特徵。然而，應強調，位於光學作用區域外部之載子阻擋層對作用區域內部之均勻性或載子分佈具有很少影響或不具有影響且因此通常無法用作一設計元素以控制或客製化多層發光裝置中之作用層載子填充。事實上，此一情境歸因於可能特別在長波長發射器之作用區域中引起一過度偏振場而可能不利地影響作用區域內部之載子分佈。
圖2圖解說明用於說明根據一項實施例之一異質接面多層基於量子侷限之發光二極體結構之一作用區域能帶量變曲線。發光二極體結構200由一n摻雜層210、一光學作用區域230及一p摻雜層220構成。在圖2之實施例中，二極體結構200之光學作用區域230包含放置在二極體結構200之p側處之光學作用區域230外部之電子阻擋層(EBL)240。在其他實施例中，不包含EBL 240。多層光學作用區域230可進一步由藉由量子障壁層232分離之多量子井(MQW)層231構成。在圖2之實施例中，具有如藉由其等之各自組合物界定之經選擇帶隙及如受其等之摻雜位準影響之能帶偏移之特別設計之中間載子阻擋層(IBL)233經直接併入至光學作用區域230中，以提供用於控制作用層231之間之載子傳遞並平衡作用層231之載子捕獲速率之構件。圖2之多層發光二極體結構可取決於二極體結構之目標波長發射而由Ⅲ-V族化合物半導體合金(諸如GaAsP、AlGaAs、AlGaInP或AlGaInN)組成。根據圖2之實施例之一二極體結構可應用於具有具併入量子侷限之構件(諸如量子井、量子線或量子點)之光學作用層之極性或半極性或非極性結晶結構之固態發光二極體結構。
圖3圖解說明用於說明根據一項實施例之一單片三色異質接面多 層量子侷限基於GaN之LED裝置結構300之一簡化示意性剖面圖。在圖3之實施例中，藉由金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)形成LED結構300。然而，可藉由任何磊晶沈積技術形成LED結構300。LED結構300包括用於在其上磊晶沈積之一適當基板311(例如，具有形成在其上之一成核/緩衝層312之一GaN、Si、藍寶石(Al2O3)或碳化矽(SiC)晶圓)及作用區域330之一上覆N摻雜層310(例如，包括Si作為N型摻雜物)。多層光學作用區域330(例如，由GaN、InGaN、AlGaN及AlInGaN層之組合構成)上覆N層310。作用通常由AlGaN構成之一選用電子阻擋層(EBL)340上覆作用區域330，且選用電子阻擋層(EBL)340後接著P摻雜層320(例如，包括Mg作為P型摻雜物)。最後，提供電極313及314用於分別電氣接觸N摻雜層310及P摻雜層320。
仍參考圖3，多層(MQW)作用區域330包括堆疊的複數個量子障壁層332，其具有針對藍光發射、綠光發射及紅光發射之各自量子井光學作用層331。障壁層332之各者係約5至20nm厚且主要由GaN構成；光學作用層331係各自約2至3nm厚且由InGaN構成。如圖3中所展示，光學作用層331可包括一發紅光層、一發綠光層及一發藍光層。將瞭解在其他實施例中，可使用其他光學作用層，包含額外發紅光層、發綠光層及發藍光層以及發碧綠光層。
多層作用區域330亦包括特別設計之中間載子阻擋層(IBL)333，該等中間載子阻擋層在此實施例中包含額外量之鋁(A1)及摻雜，以調整其等之各自帶隙及能帶偏移。針對中間阻擋層(IBL)333之設計參數的選擇起作用以選擇性地控制注入載子在各自量子井內部的填充，以便增強其等依一給定載子注入位準之自發光發射。在圖3之實施例中，一中間載子阻擋層(IBL)之帶隙大於相關聯量子井層之帶隙，且中間載子阻擋層(IBL)之厚度經選擇以避免可導致效能劣化之高正向電壓及過度加熱。然而，可選擇其他帶隙及厚度。
如下文將更詳細地說明，可如達成裝置發射色域之全覆蓋所要求，結構中之光學作用層331各自由藉由額外障壁層332分離之多重QW層構成。在此點上，某些下列描述描述對圖3中圖解說明之結構之修改，使得圖3僅為包含在LED結構中之量子障壁層、作用層及中間阻擋層之配置及數目之一個實例。
此外，多量子井(MQW)作用區域用作圖3之實施例中之量子侷限結構。然而，可使用其他量子侷限結構，諸如一量子井或若干量子井、量子線及量子點。在此點上，在涉及量子線及量子點之實施例中，由作為量子侷限結構之量子線或量子點替換一量子障壁層、一作用層及在如圖3中展示之作用層之另一側之量子障壁層之組合。
圖4A及圖4B圖解說明針對根據圖1之實施例設計之多色紅-綠-藍(RGB)LED結構之一作用區域能帶量變曲線模擬之結果(圖4A係關於一未摻雜RGB結構；圖4B係關於一摻雜RGB結構)。圖4C及圖4D圖解說明針對根據圖2之實施例設計之多色紅-綠-藍(RGB)LED結構之一作用區域能帶量變曲線模擬之結果，其中IBL 233已併入至作用區域中(圖4C係關於一RGB-IBL結構；圖4D係關於一RGB(3)-IBL結構)。藉由使用一模擬程式(諸如光學裝置模型化及模擬(ODMS)軟體)獲得圖4A至圖4D中展示之模擬結果。為了結果之清晰，已從此等模擬排除EBL層。
圖4A及圖4C分別圖解說明圖1及圖2之結構之作用區域能帶量變曲線。圖4C圖解說明具有針對一所要發光色域內之可變(或可調諧)色彩控制所選擇之作用層帶隙及IBL組合物及摻雜位準之一RGB-IBL LED裝置結構之模擬作用區域能帶量變曲線。依10A/cm2之近似相同LED注入位準模擬圖4A至圖4D中圖解說明之所有LED能帶量變曲線。圖4A至圖4D中之虛線展示針對電子之準費米(Fermi)位準(線401、404、407、410)及針對電洞之準費米位準(線403、406、409、 412)。圖4A至圖4D中之點劃線(線402、405、408、411)指示作用區域內之內部電位分佈。
表1提供圖4C之經設計RGB-IBL LED結構之作用區域佈局設計參數之實例，其包含結構之層之各者之半導體材料組合物及其等之各自摻雜位準。根據本發明磊晶生長之LED結構之實際發射結果在下文進行論述且確認針對圖4C之一RGB-IBL LED結構之所描述模擬結果。
在藉由圖4D圖解說明之另一實施例中，額外作用層經併入至二極體結構作用區域中以便平衡裝置發光色域。根據此實施例，RGB-IBL裝置作用區域併入經引入以改良RGB發光色域覆蓋之額外發藍光QW。添加更多發藍光QW增加藉由發藍光QW之總載子捕獲，因此擴展RGB-IBL LED裝置之發射特性以包含發光色域之一所要色彩發射原色(在圖4D之實施例中，藍色)。
圖5A至圖5D比較注入電流之範圍內針對圖4A至圖4D之多色LED結構之發光色域(CIE色度圖)。圖5A及圖5C之實施例分別對應於圖4A 及圖4C之實施例。在圖5A至圖5D中，圓形標記指示依最低注入(1μA/cm2之模擬值)之起始點，方形標記對應於最高注入位準(10kA/cm2之模擬值)，三角形標記圖4A至圖4D中使用之注入位準(10A/cm2之模擬值)，且叉號(「X」)指示一標準RGB色域(例如，諸如一HD色域)之原色(藉由叉號502、506、510、514指示紅色；藉由叉號501、505、509、513指示綠色；藉由叉號503、507、511、515指示藍色)。圖5C及圖5D圖解說明實施例，其中RGB-IBL裝置經設計為具有經選擇IBL帶隙及能帶偏移以提供一裝置作用區域內之一可控制載子注入分佈及覆蓋標準RGB色域之可調諧多色發射。特定言之，圖5D展示一實施例，其中圖3之(及亦圖4C之)RGB-IBL LED 300之發射進一步經改良以藉由在相關聯障壁層及第一IBL(本文中被稱為IBL1)之生長之前添加兩個發藍光QW而達成標準RGB色域之全覆蓋。
圖6A至圖6B詳述圖3之(及亦圖4之子標繪圖C之)RGB-IBL LED 300中之色彩控制之程序。在圖6A至圖6B中，線606及611指示紅色；線604及609指示綠色，線602及608指示藍色。圖6A圖解說明發光色域CIE RGB色度座標之注入相依性。圖6B圖解說明每一QW色彩群組中之相對光學發射功率Pi/Σ Pi，其中指數i分別係關於一發紅光QW、發綠光QW或發藍光QW。虛線(線601及607指示藍色；線603及610指示綠色；線605及612指示紅色)展示針對併入圖4D中圖解說明之三個發藍光QW之RGB-IBL(3)發光結構之對應注入相依性。應注意，如達成裝置發射色域之全覆蓋及/或每一QW色彩群組中之一所要Pi/Σ Pi相對光學發射功率所要求，將藉由額外障壁層332分離之額外光學作用QW層331添加在圖3之裝置結構中。相應地，圖3之結構可包含較少或額外光學作用QW層331及對應地用於分離它們的較少或額外障壁層332。
再次參考圖5A至圖5D，圖5A及圖5C(其亦分別對應於圖4A及圖 4C)之發光色域之一比較圖解說明將具有經選擇帶隙及能帶偏移之IBL併入至一半導體發光二極體結構之作用區域中之影響，該半導體發光二極體結構併入具有對應於一多色光發射之帶隙之多個作用層。如從圖5A可見，在無IBL之情況下，具有載子注入位準(速率)之增大之色彩發射軌跡主要限於分別具有對應色彩發射之p側(紅色)及n側(藍色)作用層(QW)，且完全喪失依任何注入位準之色域之綠色原色之主導，因此無法達成標準RGB色域之全覆蓋。如從圖5B可見，根據無IBL之習知方法摻雜半導體發光二極體結構之作用層之間之障壁引起由在低及高注入位準下之發綠光作用層(QW)及發藍光作用層(QW)分別主導光發射，且引起在任何注入位準下喪失色域之紅色原色之主導。因此，不可能達成標準RGB色域之全覆蓋。如從圖5C及圖5D可見，其中IBL經併入至LED結構之作用區域中，具有注入位準(速率)之增大之色彩發射軌跡全覆蓋標準RGB色域。
現將參考圖7A至圖7F描述中間載子阻擋層(IBL)之組合物之選擇。在此點上，圖7A至圖7F圖解說明MQW注入對IBL之設計之靈敏度。圖7A至圖7F展示類似於圖3中之RGB-IBL LED 300之CIE色度圖的一RGB-IBL LED之CIE色度圖，惟IBL之一者之設計參數經修改除外。在圖7A至圖7F中，類似於圖5A至圖5D，圓形標記指示依最低注入之起始點，方形標記對應於最高注入位準，三角形標記注入位準，且叉號(「X」)指示一標準RGB色域之原色(叉號702、706、710、714、718、722指示紅色；叉號701、705、709、713、717、721指示綠色；叉號703、707、711、715、719、723指示藍色)。
圖7A至圖7C圖解說明色彩控制對放置在綠色作用層(QW)與紅色作用層(QW)之間之一中間阻擋層(本文中被稱為IBL2)之選擇之靈敏度，如受其材料組合物影響。在圖7A至圖7C中，無放置在藍色QW與綠色QW之間之一中間阻擋層(本文中被稱為IBL1)，且位於綠色QW與 紅色QW之間之IBL2之帶隙如受使其組合物內之鋁濃度從圖7A之鋁濃度系統增大至圖7C之鋁濃度的影響而增大。因此，圖7A至圖7C展示如受其材料組合物影響的IBL2帶隙如何用來控制紅-綠色彩平衡。
圖7D至圖7F圖解說明如受其材料組合物影響之IBL1之帶隙如何用來依一特定注入位準調整LED輸出綠-藍色彩平衡。在圖7D至圖7F中，IBL2設計係固定的(如在圖3之RGB-IBL LED 300中)，而一未摻雜IBL1中之鋁濃度從子標繪圖D之鋁濃度系統增大至子標繪圖F之鋁濃度。因此，圖7D至圖7F展示如受其材料組合物影響之IBL1帶隙如何可用來依藉由子標繪圖D至F中之三角形標記所指示之10A/cm2之一指定標稱注入控制綠-藍色彩平衡。在下文描述之一實施例中，此特徵將用來將白光LED發射調整至最大效率點。
現將參考圖8A至圖8D及圖9A至圖9D論述放置在藍色作用層與綠色作用層之間之一中間阻擋層(IBL1)之摻雜量之選擇。在此點上，圖8A至圖8D及圖9A至圖9D使用RGB-IBL LED結構設計之程序作為一闡釋性實例來進一步圖解說明MQW注入對IBL之設計之靈敏度。圖8A至圖8D圖解說明針對具有經選擇且固定IBL1及IBL2組合物且具有IBL1摻雜之變化位準之一RGB-IBL LED之CIE圖。圖9A至圖9D呈現發射色度座標之對應注入相依性。在此點上，圖9A至圖9D之實施例分別對應於子標繪圖圖8A至圖8D之實施例。如從圖8A至圖8D可見，IBL1之n或p摻雜將分別影響紅-綠或綠-藍側處之色彩平衡。在根據圖8C之實施例(亦圖5C中之實施例)所設計之一RGB-IBL之結構中，IBL1未摻雜以便達成藉由圖8A至圖8D中之叉號標記所表示之一目標色域之經改良覆蓋，其中叉號802、806、810、814指示紅色，叉號801、805、809、813指示綠色且叉號803、807、811、815指示藍色。在圖8A至圖8D中，類似於圖5A至圖5D中之標繪圖，圓形標記指示依最低注入之起始點，方形標記對應於最高注入位準，三角形標記注入位 準。在圖9中，線903、906、909、912指示紅色；線902、905、908、911指示綠色；且線901、904、907、910指示藍色。
現將參考圖10A至圖10D論述放置在綠色作用層與紅色作用層之間之一中間阻擋層(IBL2)之摻雜量之選擇。圖10A至圖10D使用RGB-IBL LED結構設計之程序作為一闡釋性實例來進一步圖解說明MQW注入對IBL之設計之靈敏度。在此點上，圖10A至圖10D呈現針對具有經選擇且固定IBL1及IBL2組合物且具有IBL2中之p摻雜之變化位準之RGB-IBL LED之CIE圖。如從圖10A至圖10D可見，當IBL2p摻雜依圖10C中展示之位準設定時，建立透過改變載子注入位準(速率)之所要色域之最大擴展覆蓋，低於或超出該位準，色域覆蓋未充分地橫跨所要RGB標準色域擴展。在圖4C中呈現之結構中，IBL2之摻雜位準係Na=1.5×1018cm-3，以便達成藉由圖10A至圖10D中之紅色、綠色及藍色「X」標記表示之一目標色域之最大擴展覆蓋，其中叉號1002、1006、1010、1014指示紅色；叉號1001、1005、1009、1013指示綠色；且叉號1003、1007、1011、1015指示藍色。
現將參考圖11A論述其中額外多色QW被包含在作用區域中之一實施例。如圖11A中圖解說明，藉由包含額外QW且重新設計中間載子阻擋層(IBL)而控制RGB色域。在此實施例中，藉由圖11A(標繪圖1160及1165)中之RG(淺綠)B-IBL行所指示，取代使用具有標稱發射波長525nm之一個發綠光QW，使用包含具有標稱發射波長531nm之一發綠光QW及具有標稱發射波長512nm之一發碧綠光QW的兩個QW，其等藉由一額外中間載子阻擋層(IBL3)分離。圖11A(標繪圖1150及1155)之RGB-IBL行對應於圖3之實施例，其中結構不包含一發碧綠光QW。
表2A比較在無一發碧綠光QW之一LED結構(RGB-IBL LED)中及在根據此實施例之包含一發碧綠光QW之一LED結構(RGAB-IBL LED) 中之所設計IBL。圖11A亦展示藉由對應色彩所指示之每一作用QW之CIE特性。在此點上，線1118及1123、叉號1103及1111及點1104及1112指示紅色；線1117及1122、箭頭1119、叉號1102及1110及區域1101及1109指示綠色；線1116及1121、箭頭1120、叉號1105及1113、點1106及1114及區域1108指示藍色。在圖11A中，RGAB-IBL結構經設計為具有碧綠色QW發射中之強藍色偏移，以使綠光發射範圍擴展超過10A/cm2之標稱注入位準。
現將參考圖11B至圖11C描述載子注入電流之選擇。在藉由圖11B至圖11C圖解說明之實施例中，在發藍光QW正面(n側)中之一額外中間載子阻擋層(IBL0)已併入至本文中揭示之一RGB-IBL LED結構中，且重新設計結構之作用區域之其他中間阻擋層(IBL1及IBL2)及障壁層。相應地，可改良RGB-IBL LED結構之全色彩電流注入範圍。圖11B圖解說明此實施例之RGB-IBL LED結構之能帶量變曲線。類似於圖4，圖11B中之虛線展示針對電子之準費米位準(線1124)及針對電洞之準費米位準(線1125)。圖11B中之點劃線(線1126)指示作用區域內之內部電位分佈。
表2B提供用於根據圖11B至圖11C之實施例之作用區域之設計之實例參數。如表2B中所展示，除在結構之n側處添加IBL0外，重新設計發光佈局結構之作用區域包含：(i)添加IBL0，其具有22%之鋁含量伴隨7×1017cm-3之輕Si摻雜；(ii)增加B-QW與G-QW層之間之障壁分 離，伴隨1×1017cm-3之Mg摻雜；(iii)將IBL1中之鋁含量增加至多23%，伴隨0.3×1017cm-3之輕Mg摻雜；及(iv)增加IBL2中之鋁含量至多25%，伴隨5×1017cm-3之Mg摻雜。
圖11C展示此實施例之RGB-IBL LED結構實例之發光色域CIE RGB色度座標之注入相依性。在圖11C中，三角形1126指示綠色，方形1127指示綠色，且叉號1128指示綠色。再者，三角形1129指示紅色，方形1130指示紅色，且叉號1131指示紅色。方形1132指示藍色，三角形1133指示藍色，且叉號1134指示藍色。圖11C中之虛線(線1136指示紅色；線1138指示綠色；線1140指示藍色)展示具有額外IBL0，但未重新設計剩餘結構之RGB-IBL LED結構之發射色域。圖11C中之實線(線1135指示紅色；線1137指示綠色；線1139指示藍色)展示具有額外IBL0且重新設計剩餘結構之RGB-IBL LED結構之發射色域。如從圖11C之實線可見，具有此實施例之額外IBL0及重新設計之結構之RGB-IBL LED結構全覆蓋在範圍從20mA/cm2至50A/cm2之一注入電流內之標準RGB色域，其實質上比先前實施例之實例更窄。
將中間載子阻擋層(IBL)併入至一多色發光二極體結構之作用區域(諸如圖3中之結構300之作用區域330)中之一額外優點係IBL亦充當中間應變補償層。因而，除平衡橫跨作用區域之載子傳遞外，IBL之併入亦最小化橫跨一多帶隙作用區域(諸如發光二極體結構300之作用區域330)之結晶應變。因此，IBL之併入亦促進至基於氮化物(InGaN)之光學作用層(諸如多色發光二極體結構300之光學作用層331)中的較高銦攝入，因此實現多色發光二極體結構之作用區域內具有範圍從琥珀色(615-nm)至紅色(625-nm)之長波長光發射之光學作用層之磊晶生長。因此，併入中間載子阻擋層(IBL)亦實現一可調諧色彩基於氮化物之發光二極體結構之產生，該結構具有橫跨可見光光譜之電流注入可控制光發射。
圖12A提供從使用一RGB-IBL LED(圖11A之RGB-IBL行)之模擬獲得之可變色發射光譜與從根據圖11A之RG(淺綠色)B-IBL行磊晶生長之三色琥珀色-綠色-藍色-IBL LED獲得之實驗電激發光光譜的一比較。在模擬光譜(標繪圖1200)中，橫跨作用區域之電壓降依20mV步階從3.0V變化至3.7V。在標繪圖1200中，在標繪圖上從線1201移向線1202，線1201指示紫色，接下來數條線指示藍色，接著綠色，接著黃色，接著橙色，接著紅色，接著從紫色開始再次重複直至線1202指示紅色為止。在實驗資料集(標繪圖1220)中，圖例指示總的LED注入電流。在標繪圖1220之圖例中，4mA指示紅色，7mA指示淺綠色，11mA指示深藍色，31mA指示淺藍色，61mA指示紫色，101mA指示深藍色，151mA指示淺藍色，201mA指示深藍色，251mA指示淺藍色，301mA指示紅色，340mA指示深綠色，350mA指示淺綠色，且353mA指示橙色。參考標繪圖1220，線1222對應於指示紅色之4mA，且線1221對應於指示橙色之353mA。從線1222向上移向線 1221，中間線按序對應於標繪圖1220之圖例。相應地，線1222上方之線對應於指示淺綠色之7mA，且向上的下一條線對應於指示深藍色之11mA等等。
圖12B及圖12C提供從根據本發明設計且使用Ⅲ族氮化物磊晶生長之一RGB-IBL LED獲得之可變色發射光譜。為達成圖12B及圖12C中展現之全色域，磊晶生長之RGB-IBL LED結構包含一IBL併入具有相同發射波長之QW中間。明確言之，從圖12B及圖12C中提供之磊晶生長之RGB-IBL LED獲得之可變色發射光譜併入三個發藍光QW及藍-綠IBL1，接著藉由一額外IBL(指定為IBL1.5)分離之兩個發綠光QW，其後接著藉由IBL2而與第二發綠光QW分離之發紅光QW。此磊晶生長之RGB-IBL LED中之三個IBL之組合物及摻雜如上文描述經選擇以達成依圖12B及圖12C中提供之注入範圍之色域覆蓋。在圖12B中，(a)依5mA展現紅光之發射，(b)依20mA展現橙光之發射，(c)依30mA展現黃光之發射，(d)依100mA展現淺綠光之發射，(e)依200mA展現淺藍光之發射，及(f)依350mA展現藍光之發射。在圖12C中，700nm及640nm指示紅色；620nm指示紅色-橙色；600nm指示橙色；590nm指示淺橙色；580nm指示淺橙色；570nm指示黃色；560nm及540nm指示淺綠色；520nm、510nm及500nm指示綠色；496nm指示藍色；480nm指示淺藍色；及480nm及460nm指示深藍色。
圖13進一步指定根據本發明設計並生長之圖3之單片可調諧色彩基於氮化物之三色RGB-IBL LED 300之實驗電激發光光譜，且提供與模擬結果之一更詳細比較。圖13中之標繪圖1321至1323展示在室溫下依一低、中等及高注入電流密度量測之EL光譜。對於約0.5A/cm2之低電流密度(標繪圖1323)而言，光發射主要呈紅色，其具有範圍大致從560nm至650nm之波長且具有大約50nm之一半峰全幅值(FWHM)。對於約10A/cm2之中等電流密度(標繪圖1322)而言，光發 射主要呈綠色，其具有範圍大致從480nm至540nm之波長且具有大約45nm之一半峰全幅值(FWHM)。對於約50A/cm2之電流密度(標繪圖1321)而言，光發射主要呈藍色，其具有範圍大致從420nm至475nm之波長且具有大約35nm之一半峰全幅值(FWHM)。標繪圖1334至1335展示三個電壓偏壓值(以伏特為單位)下之光譜發射功率之對應結果。在標繪圖1334中，線1301指示3.46伏特之一電壓偏壓值，線1302指示3.16伏特之一電壓偏壓值，且線1303指示2.98伏特之一電壓偏壓值。標繪圖1335呈現依一正規化標度之結果。在標繪圖1335中，線1305指示紅色，線1306指示綠色且線1304指示藍色。
在前述實施例中，多重中間載子阻擋層(IBL)經併入RGB-IBL LED之光學作用區域內。如描述，在某些此等實施例中，IBL分離併入具有一特定波長發射之一或多個QW之作用層之區域。亦在某些此等實施例中，一IBL分離併入具有相同波長發射之QW之作用層。又在本發明之其他實施例中，一IBL經併入在RGB-IBL LED之光學作用區域之n側處。在所有此等實施例中，如在前述論述中描述般選擇並設計IBL組合物及摻雜以實現覆蓋一給定載子注入(I、V)範圍內之寬色域之可控制(或可調諧)色彩發射。此等實施例中之IBL組合物及摻雜之一般設計準則包含下列內容之一或多者：(1)IBL之導帶(CB)能級應高於光學作用區域之CB邊緣且從結構之n側朝向結構之p側遞增；及(2)IBL之價帶(VB)能級應低於光學作用區域之VB邊緣且從結構之n側朝向結構之p側遞減。
根據上文揭示之實施例，藉由選擇半導體發光結構之下列設計參數之一或多者而設計多色半導體發光結構(例如，一可調諧色彩之RGB-IBL LED裝置)：(1)經選擇以達成一所要色彩發射色域內之光發射之作用層QW之帶隙；(2)具有對應於依一給定波長之光發射之一帶隙之作用層QW之數目，其經選擇以包含進入依針對每一色彩之一所 要相對光學發射功率之裝置發光色域之一所要色彩發射原色；(3)具有最佳化材料組合物及摻雜位準之多重IBL，其等經併入至發光裝置之作用區域中，以便實現所要色域內之裝置光發射色彩之載子注入速率控制；(4)具有最佳化材料組合物及摻雜位準之多重IBL，其等經併入至發光裝置之作用區域中，以便實現一給定載子注入範圍內之裝置光發射色彩之控制；及(5)對應於依一給定波長之光發射之多重作用層QW之帶隙，其經選擇以提供一寬色域色彩發射。
現將參考圖14至圖16描述數個實例，其中半導體發光結構之設計參數經選擇以提供各種應用。圖14圖解說明其中經併入一多色LED結構內之IBL之設計參數經選擇以建立具有可變色溫之一單片白色LED之一實施例。圖14展示CIE色度圖1400及發射色度座標1410之注入相依性。在圖14之實施例中，一RGB-IBL-白色LED結構之設計參數已經選擇以在由RGB-IBL結構作用層QW之發射色彩原色形成之色域之白點(藉由圖14之標繪圖1400中之叉號1303所標記)處依50A/cm2之一注入電流密度(藉由圖14之1400中之倒三角形所指示)依最大LED效率點產生白光發射。在圖14之標繪圖1400中，叉號1303及點1304指示紅色；叉號1302及區域1301指示綠色；叉號1305及點1306指示藍色。在圖14之標繪圖1410中，線1308指示紅色；線1309指示綠色且線1307指示藍色。
表3比較針對發白光RGB-IBL-白色LED所設計之IBL與針對圖3(亦被呈現在圖4C中及圖5C中)之RGB-IBL LED 300所設計之IBL。
圖14之標繪圖1410展示發白光RGB-IBL-白色LED之發射色度座標之注入相依性。在此實施例中，RGB-IBL-白色LED結構之設計參數經選擇以依50A/cm2之標稱注入電流密度建立一給定色溫(例如6500°K)之白光發射。如圖14之標繪圖1410中所展示，當注入電流增加至高於50A/cm2之標稱注入電流密度之一值時，發射之白光將包含來自藍色作用層QW之較高位準之相對強度貢獻，因此引起發射之白光色溫相應地增加至高於依50A/cm2之標稱注入電流密度發射之白光之溫度之一值T+。類似地，如圖14之標繪圖1410中所展示，當注入電流減少至低於50A/cm2之標稱注入電流密度之一值時，發射之白光將包含來自綠色作用層QW及紅色作用層QW之較高位準之相對強度貢獻，因此引起發射之白光色溫相應地減少至低於依50A/cm2之標稱注入電流發射之白光之溫度之一值T-。RGB-IBL-白色LED結構設計參數經選擇以建立高於及低於標稱注入電流密度之一注入電流控制範圍，其對應於圍繞一標稱發射白光溫度之一所要白光發射溫度範圍。例如，當依50A/cm2之標稱注入電流密度選擇6500°K之一白光溫度時，RGB-IBL-白色LED結構設計參數亦可經設計以允許範圍從2500°K至8000°K之白色色溫範圍，例如，當裝置注入電流在分別低於及高於50A/cm2之標稱注入電流密度之一給定範圍內減小或增大時。
如從圖14可見，針對IBL選擇設計參數，IBL經併入一多色LED結構之作用區域內以建立一單片白色LED裝置，其所發射白光溫度藉由改變其電流注入位準而改變。在一般照明之應用領域中，可控制(或可調整)白色發射溫度單片白色LED裝置可用來建立具有一可控制(可調整)白色發射溫度之一固態燈泡。在顯示器之應用領域中，可控制(可調整)白色發射溫度單片發白光LED裝置可用來建立用於液晶顯示器(LCD)或要求背照光之任何其他類型之顯示器(諸如量子點顯示器)之一固態背光單元(BLU)。使用此一單片白色LED作為顯示器之一 背光之一個優點係其亮度以及其白色色溫可經調整以在不犧牲顯示影像之動態範圍之情況下匹配顯示器要求。在該點上，在習知白色背光照明顯示器中，背光色溫及往往其強度通常係固定的且藉由調整顯示影像像素RGB值而調整顯示影像亮度或色調；一種通常導致顯示影像動態範圍之一減小之方法，此係因為一部分用來調整顯示影像亮度及色調而非用來表示每一像素色彩之灰度值。使用可控制(可調整)白色發射溫度單片發白光LED裝置之一顯示器BLU可用來減輕此等限制且因此實現高動態範圍(HDR)顯示器。
圖15展示根據本發明磊晶生長並設計之圖3之單片寬頻發可見光基於氮化物之RGB-IBL LED 300之電激發光光譜。圖15之標繪圖1500圖解說明依約1A/cm2之一驅動電流密度之一EL光譜。光發射主要呈紅色能帶，其具有大致從560nm至680nm之波長範圍及70nm之一半峰全幅值(FWHM)。圖15之標繪圖1510圖解說明依約10A/cm2之一中等驅動電流密度之EL光譜。光發射主要呈一組合紅色及綠色能帶，其具有大致從500nm至690nm之波長範圍及120nm之一半峰全幅值(FWHM)。圖15之標繪圖1520圖解說明依約40A/cm2之注入電流密度之EL光譜。光依一組合紅色、綠色及藍色能帶發射，其具有大致從440nm橫越至700nm之波長及190nm之一半峰全幅值(FWHM)。如從圖15可見，針對IBL選擇設計參數，IBL經併入一多色LED結構之作用區域內以建立具有一寬頻白光發射之一單片白色LED裝置。
圖16圖解說明一實施例，其中經併入一單色LED結構內之IBL之設計參數經選擇以建立LED結構內之均勻填充作用層，因此減輕將不利地影響裝置效能(例如，在效率方面)之作用QW之不均勻且不平衡填充。圖16比較圖1之習知結構之單色發藍光(標繪圖1620及1640)及發綠光(標繪圖1625及1645)MQW LED(標繪圖1620及1625)與根據本發明設計以維持MQW作用區域中之均勻填充作用層(標繪圖1640及 1645)之MQW-IBL LED。在每一列中，圖16之子標繪圖呈現根據圖1之習知結構之3-QW LED(標繪圖1620及1625)及具有IBL之3-QW IBL-LED中之作用QW間之光學發射功率(Pi/Σ Pi)之分佈，該等IBL經選擇用於對應於依50A/cm2之注入電流密度達成之最大LED內部量子效率(IQE)之LED注入位準下之均勻發射分佈(標繪圖1640及1645)。標繪圖1620及1625中之習知LED結構(諸如圖1)包含無EBL之結構(實線1602指示藍色，實線1604指示淺藍色，實線1606指示紫色，實線1608指示綠色，實線1610指示淺綠色，及實線1612指示深綠色)及具有p側EBL之結構(虛線1601指示藍色，虛線1603指示淺藍色，虛線1605指示紫色，虛線1609指示綠色，虛線1611指示淺綠色，虛線1613指示深綠色)，因此圖解說明EBL對MQW發射均勻性之不顯著影響，惟依其中整個LED內部量子效率(IQE)已劣化之最高注入位準除外。正相反，MQW-IBL LED顯露遠超過50A/cm2之初始最佳化注入電流之一寬範圍之實際重要的注入電流(藉由標繪圖1640及1645中之圓形所標記)中之相對均勻發射分佈。在圖16之標繪圖1640及1645中，線1605指示藍色，線1606指示淺藍色，線1607指示紫色，線1614指示深綠色，線1615指示淺綠色且線1616指示綠色。
表4比較習知LED(無IBL)與依50A/cm2之標稱注入位準之IBL-LED之發射均勻性特性且展示根據此實施例選擇之IBL之鋁組合物及p摻雜受體濃度。
如從圖16可見，LED結構可經設計以藉由經併入一單色LED結構之作用區域內之IBL之經選擇設計參數而具有依一低至中間範圍內之一所要電流注入密度之一IQE。圖16之實施例在其中微小規模固態光發射器之一陣列用作一顯示器(本文中被稱為發射微小規模固態光顯示器)之發射像素之應用中特別有利。在此一應用中，裝置之整個發射孔徑亦為其光學孔徑，且該裝置可因此依一相當高光學耦合效率操作且因此通常將不要求使用高電流注入密度。相比之下，典型固態光應用通常要求使用相當高電流注入密度。與通常操作一高電流注入方案之典型固態光應用相比較，發射微小規模固態光顯示器將通常操作低電流注入方案。對於此低注入方案而言，固態微小規模發射器IQE可依其等之典型電流注入操作點設計以便保持並進一步增大其等的操作效率。在另一實施例中，圖16之實施例用來設計發射微小規模固態光顯示器之IQE以便增大其等的操作效率。
根據本文中描述之方法及結構，且特別地藉由在一多色固態發光結構之作用區域內併入IBL，可提供一可變色發射(或可調諧)固態發光材料及可變色發射(或可調諧)固態發光裝置。如上文所論述，存在用於此等可變色發射(或可調諧)固態發光材料及裝置之眾多應用領域，其包含一般照明及顯示器應用。作為一個實例，本文中揭示之可變色發射(或可調諧)固態發光材料及裝置係在美國專利第7,623,560號、第7,767,479號、第7,829,902號、第8,049,231號及第8,098,265號及美國專利公開案第2010/0066921號及第2012/0033113號中描述之發射微小規模固態光顯示器之領域中，該等專利之各者之內容以引用的方式併入本文中。在此類型之顯示器中，藉由將多層狀態發光結構堆疊在一控制基於矽之互補金屬氧化物半導體(CMOS)結構之上以形成一個別可定址(依色彩及強度)發射微像素陣列裝置，而實現微小規模像素多色發射。此發射微小規模固態光顯示器技術之一個優點係其可 用來實現幾微米範圍中之小像素尺寸。此一發射微小規模固態光顯示器之像素節距可製作得多小取決於控制每一微小規模像素之發射色彩及強度所需的電接觸件之數目。在當三個原色用來建立顯示器色域之情況下，除用於整個微像素陣列之一個常見接觸件外，每一發射微小規模像素要求至少三個接觸件，其基於當前半導體設備能力而允許實現近似10微米之範圍中之一微小規模像素節距。當在此類型之發射微小規模固態光顯示器之內容背景中使用本文中揭示之可變色發射(或可調諧)固態發光材料時，除用於整個微像素陣列之一個常見接觸件外，每一微小規模像素僅需要一個接觸件來控制每一像素光發射。每一微像素之所需接觸件數目之此減小使得可有利地實現5微米或更小之一發射多色微小規模像素節距。另外，當在此類型之發射微小規模固態光顯示器之內容背景中使用本文中揭示之可變色發射(或可調諧)固態發光材料時，僅需要一個固態發光層來實現一多色發射微小規模像素顯示器(而非典型的三個層)，其繼而將實質上減少顯示器之製造成本。
雖然已參考數個實施例描述本發明，但此項技術之一般技術者將認知，本發明並不限於描述之實施例，而可結合隨附申請專利範圍之精神及範疇內之修改及變更來實踐。因此，描述應被視為闡釋性而非限制性的。存在對上文描述之本發明之不同態樣之眾多其他變動，為了簡明而尚未詳細提供該等變動。相應地，其他實施例在本發明之範疇內，該等實施例之態樣在申請專利範圍中定義。
300‧‧‧發光二極體(LED)結構
310‧‧‧N摻雜層
311‧‧‧基板
312‧‧‧成核/緩衝層
313‧‧‧電極
314‧‧‧電極
320‧‧‧P摻雜層
330‧‧‧多層光學作用區域
331‧‧‧量子井光學作用層
332‧‧‧量子障壁層
333‧‧‧中間載子阻擋層
340‧‧‧選用電子阻擋層(EBL)

Claims (43)

  1. 一種多層半導體發光結構，其包括：一第一量子侷限結構；一第一中間載子阻擋層，其具有一第一預定帶隙及能帶偏移；及一第二量子侷限結構，其中該第一中間載子阻擋層被安置在該第一量子侷限結構與該第二量子侷限結構之間。
  2. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子線。
  3. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子點。
  4. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子井。
  5. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括多個量子井。
  6. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中該多層半導體發光結構係包括一LED或一雷射二極體之一二極體結構。
  7. 如請求項1之多層半導體發光結構，其中藉由該第一中間載子阻擋層之組合物及摻雜位準界定該第一中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  8. 如請求項1之多層半導體發光結構，其進一步包括：一第二中間載子阻擋層，其具有一第二預定帶隙及能帶偏移；及一第三量子侷限結構，其中該第二中間載子阻擋層被安置在 該第二量子侷限結構與該第三量子侷限結構之間；藉由該第二中間載子阻擋層之組合物及摻雜位準界定該第二中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  9. 如請求項8之多層半導體發光結構，其中該第一預定帶隙、該第二預定帶隙及該等能帶偏移經選擇用於：(i)平衡光學作用層之間之電子及電洞傳遞之不對稱性；及(ii)平衡進入該等光學作用層中之載子捕獲速率，因此增大整體作用區域注入效率並減少作用區域溢出、載子洩漏及該作用區域外之載子再結合損耗。
  10. 一種多層半導體多色發光結構，其包括：一第一量子侷限結構，其用於發射一第一波長之光；一第一中間載子阻擋層，其具有一第一預定帶隙及能帶偏移；及一第二量子侷限結構，其用於發射一第二波長之光，其中該第一中間載子阻擋層被安置在該第一量子侷限結構與該第二量子侷限結構之間。
  11. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該第一中間載子阻擋層具有經選擇以提供可變地回應於該多層半導體多色發光結構中之電流密度之該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之相對光發射之一第一預定帶隙及能帶偏移。
  12. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子線。
  13. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子點。
  14. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子井。
  15. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限 結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括多個量子井。
  16. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中該多層半導體多色發光結構係包括一LED或一雷射二極體用於發射多色光之一二極體結構。
  17. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其中藉由該第一中間載子阻擋層之組合物及摻雜位準界定該第一中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  18. 如請求項10之多層半導體多色發光結構，其進一步包括：一第二中間載子阻擋層，其具有一第二預定帶隙及能帶偏移；及一第三量子侷限結構，其用於發射一第三波長之光，其中該第二中間載子阻擋層被安置在該第二量子侷限結構與該第三量子侷限結構之間；藉由該第二中間載子阻擋層之組合物及摻雜位準界定該第二中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  19. 如請求項18之多層半導體多色發光結構，其中藉由該第二中間載子阻擋層之該組合物及該摻雜位準界定之該第二中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移經選擇以提供可變地回應於該多層半導體多色發光結構中之電流密度之該第一量子井結構、該第二量子井結構及該第三量子井結構之相對光發射。
  20. 如請求項18之多層半導體多色發光結構，其中該第二中間載子阻擋層之一帶隙及能帶偏移大於該第一中間載子阻擋層之該帶隙及該等能帶偏移。
  21. 如請求項20之多層半導體多色發光結構，其中該三個量子侷限結構經選擇以引起該多層半導體多色發光結構回應於該多層半導體多色發光結構中之電流密度而主要發射紅色、綠色及藍色。
  22. 一種多層半導體發光結構，其包括：一第一量子侷限結構，其用於發射一第一波長之光；一第一中間載子阻擋層，其具有一第一預定帶隙及能帶偏移；一第二量子侷限結構，其用於發射一第二波長之光，其中該第一中間載子阻擋層被安置在該第一量子侷限結構與該第二量子侷限結構之間；一第二中間載子阻擋層，其具有一第二預定帶隙及能帶偏移；及一第三量子侷限結構，其用於發射一第三波長之光，其中該第二中間載子阻擋層被安置在該第二量子侷限結構與該第三量子侷限結構之間；該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構分別發射紅色、綠色及藍色；該第一中間載子阻擋層及該第二中間載子阻擋層具有預定帶隙及能帶偏移，該等預定帶隙及能帶偏移經選擇以引起該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構發射具有依一預定注入電流密度之近似相等CIE之原色，藉此該多層半導體發光結構發射白光。
  23. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該等原色係紅色、綠色及藍色。
  24. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子線。
  25. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子點。
  26. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構 及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子井。
  27. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構之至少一者包括多個量子井。
  28. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構發射具有依近似50A/cm2之一注入電流密度之近似相等CIE之各自色彩。
  29. 如請求項22之多層半導體發光結構，其中該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構發射具有針對一特定注入電流密度之近似相等CIE發射之紅光、綠光及藍光，且當該特定注入電流密度增加時，該藍光發射增加且該綠光發射減少。
  30. 如請求項29之多層半導體發光結構，其中可藉由控制該注入電流密度而控制該發白光裝置之一發射色溫。
  31. 如請求項29之多層半導體發光結構，其中當該紅光發射亦隨增加注入電流密度而減少時，該第一量子侷限結構、該第二量子侷限結構及該第三量子侷限結構發射具有近似相等CIE發射之該等各自色彩。
  32. 如請求項31之多層半導體發光結構，其中可藉由控制該注入電流密度而控制發射白光之該多層半導體發光結構之該發射色溫。
  33. 一種多層半導體多色發光結構，其包括：一第一量子侷限結構，其用於發射一第一波長之光；一第一中間載子阻擋層，其具有一第一預定帶隙及能帶偏移；及一第二量子侷限結構，其用於發射一第二波長之光， 其中該第一中間載子阻擋層被安置在該第一量子侷限結構與該第二量子侷限結構之間；該第一中間層經選擇以提供注入電流密度之一範圍內之一發射分佈，其比在無該第一中間載子阻擋層之情況下在注入電流密度之該相同範圍內之一發射分佈更均勻。
  34. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子線。
  35. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子點。
  36. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括一量子井。
  37. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中該第一量子侷限結構及該第二量子侷限結構之至少一者包括多個量子井。
  38. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中藉由該第一中間載子阻擋層之組合物及摻雜位準界定該第一中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  39. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其中該多層半導體多色發光結構係包括一LED或一雷射二極體用於發射多色光之一二極體結構。
  40. 如請求項33之多層半導體多色發光結構，其進一步包括：一第二中間載子阻擋層，其具有一第二預定帶隙及能帶偏移；及一第三量子侷限結構，其用於發射一第三波長之光，其中該第二中間載子阻擋層被安置在該第二量子侷限結構與該第三量子侷限結構之間；藉由該第二中間載子阻擋層之一組合物及一摻雜位準界定該 第二中間載子阻擋層之該預定帶隙及該等能帶偏移。
  41. 如請求項40之多層半導體多色發光結構，其中該第二中間載子阻擋層之一帶隙及能帶偏移大於該第一中間載子阻擋層之該帶隙及該等能帶偏移。
  42. 如請求項41之多層半導體多色發光結構，其中該第一中間載子阻擋層及該第二中間載子阻擋層之該組合物及該摻雜經選擇以引起該多層半導體多色發光結構回應於該多層半導體多色發光結構中之一電流密度而主要發射紅色、綠色及藍色。
  43. 如請求項40之多層半導體多色發光結構，其中該第一中間阻擋層及該第二中間阻擋層之該等預定帶隙及能帶偏移經選擇以提供注入電流密度之一範圍內之一發射分佈，其比在無該第一中間載子阻擋層及該第二中間載子阻擋層之情況下在注入電流密度之該相同範圍內之一發射分佈更均勻。
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