特表 2025-502321 フォトニック材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-24

(54)【発明の名称】フォトニック材料

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/812 20250101AFI20250117BHJP

   H10H 20/825 20250101ALI20250117BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20250117BHJP

   H10F 10/144 20250101ALI20250117BHJP

   H10F 10/19 20250101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

H01L33/06

H01L33/32

H01S5/343 610

H01L31/06 320

H01L31/06 600

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024542170

(86)(22)【出願日】2022-11-10

(85)【翻訳文提出日】2024-08-08

(86)【国際出願番号】 US2022049500

(87)【国際公開番号】W WO2023136880

(87)【国際公開日】2023-07-20

(31)【優先権主張番号】63/299,294

(32)【優先日】2022-01-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516046846

【氏名又は名称】オハイオ ステート イノベーション ファウンデーション

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】チャオ ホンピン

(72)【発明者】

【氏名】チャン カイティエン

【テーマコード（参考）】

5F173

5F241

5F251

【Ｆターム（参考）】

5F173AF03

5F173AF15

5F173AH22

5F173AR23

5F241AA03

5F241CA05

5F241CA40

5F241CA53

5F241CA57

5F241CA65

5F251AA07

5F251AA08

(57)【要約】

本明細書に開示されるのは、フォトニック材料である。フォトニック材料は、第１の層、第２の層、及び第３の層を含み、第２の層が、第１の層と第３の層との間に挟まれるように、第２の層は、第１の層と第３の層との間に配置され、かつそれらに接触している。いくつかの例では、第１の層は、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮを含み、式中、ｙは、０～０．８である。いくつかの例では、第２の層は、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_ｄＮ_２を含み、式中、ｘは、０超～１であり、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは、各々独立して、０～１であり、ただし、ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つは、０超である。いくつかの例では、第３の層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮを含み、式中、ｚは、０～０．８である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトニック材料であって、
Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮを含む第１の層であって、式中、ｙが、０～０．８である、第１の層と、
（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_ｄＮ_２を含む第２の層であって、式中、
ｘが、０超～１であり、
ａ、ｂ、ｃ、及びｄが、各々独立して、０～１であり、
ただし、ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つが、０超である、第２の層と、
Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮを含む第３の層であって、式中、ｚが、０～０．８である、第３の層と、を含み、
前記第２の層が、前記第１の層と前記第３の層との間に挟まれるように、前記第２の層が、前記第１の層と前記第３の層との間に配置され、かつそれらに接触している、フォトニック材料。

【請求項2】

ｙ及び／若しくはｚが、０．１～０．５、０．１～０．３であるか、又はｙ及び／若しくはｚが、０．２である、請求項１に記載のフォトニック材料。

【請求項3】

前記第１の層が、０．１ｎｍ～５ｎｍの第１の平均厚さを有する、請求項１又は２に記載のフォトニック材料。

【請求項4】

前記第１の層が、１ｎｍ～３ｎｍの第１の平均厚さを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項5】

前記第２の層が、０．１ｎｍ～５ｎｍの第２の平均厚さを有する、請求項１～４のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項6】

前記第２の層が、０．５ｎｍ～０．７ｎｍの第２の平均厚さを有する、請求項１～５のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項7】

前記第２の層が、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項8】

ｄが、１－ｘに等しく、その結果、前記第２の層が、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項9】

前記第２の層が、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のホニック（ｐｈｏｎｉｃ）材料。

【請求項10】

第３の層が、０．１ｎｍ～５ｎｍの第３の平均厚さを有する、請求項１～９のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項11】

前記第３の層が、１～３ｎｍの第３の平均厚さを有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項12】

前記フォトニック材料が、０．５ｎｍ～１０ｎｍの平均複合材厚さを有し、前記平均複合材厚さが、前記第１の平均厚さ、前記第２の平均厚さ、及び前記第３の平均厚さの合計である、請求項１～１１のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項13】

前記平均複合材厚さが、１ｎｍ～５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、又は４ｎｍ～５ｎｍである、請求項１２に記載のフォトニック材料。

【請求項14】

前記第３の層が、前記第２の層と第４の層との間に挟まれるように、前記第３の層上に配置された前記第４の層を更に含み、前記第４の層が、Ａｌ_ｗＧａ_１－ｗＮを含み、ｗが、０～１である、請求項１～１３のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項15】

ｗが、０．１～０．５又は０．１～０．３である、請求項１４に記載のフォトニック材料。

【請求項16】

ｗが、０．２である、請求項１４又は１５に記載のフォトニック材料。

【請求項17】

前記第４の層が、０．５ｎｍ～５ｎｍの第４の平均厚さを有する、請求項１４～１６のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項18】

前記第４の層が、０．５ｎｍ～４ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、又は１．４ｎｍ～１．６ｎｍの第４の平均厚さを有する、請求項１４～１７のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項19】

前記第４の層が、第５の層と前記第３の層との間に挟まれるように、前記第４の層上に配置された前記第５の層を更に含み、前記第５の層が、ＧａＮを含む、請求項１４～１８のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項20】

前記第５の層が、１ｎｍ～１５ｎｍの第５の平均厚さを有する、請求項１９に記載のフォトニック材料。

【請求項21】

前記第１の層が、第６の層と前記第２の層との間に挟まれるように、前記第１の層上に配置された前記第６の層を更に含み、前記第６の層が、ＧａＮを含む、請求項１～２０のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項22】

前記第６の層が、１ｎｍ～１５ｎｍの第６の平均厚さを有する、請求項２１に記載のフォトニック材料。

【請求項23】

前記フォトニック材料が、第１の閉じ込められた状態を有する電子波動関数、及び第１の閉じ込められた状態を有する孔波動関数を有し、前記フォトニック材料における前記第１の閉じ込められた状態での前記電子波動関数及び前記孔波動関数の重複が、１％以上、５％以上、１５％以上、又は２０％以上である、請求項１～２２のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項24】

前記フォトニック材料が、５００ｎｍ以上、５５０ｎｍ以上、６００ｎｍ以上、６５０ｎｍ以上、７００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以上、又は１２００ｎｍ以上のピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有する、請求項１～２３のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項25】

前記フォトニック材料が、５８０ｎｍ～６００ｎｍのピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有する、請求項１～２４のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項26】

前記フォトニック材料が、前記第２の層において強い孔閉じ込めを呈する、請求項１～２５のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項27】

前記フォトニック材料が、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３以上の単位体積当たりの自発的発光再結合速度を有する、請求項１～２６のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項28】

前記フォトニック材料の前記自発的発光スペクトルが、５００ｎｍ以上のピーク波長を呈し、前記ピーク波長が、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上の強度を有する、請求項１～２７のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項29】

前記ホニック材料が、量子井戸構造を含む、請求項１～２８のいずれか一項に記載のフォトニック材料。

【請求項30】

請求項１～２９のいずれか一項に記載のフォトニック材料を含む量子井戸構造を含む、発光ダイオード（ＬＥＤ）。

【請求項31】

請求項１～２９のいずれか一項に記載のフォトニック材料の使用方法であって、前記使用方法が、前記フォトニック材料を、半導体レーザ、光起電デバイス、太陽電池、光検出器などにおいて使用することを含む、使用方法。

【請求項32】

前記方法が、ＭＯＣＶＤを含む、請求項１～２９のいずれか一項に記載のフォトニック材料の、作製方法。

【請求項33】

前記方法が、パルスＭＯＣＶＤを含む、請求項３２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２２年１月１３日に出願された、米国仮特許出願第６３／２９９，２９４号に対する優先権の利益を主張し、これは、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

【0002】

政府支援に関する記述
本発明は、米国エネルギー省によって授与された、認可／契約番号ＤＥ－ＥＥ０００８７１８号の下、政府支援を受けてなされたものである。政府は、本発明においてある特定の権利を有する。

【背景技術】

【0003】

広範な研究の結果、ＩｎＧａＮベースの青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の１００％に近い外部量子効率（ＥＱＥ）がもたらされたが、より長い可視波長のＩｎＧａＮベースの発光器の効率は、比較的低いままである。本明細書で考察される組成物、方法、及びシステムは、これら及び他のニーズに取り組む。

【発明の概要】

【0004】

開示される組成物、方法、及びシステムの目的によれば、本明細書において具体化され、広く記載されるように、開示される主題は、フォトニック材料及びその使用方法に関する。

【0005】

例えば、量子井戸工学を使用する高効率ＬＥＤ設計が、本明細書に開示される。

【0006】

フォトニック材料が本明細書に開示される。フォトニック材料は、第１の層、第２の層、及び第３の層を含み、第２の層が、第１の層と第３の層との間に挟まれるように、第２の層は、第１の層と第３の層との間に配置され、かつそれらに接触している。いくつかの例では、第１の層は、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮを含み、式中、ｙは、０～０．８である。いくつかの例では、第２の層は、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_ｄＮ_２を含み、式中、ｘは、０超～１であり、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは、各々独立して、０～１であり、ただし、ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つは、０超である。いくつかの例では、第３の層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮを含み、式中、ｚは、０～０．８である。

【0007】

いくつかの例では、ｙ及び／若しくはｚは、０．１～０．５、０．１～０．３であるか、又はｙ及び／若しくはｚは、０．２である。

【0008】

いくつかの例では、第１の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍの第１の平均厚さを有する。いくつかの例では、第１の層は、１ｎｍ～３ｎｍの第１の平均厚さを有する。

【0009】

いくつかの例では、第２の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍの第２の平均厚さを有する。いくつかの例では、第２の層は、０．５ｎｍ～０．７ｎｍの第２の平均厚さを有する。

【0010】

いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２を含む。

【0011】

いくつかの例では、ｄは、１－ｘに等しく、その結果、第２の層は、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２を含む。

【0012】

いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２を含む。

【0013】

いくつかの例では、第３の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍの第３の平均厚さを有する。いくつかの例では、第３の層は、１～３ｎｍの第３の平均厚さを有する。

【0014】

いくつかの例では、フォトニック材料は、０．５ｎｍ～１０ｎｍの平均複合材厚さを有し、平均複合材厚さは、第１の平均厚さ、第２の平均厚さ、及び第３の平均厚さの合計である。いくつかの例では、平均複合材厚さは、１ｎｍ～５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、又は４ｎｍ～５ｎｍである。

【0015】

いくつかの例では、第３の層が、第２の層と第４の層との間に挟まれるように、フォトニック材料は、第３の層上に配置された第４の層を更に含み、第４の層は、Ａｌ_ｗＧａ_１－ｗＮを含み、式中、ｗは、０～１である。いくつかの例では、ｗは、０．１～０．５又は０．１～０．３である。いくつかの例では、ｗは０．２である。

【0016】

いくつかの例では、第４の層は、０．５ｎｍ～５ｎｍの第４の平均厚さを有する。いくつかの例では、第４の層は、０．５ｎｍ～４ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、又は１．４ｎｍ～１．６ｎｍの第４の平均厚さを有する。

【0017】

いくつかの例では、第４の層が、第５の層と第３の層との間に挟まれるように、フォトニック材料は、第４の層上に配置された第５の層を更に含み、第５の層は、ＧａＮを含む。いくつかの例では、第５の層は、１ｎｍ～１５ｎｍの第５の平均厚さを有する。

【0018】

いくつかの例では、第１の層が、第６の層と第２の層との間に挟まれるように、フォトニック材料は、第１の層上に配置された第６の層を更に含み、第６の層は、ＧａＮを含む。いくつかの例では、第６の層は、１ｎｍ～１５ｎｍの第６の平均厚さを有する。

【0019】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第１の閉じ込められた状態を有する電子波動関数、及び第１の閉じ込められた状態を有する孔波動関数を有し、フォトニック材料における第１の閉じ込められた状態での電子波動関数及び孔波動関数の重複は、１％以上、５％以上、１５％以上、又は２０％以上である。

【0020】

いくつかの例では、フォトニック材料は、５００ｎｍ以上、５５０ｎｍ以上、６００ｎｍ以上、６５０ｎｍ以上、７００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以上、又は１２００ｎｍ以上のピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有する。いくつかの例では、フォトニック材料は、５８０ｎｍ～６００ｎｍのピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有する。

【0021】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第２の層において強い孔閉じ込めを呈する。

【0022】

いくつかの例では、フォトニック材料は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３以上の単位体積当たりの自発的発光再結合速度を有する。

【0023】

いくつかの例では、フォトニック材料の自発的発光スペクトルは、５００ｎｍ以上のピーク波長を呈し、ピーク波長は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上の強度を有する。

【0024】

いくつかの例では、ホニック（ｐｈｏｎｉｃ）材料は、量子井戸構造を含む。

【0025】

また、本明細書に開示されるフォトニック材料のうちのいずれかを含む量子井戸構造を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）も、本明細書に開示される。

【0026】

また、本明細書に開示されるフォトニック材料のうちのいずれかの使用方法も、本明細書に開示され、本方法は、フォトニック材料を、半導体レーザ、光起電デバイス、太陽電池、光検出器などにおいて使用することを含む。

【0027】

また、本明細書に開示されるフォトニック材料のうちのいずれかの作製方法も、本明細書に開示される。いくつかの例では、本方法は、パルスＭＯＣＶＤなどのＭＯＣＶＤを含み得る。

【0028】

開示されるシステム及び方法の追加的な利点は、以下の説明に一部記載され、説明から一部明らかになるであろう。開示されるシステム及び方法の利点は、添付の特許請求の範囲において、特に指摘されている要素及び組み合わせによって実現され、達成される。前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的なものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された開示されるシステム及び方法を制限するものではないことを理解されたい。

【0029】

本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかであろう。

【0030】

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図は、本開示のいくつかの態様を例示し、本明細書とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】ＱＷの幅（Ｌ_ＱＷ）、及びＺｎＳｎＧｅＧａＮ層の位置（ｚ）、ＺｎＳｎＧｅＧａＮ層の厚さ（Ｌ）を有する、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮ／（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２／Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮの量子井戸（ＱＷ）の概略図。ＱＷを取り囲むバリアは、ＧａＮ、及び／又はＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮ／ＧａＮであり得る。

【図2】ＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２のパルスモードＭＯＣＶＤ成長の各サイクルにおける前駆体流量の概略図。

【図3】ＴＭＳｎパルス時間（ｆ）１５ｓ－ＯＮ、４５ｓ－ＯＦＦで成長したＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２膜のＡＦＭ画像（２μｍ×２μｍ）（試料Ｈ）。

【図4A】試料Ｈの断面ＴＥＭ画像。界面は、白色破線によって示される。

【図4B】試料ＨのＴＥＭ＿ＥＤＸ結果に基づいてプロットされた原子割合。

【図5】（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２／ＧａＮ界面における実験的に測定された帯の整列。

【図6】様々なＩＩＩ－Ｎ、Ｚｎ－ＩＶ－Ｎ、及びＭｇ－ＩＶ－Ｎ組成物の格子定数対エネルギーギャップ。

【図7】６００ｎｍでのピーク発光を有する例示的な量子井戸のエネルギー帯のグラフ。

【図8】ＩＩＩ－Ｎ及びＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２二重チャンバＭＯＣＶＤ設定。

【図9】ＩＩＩ－Ｎ及びＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２二重チャンバＭＯＣＶＤ設定。

【図10】ＭＯＣＶＤを介してＧａＮ上で成長した単結晶ＺｎＧｅＮ_２。

【図11】ＭＯＣＶＤを介してＧａＮ上で成長した単結晶（ＺｎＧｅ）_０．９４Ｇａ_０．１２Ｎ_２。

【図12】ＭＯＣＶＤを介してＧａＮ上で成長した単結晶ＺｎＳｎＮ_２。

【図13】ＭＯＣＶＤを介してＧａＮ上で成長した単結晶ＺｎＳｎＮ_２。

【図14】ＭＯＣＶＤを介してＧａＮ上で成長した単結晶ＺｎＳｎＮ_２。

【図15】ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２とＧａＮとの間の帯オフセット。

【図16】従来のＩｎＧａＮ ＱＷの断面ＳＴＥＭ画像。

【図17】ＩｎＧａＮ／ＺｎＧｅＮ_２／ＩｎＧａＮヘテロ構造ＱＷの断面ＳＴＥＭ画像。

【図18】ＩＧＮ／ＺＧＮ ＱＷの発光波長。

【図19】ＧａＮに対するＩｎＮ、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ、ＺｎＳｎＮ_２、及びＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４（例えば、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２）の帯ギャップ整列（伝導帯及び価電子帯オフセットを示す）。

【図20】量子井戸の幅（Ｌ_ＱＷ）、ＺＴＧＮ層の位置（Ｚ）、及びＺＴＧＮ層の厚さ（Ｌ）が示された、提案されたＩｎＧａＮ／ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４／ＡｌＧａＮ量子井戸の概略図。

【図21A】５９０ｎｍピークの自発的発光波長用に設計された、従来のＧａＮ／４ｎｍ Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ／ＧａＮ ＱＷにおける、第１の閉じ込められたエネルギー状態についての帯の整列、並びに電子及び孔波動関数。

【図21B】５９０ｎｍピークの自発的発光波長用に設計された、ＧａＮ／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／０．６ｎｍ ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／１．５ｎｍ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／ＧａＮ ＱＷにおける、第１の閉じ込められたエネルギー状態についての帯の整列、並びに電子及び孔波動関数。

【図22A】１－５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度に対する、従来のＧａＮ／４ｎｍ Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ／ＧａＮ（破線）ＱＷ、及びＧａＮ／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／０．６ｎｍ ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／１．５ｎｍ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／ＧａＮ（実線）ＱＷの自発的発光スペクトル。両方のＱＷは、１×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で５９０ｎｍのピーク発光波長で設計された。

【図22B】１－５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度に対する、従来のＧａＮ／４ｎｍ Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ／ＧａＮ（破線）ＱＷ、及びＧａＮ／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／０．６ｎｍ ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４／２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／１．５ｎｍ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ／ＧａＮ（実線）ＱＷの自発的発光放射再結合速度。両方のＱＷは、１×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度で５９０ｎｍのピーク発光波長で設計された。

【発明を実施するための形態】

【0032】

本明細書に記載される組成物、方法、及びシステムは、開示される主題の特定の態様及びそこに含まれる実施例の以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解され得る。

【0033】

本組成物、方法、及びシステムが開示及び記載される前に、以下に記載される態様が特定の合成方法又は特定の試薬に限定されず、したがって、勿論、変動し得ることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の態様を記載するためだけのものであり、限定することを意図したものではないことを理解されたい。

【0034】

また、本明細書全体を通して様々な刊行物が参照される。これらの刊行物の開示は、その全体が、開示される事項に関係する技術水準をより完全に記載するために参照により本出願に組み込まれる。開示される参考文献はまた、参考文献が引用されている文章で考察され、それらに含有される材料について、個別にかつ具体的に参照により本明細書に組み込まれる。

【0035】

一般的な定義
本明細書及びそれに続く特許請求の範囲では、以下の意味を有するべく定義された、いくつかの用語を参照されたい。

【0036】

本明細書の説明及び特許請求の範囲全体を通して、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む）」などの、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」という用語及びこの用語の他の形態は、例えば、他の添加剤、構成要素、成分、又は工程を含むが、これらに限定されないことを意味し、除外することを意図しない。

【0037】

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別段明らかな指示がない限り、複数の指示対象を含む。したがって、例えば、「ａ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ある組成物）」への言及は、２つ以上のかかる組成物の混合物を含み、「ａｎ ａｇｅｎｔ（ある薬剤）」への言及は、２つ以上のかかる薬剤の混合物を含み、「ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（その構成要素）」への言及は、２つ以上のかかる構成要素の混合物などを含む。

【0038】

「任意選択的な」又は「任意選択的に」は、後で記載される事象又は状況が生じても生じなくてもよいことを意味し、この説明には、事象又は状況が生じる例及び生じない例が含まれる。

【0039】

本明細書において、範囲は、「約」ある特定の値から、かつ／又は「約」別の特定の値までとして表され得る。「約」とは、値の５％以内、例えば、値の４、３、２、又は１％以内を意味する。かかる範囲が表される場合、別の態様は、１つの特定の値から、かつ／又は他の特定の値までを含む。同様に、値が近似値として表される場合、先行詞「約」を用いることで、その特定の値が別の態様を形成していることが理解される。範囲の各々の終点は、他の終点との関係、及び他の終点から独立した関係の両方において、重要であることが更に理解されるであろう。

【0040】

値は、本明細書において「平均」値として表され得る。「平均」は、一般に、統計的平均値を指す。

【0041】

「実質的に」とは、５％以内、例えば４％、３％、２％、又は１％以内を意味する。

【0042】

「例示的な」とは、「一例」を意味し、好ましい又は理想的な実施形態の表示を伝えることを意図しない。「など」は、制限的な意味で使用されるのではなく、説明目的で使用される。

【0043】

本明細書全体を通して、「第１」及び「第２」の識別子は、開示される主題の様々な構成要素及び工程の区別を補助するために専ら使用されると考えられる。「第１」及び「第２」の識別子は、これらの用語によって修飾された構成要素又は工程に対する任意の特定の順序、量、優先順位、又は重要性を意味することを意図しない。

【0044】

本明細書及び結論の特許請求の範囲における組成物中の特定の要素又は構成要素の重量部への言及は、要素又は構成要素と、重量部が表される組成物又は物品中の任意の他の要素又は成分との間の重量関係を示す。したがって、構成要素Ｘの２重量部及び構成要素Ｙの５重量部を含有する化合物において、Ｘ及びＹは、２：５の重量比で存在し、追加の構成要素が化合物中に含有されるかどうかにかかわらず、かかる比率で存在する。

【0045】

構成要素の重量パーセント（重量％）は、別途特に記載されていない限り、その構成要素が含まれる製剤又は組成物の総重量に基づく。

【0046】

本明細書で使用される場合、「又はこれらの組み合わせ」という用語は、その用語の前に列挙された項目の全ての順列及び組み合わせを指す。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃ、又はこれらの組み合わせ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、又はＡＢＣ、特定の文脈において順序が重要な場合は、ＢＡ、ＣＡ、ＣＢ、ＣＢＡ、ＢＣＡ、ＡＣＢ、ＢＡＣ、又はＣＡＢ、のうちの少なくとも１つが挙げられることを意図する。この例に続いて、ＢＢ、ＡＡＡ、ＡＢ、ＢＢＣ、ＡＡＡＢＣＣＣＣ、ＣＢＢＡＡＡ、ＣＡＢＡＢＢなどの１つ以上の項目又は用語の繰り返しを含む組み合わせが、明示的に含まれる。当業者は、別段文脈から明らかでない限り、任意の組み合わせでの項目又は用語の数についての限定が通常ないことを理解するであろう。

【0047】

フォトニック材料並びにその作製方法及び使用方法
本明細書に開示されるのは、フォトニック材料である。フォトニック材料は、第１の層、第２の層、及び第３の層を含み、第２の層が、第１の層と第３の層との間に挟まれるように、第２の層は、第１の層と第３の層との間に配置され、かつそれらに接触している。

【0048】

第１の層は、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮを含み、式中、ｙは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、又は０．７５以上）であり得る。いくつかの例では、ｙは、０．８以下（例えば、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｙの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｙは、０～０．８（例えば、０～０．４、０．４～０．８、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．５、０～０．３、０～０．１、０．１～０．８、０．２～０．８、０．３～０．８、０．５～０．８、０．６～０．８、０．７～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｙは、０．２である。いくつかの例では、第１の層は、Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＮからなる。

【0049】

第１の層は、０．１ナノメートル（ｎｍ）以上（例えば、０．２ｎｍ以上、０．３ｎｍ以上、０．４ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、又は４ｎｍ以上）の第１の平均厚さを有し得る。いくつかの例では、第１の層は、５ｎｍ以下（例えば、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、又は０．２ｎｍ以下）の第１の平均厚さを有し得る。第１の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第１の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ～２．５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～１ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～３ｎｍ、３ｎｍ～４ｎｍ、４ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～４ｎｍ、０．１ｎｍ～３ｎｍ、０．１ｎｍ～２ｎｍ、０．５ｎｍ～５ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、２ｎｍ～５ｎｍ、３ｎｍ～５ｎｍ、０．５ｎｍ～４．５ｎｍ、１ｎｍ～４ｎｍ、又は１～３ｎｍ）の第１の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0050】

第２の層は、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_ｄＮ_２を含み、式中、ｘは、０超～１であり、ａ、ｂ、ｃ、及びｄは、各々独立して、０～１であり、ただし、ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つは、０超である。

【0051】

例えば、ｘは、０超（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）であり得る。いくつかの例では、ｘは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｘの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｘは、０超～１（例えば、０超～０．５、０．５～１、０超～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０超～０．９、０超～０．８、０超～０．７、０超～０．６、０超～０．４、０超～０．３、０超～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｘは、０．５である。いくつかの例では、ｘは、１である。

【0052】

いくつかの例では、ａは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）である。いくつかの例では、ａは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ａの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ａは、０～１（例えば、０～０．５、０．５～１、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０～０．９、０～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．４、０～０．３、０～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ａは、０である。いくつかの例では、ａは、１である。

【0053】

いくつかの例では、ｂは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）である。いくつかの例では、ｂは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｂの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｂは、０～１（例えば、０～０．５、０．５～１、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０～０．９、０～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．４、０～０．３、０～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｂは、０である。いくつかの例では、ｂは、１である。

【0054】

いくつかの例では、ｃは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）である。いくつかの例では、ｃは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｃの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｃは、０～１（例えば、０～０．５、０．５～１、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０～０．９、０～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．４、０～０．３、０～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｃは、０である。いくつかの例では、ｃは、１である。

【0055】

いくつかの例では、ｄは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）である。いくつかの例では、ｄは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｄの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｄは、０～１（例えば、０～０．５、０．５～１、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０～０．９、０～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．４、０～０．３、０～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｄは、０である。いくつかの例では、ｄは、０．５である。いくつかの例では、ｄは、１である。

【0056】

いくつかの例では、ｄは、１－ｘに等しく、その結果、第２の層は、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２を含む。

【0057】

いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２を含む。いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２からなる。

【0058】

いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２を含む。いくつかの例では、第２の層は、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２からなる。

【0059】

第２の層は、０．１ナノメートル（ｎｍ）以上（例えば、０．２ｎｍ以上、０．３ｎｍ以上、０．４ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、又は４ｎｍ以上）の第２の平均厚さを有し得る。いくつかの例では、第２の層は、５ｎｍ以下（例えば、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、又は０．２ｎｍ以下）の第２の平均厚さを有し得る。第２の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第２の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ～２．５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～１ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～３ｎｍ、３ｎｍ～４ｎｍ、４ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～４ｎｍ、０．１ｎｍ～３ｎｍ、０．１ｎｍ～２ｎｍ、０．５ｎｍ～５ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、２ｎｍ～５ｎｍ、３ｎｍ～５ｎｍ、０．２ｎｍ～４．５ｎｍ、０．３ｎｍ～４ｎｍ、又は０．５ｎｍ～０．７ｎｍ）の第２の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0060】

第３の層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮを含み、式中、ｚは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、又は０．７５以上）であり得る。いくつかの例では、ｚは、０．８以下（例えば、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｚの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｚは、０～０．８（例えば、０～０．４、０．４～０．８、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．５、０～０．３、０～０．１、０．１～０．８、０．２～０．８、０．３～０．８、０．５～０．８、０．６～０．８、０．７～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｚは、０．２である。いくつかの例では、第３の層は、Ｉｎ_ｚＧａ_１－ｚＮからなる。

【0061】

第３の層は、０．１ナノメートル（ｎｍ）以上（例えば、０．２ｎｍ以上、０．３ｎｍ以上、０．４ｎｍ以上、０．５ｎｍ以上、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、又は４ｎｍ以上）の第３の平均厚さを有し得る。いくつかの例では、第３の層は、５ｎｍ以下（例えば、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、又は０．２ｎｍ以下）の第３の平均厚さを有し得る。第３の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第３の層は、０．１ｎｍ～５ｎｍ（例えば、０．１ｎｍ～２．５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～１ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～３ｎｍ、３ｎｍ～４ｎｍ、４ｎｍ～５ｎｍ、０．１ｎｍ～４ｎｍ、０．１ｎｍ～３ｎｍ、０．１ｎｍ～２ｎｍ、０．５ｎｍ～５ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、２ｎｍ～５ｎｍ、３ｎｍ～５ｎｍ、０．５ｎｍ～４．５ｎｍ、１ｎｍ～４ｎｍ、又は１～３ｎｍ）の第１の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0062】

フォトニック材料は、例えば、平均複合材厚さを有し得、平均複合材厚さは、第１の平均厚さ、第２の平均厚さ、及び第３の平均厚さの合計である。平均複合材厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上（例えば、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、４ｎｍ以上、４．５ｎｍ以上、５ｎｍ以上、５．５ｎｍ以上、６ｎｍ以上、６．５ｎｍ以上、７ｎｍ以上、７．５ｎｍ以上、８ｎｍ以上、８．５ｎｍ以上、９ｎｍ以上、又は９．５ｎｍ以上）であり得る。いくつかの例では、平均複合材厚さは、１０ｎｍ以下（例えば、９．５ｎｍ以下、９ｎｍ以下、８．５ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７．５ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６．５ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５．５ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、１．０ｎｍ以下、０．９ｎｍ以下、０．８ｎｍ以下、０．７ｎｍ以下、０．６ｎｍ以下、０．５ｎｍ以下、０．４ｎｍ以下、０．３ｎｍ以下、又は０．２ｎｍ以下）であり得る。平均複合材厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、フォトニック材料は、０．５ｎｍ～１０ｎｍ（例えば、０．５ｎｍ～５ｎｍ、５ｎｍ～１０ｎｍ、０．５ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～４ｎｍ、４ｎｍ～６ｎｍ、６ｎｍ～８ｎｍ、８ｎｍ～１０ｎｍ、０．５ｎｍ～９ｎｍ、０．５ｎｍ～８ｎｍ、０．５ｎｍ～７ｎｍ、０．５ｎｍ～６ｎｍ、０．５ｎｍ～４ｎｍ、０．５ｎｍ～３ｎｍ、１ｎｍ～１０ｎｍ、２ｎｍ～１０ｎｍ、３ｎｍ～１０ｎｍ、４ｎｍ～１０ｎｍ、６ｎｍ～１０ｎｍ、７ｎｍ～１０ｎｍ、９ｎｍ～１０ｎｍ、１ｎｍ～９ｎｍ、１ｎｍ～７ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、又は４ｎｍ～５ｎｍ）の平均複合材厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0063】

いくつかの例では、フォトニック材料は、２つのバリア層の間に挟まれて、量子井戸を形成し得る。

【0064】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第４の層を更に含み得、第４の層は、第３の層が第２の層と第４の層との間に挟まれるように、第３の層上に配置され得る。第４の層は、Ａｌ_ｗＧａ_１－ｗＮを含み得、式中、ｗは、０以上（例えば、０．０１以上、０．０２以上、０．０３以上、０．０４以上、０．０５以上、０．０６以上、０．０７以上、０．０８以上、０．０９以上、０．１０以上、０．１１以上、０．１２以上、０．１３以上、０．１４以上、０．１５以上、０．１６以上、０．１７以上、０．１８以上、０．１９以上、０．２０以上、０．２１以上、０．２２以上、０．２３以上、０．２４以上、０．２５以上、０．２６以上、０．２７以上、０．２８以上、０．２９以上、０．３０以上、０．３１以上、０．３２以上、０．３３以上、０．３４以上、０．３５以上、０．４以上、０．４５以上、０．５以上、０．６以上、０．６５以上、０．７以上、０．７５以上、０．８以上、０．８５以上、０．９以上、又は０．９５以上）である。いくつかの例では、ｗは、１以下（例えば、０．９５以下、０．９以下、０．８５以下、０．８以下、０．７５以下、０．７以下、０．６５以下、０．６以下、０．５以下、０．４５以下、０．４以下、０．３５以下、０．３４以下、０．３３以下、０．３２以下、０．３１以下、０．３０以下、０．２９以下、０．２８以下、０．２７以下、０．２６以下、０．２５以下、０．２４以下、０．２３以下、０．２２以下、０．２１以下、０．２０以下、０．１９以下、０．１８以下、０．１７以下、０．１６以下、０．１５以下、０．１４以下、０．１３以下、０．１２以下、０．１１以下、０．１０以下、０．０９以下、０．０８以下、０．０７以下、０．０６以下、又は０．０５以下）であり得る。ｗの値は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、ｗは、０～１（例えば、０～０．５、０．５～１、０～０．２、０．２～０．４、０．４～０．６、０．６～０．８、０．８～１、０～０．９、０～０．８、０～０．７、０～０．６、０～０．４、０～０．３、０～０．１、０．１～１、０．２～１、０．３～１、０．５～１、０．６～１、０．７～１、０．９～１、０．１～０．９、０．１～０．８、０．１～０．７、０．１～０．６、０．１～０．５、０．１～０．４、又は０．１～０．３）であり得る。いくつかの例では、ｗは、０．２である。いくつかの例では、第４の層は、Ａｌ_ｗＧａ_１－ｗＮからなり得る。

【0065】

第４の層は、０．５ｎｍ以上（例えば、０．６ｎｍ以上、０．７ｎｍ以上、０．８ｎｍ以上、０．９ｎｍ以上、１．０ｎｍ以上、１．１ｎｍ以上、１．２ｎｍ以上、１．３ｎｍ以上、１．４ｎｍ以上、１．５ｎｍ以上、１．６ｎｍ以上、１．７ｎｍ以上、１．８ｎｍ以上、１．９ｎｍ以上、２．０ｎｍ以上、２．１ｎｍ以上、２．２ｎｍ以上、２．３ｎｍ以上、２．４ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、又は４ｎｍ以上）の第４の平均厚さを有し得る。いくつかの例では、第４の層は、５ｎｍ以下（例えば、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２．４ｎｍ以下、２．３ｎｍ以下、２．２ｎｍ以下、２．１ｎｍ以下、２．０ｎｍ以下、１．９ｎｍ以下、１．８ｎｍ以下、１．７ｎｍ以下、１．６ｎｍ以下、１．５ｎｍ以下、１．４ｎｍ以下、１．３ｎｍ以下、１．２ｎｍ以下、１．１ｎｍ以下、又は１．０ｎｍ以下）の第４平均厚さを有し得る。第４の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第４の層は、０．５ｎｍ～５ｎｍ（例えば、０．５ｎｍ～２．５ｎｍ、２．５ｎｍ～５ｎｍ、０．５ｎｍ～１ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～３ｎｍ、３ｎｍ～４ｎｍ、４ｎｍ～５ｎｍ、０．５ｎｍ～４ｎｍ、０．５ｎｍ～３ｎｍ、０．５ｎｍ～２ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、２ｎｍ～５ｎｍ、３ｎｍ～５ｎｍ、４ｎｍ～５ｎｍ、１ｎｍ～４ｎｍ、１ｎｍ～３ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、又は１．４ｎｍ～１．６ｎｍ）の第４の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0066】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第５の層を更に含み得、第４の層が、第５の層と第３の層との間に挟まれるように、第５の層は、第４の層上に配置され得る。いくつかの例では、第５の層は、ＧａＮを含む。いくつかの例では、第５の層は、ＧａＮからなる。

【0067】

いくつかの例では、第５の層は、１ｎｍ以上（例えば、１．５ｎｍ以上、２ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、４ｎｍ以上、４．５ｎｍ以上、５ｎｍ以上、６ｎｍ以上、７ｎｍ以上、８ｎｍ以上、９ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、１１ｎｍ以上、１２ｎｍ以上、１３ｎｍ以上、又は１４ｎｍ以上）の第５の平均厚さを有する。いくつかの例では、第５の層は、１５ｎｍ以下（例えば、１４ｎｍ以下、１３ｎｍ以下、１２ｎｍ以下、１１ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２ｎｍ以下、又は１．５ｎｍ以下）の第５の平均厚さを有する。第５の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第５の層は、１ｎｍ～１５ｎｍ（例えば、１ｎｍ～７ｎｍ、７ｎｍ～１５ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、５ｎｍ～１０ｎｍ、１０ｎｍ～１５ｎｍ、１ｎｍ～１４ｎｍ、１ｎｍ～１３ｎｍ、１ｎｍ～１２ｎｍ、１ｎｍ～１１ｎｍ、１ｎｍ～１０ｎｍ、１ｎｍ～９ｎｍ、１ｎｍ～８ｎｍ、１ｎｍ～６ｎｍ、１ｎｍ～４ｎｍ、１ｎｍ～３ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～１５ｎｍ、３ｎｍ～１５ｎｍ、４ｎｍ～１５ｎｍ、５ｎｍ～１５ｎｍ、６ｎｍ～１５ｎｍ、８ｎｍ～１５ｎｍ、９ｎｍ～１５ｎｍ、１１ｎｍ～１５ｎｍ、１２ｎｍ～１５ｎｍ、１３ｎｍ～１５ｎｍ、１４ｎｍ～１５ｎｍ、２ｎｍ～１４ｎｍ、又は３ｎｍ～１３ｎｍ）の第５の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0068】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第６の層を更に含み得、第１の層が、第６の層と第２の層との間に挟まれるように、第６の層は、第１の層上に配置され得る。いくつかの例では、第６の層は、ＧａＮを含む。いくつかの例では、第６の層は、ＧａＮからなる。

【0069】

いくつかの例では、第６の層は、１ｎｍ以上（例えば、１．５ｎｍ以上、２ｎｍ以上、２．５ｎｍ以上、３ｎｍ以上、３．５ｎｍ以上、４ｎｍ以上、４．５ｎｍ以上、５ｎｍ以上、６ｎｍ以上、７ｎｍ以上、８ｎｍ以上、９ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、１１ｎｍ以上、１２ｎｍ以上、１３ｎｍ以上、又は１４ｎｍ以上）の第６の平均厚さを有する。いくつかの例では、第６の層は、１５ｎｍ以下（例えば、１４ｎｍ以下、１３ｎｍ以下、１２ｎｍ以下、１１ｎｍ以下、１０ｎｍ以下、９ｎｍ以下、８ｎｍ以下、７ｎｍ以下、６ｎｍ以下、５ｎｍ以下、４．５ｎｍ以下、４ｎｍ以下、３．５ｎｍ以下、３ｎｍ以下、２．５ｎｍ以下、２ｎｍ以下、又は１．５ｎｍ以下）の第６の平均厚さを有する。第６の平均厚さは、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、第６の層は、１ｎｍ～１５ｎｍ（例えば、１ｎｍ～７ｎｍ、７ｎｍ～１５ｎｍ、１ｎｍ～５ｎｍ、５ｎｍ～１０ｎｍ、１０ｎｍ～１５ｎｍ、１ｎｍ～１４ｎｍ、１ｎｍ～１３ｎｍ、１ｎｍ～１２ｎｍ、１ｎｍ～１１ｎｍ、１ｎｍ～１０ｎｍ、１ｎｍ～９ｎｍ、１ｎｍ～８ｎｍ、１ｎｍ～６ｎｍ、１ｎｍ～４ｎｍ、１ｎｍ～３ｎｍ、１ｎｍ～２ｎｍ、２ｎｍ～１５ｎｍ、３ｎｍ～１５ｎｍ、４ｎｍ～１５ｎｍ、５ｎｍ～１５ｎｍ、６ｎｍ～１５ｎｍ、８ｎｍ～１５ｎｍ、９ｎｍ～１５ｎｍ、１１ｎｍ～１５ｎｍ、１２ｎｍ～１５ｎｍ、１３ｎｍ～１５ｎｍ、１４ｎｍ～１５ｎｍ、２ｎｍ～１４ｎｍ、又は３ｎｍ～１３ｎｍ）の第６の平均厚さを有し得る。平均厚さは、電子顕微鏡検査法による評価（例えば、断面ＴＥＭ画像化）などの当技術分野において既知の方法を使用して測定され得る。

【0070】

本明細書に記載されるフォトニック材料は、第１の閉じ込められた状態を有する電子波動関数、及び第１の閉じ込められた状態を有する孔波動関数を有し得、フォトニック材料における第１の閉じ込められた状態での電子波動関数及び孔波動関数の重複は、１％以上（例えば、２％以上、３％以上、４％以上、５％以上、１０％以上、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、３５％以上、４０％以上、４５％以上、５０％以上、５１％以上、５２％以上、５３％以上、５４％以上、５５％以上、５６％以上、５７％以上、５８％以上、５９％以上、６０％以上、６１％以上、６２％以上、６３％以上、６４％以上、６５％以上、６６％以上、６７％以上、６８％以上、６９％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上、又は９５％以上）である。

【0071】

いくつかの例では、フォトニック材料は、第２の層において強い孔閉じ込めを呈する。

【0072】

いくつかの例では、フォトニック材料は、５００ｎｍ以上（例えば、５１０ｎｍ以上、５２０ｎｍ以上、５３０ｎｍ以上、５４０ｎｍ以上、５５０ｎｍ以上、５６０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以上、５８０ｎｍ以上、５９０ｎｍ以上、６００ｎｍ以上、６１０ｎｍ以上、６２０ｎｍ以上、６３０ｎｍ以上、６４０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以上、６６０ｎｍ以上、６７０ｎｍ以上、６８０ｎｍ以上、６９０ｎｍ以上、７００ｎｍ以上、７２５ｎｍ以上、７５０ｎｍ以上、７７５ｎｍ以上、８００ｎｍ以上、８２５ｎｍ以上、８５０ｎｍ以上、８７５ｎｍ以上、９００ｎｍ以上、９２５ｎｍ以上、９５０ｎｍ以上、９７５ｎｍ以上、１０００ｎｍ以上、１０５０ｎｍ以上、１１００ｎｍ以上、１１５０ｎｍ以上、１２００ｎｍ以上、１２５０ｎｍ以上、又は１３００ｎｍ以上）のピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有する。いくつかの例では、フォトニック材料は、１４００ｎｍ以下（例えば、１３５０ｎｍ以下、１３００ｎｍ以下、１２５０ｎｍ以下、１２００ｎｍ以下、１１５０ｎｍ以下、１１００ｎｍ以下、１０５０ｎｍ以下、１０００ｎｍ以下、９７０ｎｍ以下、９５０ｎｍ以下、９２５ｎｍ以下、９００ｎｍ以下、８７５ｎｍ以下、８５０ｎｍ以下、８２５ｎｍ以下、８００ｎｍ以下、７７５ｎｍ以下、７５０ｎｍ以下、７２５ｎｍ以下、７００ｎｍ以下、６９０ｎｍ以下、６８０ｎｍ以下、６７０ｎｍ以下、６６０ｎｍ以下、６５０ｎｍ以下、６４０ｎｍ以下、６３０ｎｍ以下、６２０ｎｍ以下、６１０ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、５９０ｎｍ以下、５８０ｎｍ以下、５７０ｎｍ以下、５６０ｎｍ以下、５５０ｎｍ以下、５４０ｎｍ以下、又は５３０ｎｍ以下）のピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有し得る。フォトニック材料の自発的発光スペクトルのピーク波長は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、フォトニック材料は、５００ｎｍ～１４００ｎｍ（例えば、５００ｎｍ～９５０ｎｍ、９５０ｎｍ～１４００ｎｍ、５００ｎｍ～８００ｎｍ、８００ｎｍ～１１００ｎｍ、１１００ｎｍ～１４００ｎｍ、５００ｎｍ～１３００ｎｍ、５００ｎｍ～１２００ｎｍ、５００ｎｍ～１１００ｎｍ、５００ｎｍ～１０００ｎｍ、５００ｎｍ～９００ｎｍ、５００ｎｍ～７００ｎｍ、５００ｎｍ～６００ｎｍ、５５０ｎｍ～１４００ｎｍ、６００ｎｍ～１４００ｎｍ、７００ｎｍ～１４００ｎｍ、８００ｎｍ～１４００ｎｍ、９００ｎｍ～１４００ｎｍ、１０００ｎｍ～１４００ｎｍ、１２００ｎｍ～１４００ｎｍ、１３００ｎｍ～１４００ｎｍ、５００ｎｍ～７００ｎｍ、５００ｎｍ～５７０ｎｍ、５２５ｎｍ～５３５ｎｍ、５７０ｎｍ～５９０ｎｍ、５８０ｎｍ～６００ｎｍ、５９０ｎｍ～６２０ｎｍ、５９５～６０５ｎｍ、６２０ｎｍ～７５０ｎｍ、６８０ｎｍ～６９０ｎｍ、７５０ｎｍ～１４００ｎｍ、７５０ｎｍ～１０００ｎｍ、１０００ｎｍ～１４００ｎｍ、８００ｎｍ～１０００ｎｍ、又は５００ｎｍ～１２００ｎｍ）のピーク波長を有する自発的発光スペクトルを有し得る。

【0073】

いくつかの例では、フォトニック材料は、１×１０^１５ｃｍ^－３以上（例えば、５×１０^１５ｃｍ^－３以上、１×１０^１６ｃｍ^－３以上、５×１０^１６ｃｍ^－３以上、１×１０^１７ｃｍ^－３以上、５×１０^１７ｃｍ^－３以上、１×１０^１８ｃｍ^－３以上、２×１０^１８ｃｍ^－３以上、３×１０^１８ｃｍ^－３以上、４×１０^１８ｃｍ^－３以上、５×１０^１８ｃｍ^－３以上、６×１０^１８ｃｍ^－３以上、７×１０^１８ｃｍ^－３以上、８×１０^１８ｃｍ^－３以上、９×１０^１８ｃｍ^－３以上、１×１０^１９ｃｍ^－３以上、５×１０^１９ｃｍ^－３以上、１×１０^２０ｃｍ^－３以上、５×１０^２０ｃｍ^－３以上、１×１０^２１ｃｍ^－３以上、５×１０^２１ｃｍ^－３以上、１×１０^２２ｃｍ^－３以上、又は５×１０^２２ｃｍ^－３以上）のキャリア濃度を有し得る。いくつかの例では、フォトニック材料は、１×１０^２３ｃｍ^－３以下（例えば、５×１０^２２ｃｍ^－３以下、１×１０^２２ｃｍ^－３以下、５×１０^２１ｃｍ^－３以下、１×１０^２１ｃｍ^－３以下、５×１０^２０ｃｍ^－３以下、１×１０^２０ｃｍ^－３以下、５×１０^１９ｃｍ^－３以下、１×１０^１９ｃｍ^－３以下、９×１０^１８ｃｍ^－３以下、８×１０^１８ｃｍ^－３以下、７×１０^１８ｃｍ^－３以下、６×１０^１８ｃｍ^－３以下、５×１０^１８ｃｍ^－３以下、４×１０^１８ｃｍ^－３以下、３×１０^１８ｃｍ^－３以下、２×１０^１８ｃｍ^－３以下、１×１０^１８ｃｍ^－３以下、５×１０^１７ｃｍ^－３以下、１×１０^１７ｃｍ^－３以下、又は５×１０^１６ｃｍ^－３以下）のキャリア濃度を有し得る。フォトニック材料のキャリア濃度は、上記の最小値のうちのいずれかから、上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、フォトニック材料は、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３（例えば、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１９ｃｍ^－３、１×１０^１９ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１７ｃｍ^－３、１×１０^１７ｃｍ^－３～１×１０^１９ｃｍ^－３、１×１０^１９ｃｍ^－３～１×１０^２１ｃｍ^－３、１×１０^２１ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^２２ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^２１ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^２０ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１９ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１８ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１７ｃｍ^－３、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１６ｃｍ^－３、１×１０^１６ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１７ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１８ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１９ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^２１ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^２２ｃｍ^－３～１×１０^２３ｃｍ^－３、１×１０^１６ｃｍ^－３～１×１０^２２ｃｍ^－３、１×１０^１７ｃｍ^－３～１×１０^２１ｃｍ^－３、１×１０^１８ｃｍ^－３～１×１０^２０ｃｍ^－３、１×１０^１８ｃｍ^－３～１×１０^１９ｃｍ^－３、又は１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３）のキャリア濃度を有し得る。

【0074】

いくつかの例では、フォトニック材料は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３以上、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３以上、５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３以上、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３以上、５×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３以上、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３以上、５×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３以上、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３以上、又は５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３以上）のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３以上の単位体積当たりの自発的発光再結合速度を有する。いくつかの例では、フォトニック材料は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３以下、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３以下、５×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３以下、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３以下、５×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３以下、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３以下、５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３以下、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３以下、又は５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３以下）のキャリア濃度で、１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３以下の単位体積当たりの自発的発光再結合速度を有し得る。１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度でのフォトニック材料の単位体積当たりの自発的発光再結合速度は、上記の最小値のうちのいずれかから上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、フォトニック材料は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３、又は５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３）のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３の自発的発光再結合速度を有し得る。

【0075】

いくつかの例では、フォトニック材料の自発的発光スペクトルは、５００ｎｍ以上のピーク波長を呈し、ピーク波長は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、５×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、５×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上、又は５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上）のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以上の強度を有する。いくつかの例では、フォトニック材料の自発的発光スペクトルは、５００ｎｍ以上のピーク波長を呈し、ピーク波長は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、５×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、５×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下、又は５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下）のキャリア濃度で、１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１以下の強度を有する。１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度でのフォトニック材料の自発的発光スペクトルのピーク波長の強度は、上記の最小値のうちのいずれかから上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、フォトニック材料の自発的発光スペクトルは、５００ｎｍ以上のピーク波長を呈し、ピーク波長は、１×１０^１８ｃｍ^－３～５×１０^１８ｃｍ^－３（例えば、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２７ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、１×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、５×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１、又は５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～５×１０^２９ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１）のキャリア濃度で、１×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１～１×１０^３０ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１の強度を有する。

【0076】

また、量子井戸構造を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）も本明細書に記載され、量子井戸構造は、本明細書に記載されるフォトニック材料のうちのいずれかを含み得る。また、本明細書に記載されるフォトニック材料のうちのいずれかを含む半導体レーザ、光起電装置（太陽電池デバイス）、光検出器なども、本明細書に記載される。

【0077】

また、本明細書に記載されるフォトニック材料の作製方法も、本明細書に開示される。例えば、本方法は、各層を適切な順序で堆積させることを含み得、各層は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）（パルスＭＯＣＶＤなど）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスレーザ堆積法（ＰＬＤ）、又はこれらの組み合わせなどの、エピタキシャル成長法によって堆積し得る。いくつかの例では、本方法は、パルスＭＯＣＶＤを含み得る。

【0078】

本発明のいくつかの実施形態を記載してきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ得ることを理解されたい。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。

【0079】

以下の実施例は、本明細書に記載されるシステム及び方法の特定の態様を更に例示することを意図するものであり、特許請求の範囲の範囲を限定することを意図するものではない。

【実施例】

【0080】

以下の実施例は、開示される主題に係る方法及び結果を例示するために以下に記載される。これらの実施例は、本明細書に開示される主題の全ての態様を含むことを意図しないが、むしろ代表的な方法及び結果を例示することを意図する。これらの実施例は、本発明の等価物及び変形を除外することを意図せず、これは当業者には明らかである。

【0081】

数値（例えば、量、温度など）に関して精度を保証するように努力がなされてはいるが、いくらかの誤差及び偏差が考慮されるべきである。別段示されない限り、部は、重量部であり、温度は、℃であるか、又は周囲温度であり、圧力は、大気圧又はその付近である。測定条件、例えば、構成要素の濃度、温度、圧力、及び他の測定範囲、並びに記載されるプロセスを最適化するために使用され得る条件の多くの変形及び組み合わせが存在する。

【0082】

実施例１－量子井戸工学を使用した高効率ＬＥＤ設計
過去２０年間にわたる広範な研究開発は、ＩｎＧａＮベースの青色発光デバイスの１００％に近い外部量子効率（ＥＱＥ）をもたらしたが（Ｄａｍｉｌａｎｏ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１５，４８，４０３００）、より長い可視波長の発光デバイスの効率は、比較的低いままである。ウルツ鉱構造の反転対称性の欠如に由来する自発的分極（Ｋｅｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１４，２９，１１３００１）、及び格子ミスマッチ誘発ひずみによって引き起こされる圧電分極（Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１６，１２０，１０３１０２）は、ＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）ベースの発光デバイスにおいて、ＱＷの異なる領域における内部電場、及びそれに伴う電子及び孔の局在化をもたらす（Ｄａｍｉｌａｎｏ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１５，４８，４０３００１）。この問題は、Ｉｎ含有量及びＱＷ幅の増加とともに悪化し、緑色又はより長い波長を発光するＩｎＧａＮベースのデバイスの効率を抑制する。

【0083】

ＩｎＧａＮベースの緑色及びより長い波長の発光デバイスの効率問題に対処するために今日までに行われた試みとしては、非極性又は半極性ＩｎＧａＮ（Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１６，１２０，１０３１０２）、スタッガードＩｎＧａＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１１，１９，Ａ９９１）、ひずみ補償ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４５，６６；Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００８，４０，３０１）、タイプ－ＩＩ ＩｎＧａＮ／ＧａＮＡｓ ＱＷ（Ａｒｉｆ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００８，９２，０１１１０４）、及びＩｎＧａＮ－ｄｅｌｔａ ＩｎＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０１０，９７，１３１１１４）を使用することによって電荷分離を最小化することが挙げられる。近年、Ｈａｎらは、青色及び緑色発光ダイオード用のタイプ－ＩＩ ＩｎＧａＮ／ＺｎＧｅＮ_２ ＱＷベースの設計を提案した。この設計では、２つのＩｎＧａＮ層の間に挟まれたＺｎＧｅＮ_２層が、ＩｎＧａＮとの大きな帯オフセットに起因して、孔閉じ込めによる電子及び孔波動関数の重複（Γ_ｅ－ｈ）を顕著に改善する（Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１６，１２０，１０３１０２）。

【0084】

以前、Ｚｈａｏらは、ＩｎＧａＮ／ＺｎＳｎＮ_２ ＱＷ構造に基づくＱＷ構造設計を提案した（米国特許第１１，３５５，６６８号）。ＺｎＳｎＮ_２の薄層をＩｎＧａＮ ＱＷに挿入することで、電子－孔波動関数の重複を向上させ、したがって、放射効率を高めることを目指している。

【0085】

ここで、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２は、ＩｎＧａＮ ＱＷに挿入される。図１に示されるように、ＱＷの総厚さは、Ｌ_ＱＷであり、（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２層の厚さは、Ｌである。（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２層の位置は、ＱＷの左側（ｚ＝０）からＱＷの右側（ｚ＝Ｌ_ＱＷ－Ｌ）に調整され得る。（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２材料は、ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２［Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃＮ_２］とＧａＮとの合金を表す。Ｇａ組成物１－ｘは、０～１未満で調整され得る。１－ｘ＝０の特別な場合、材料は、Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃＮ_２となる。ＩＩ族（Ｚｎ）／ＩＶ族（Ｓｎ＋Ｇｅ）原子比ａ／（ｂ＋ｃ）＝１の場合、化学量論的Ｚｎ（Ｓｎ_ｂＧｅ_１－ｂ）Ｎ_２を表す。ＩＶ族元素であるＳｎとＧｅとのｂ／ｃ比は、０：１～１：０で変化し得る。ＩｎＧａＮサブ層ｙ及びｚのＩｎ組成は、異なり得る。ＩｎＧａＮと（Ｚｎ_ａＳｎ_ｂＧｅ_ｃ）_ｘＧａ_１－ｘＮ_２との間の帯オフセット：ΔＥ_ｃ、ΔＥ_ｖは、合金組成に応じて変化する。価電子帯において孔波動関数をＱＷの中心付近に良好に閉じ込めるためには、Ｇａ組成を７０％以下に保つ必要がある。伝導帯における電子のより軽い有効質量に起因して、帯構造工学が電子波動関数に及ぼす影響は弱くなる。高純度のＧａＮは、ＱＷの両側でバリアとして使用され得る。伝導帯における電子閉じ込めを改善するために、より大きなバリア高さのＡｌＧａＮ層が実施され得る。Ａｌ組成ｗは、０～１で変化し得、ＡｌＧａＮ層の厚さ（Ｌ_{ＡｌＧａＮ}）は、０～Ｌ_ＧａＮで変化し得る。

【0086】

ＱＷ構造の設計は、ＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２のＭＯＣＶＤ成長に関する実験結果に基づいている。高温で成長させたＳｎ液滴を含まないＺｎＳｎＮ_２薄膜を達成するために、パルスＭＯＣＶＤ成長技術を実施した。ＤＥＺｎ、ＴＭＳｎ、ＴＭＧａ、及びアンモニアを、それぞれＺｎ、Ｓｎ、Ｇａ、及びＮの前駆体として使用した。ＴＭＧａ及びＮＨ_３モル流量を、それぞれ９０．６３μｍｏｌ／分及び１７８μｍｏｌ／分に設定した。ＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２成長のために、反応器圧力を５００Ｔｏｒｒに設定し、成長温度を５６０℃～５８０℃で変化させた。ＤＥＺｎ、ＴＭＳｎ、及びＮＨ_３モル流量を、それぞれ、３６．５８μｍｏｌ／分、３６．４８μｍｏｌ／分、及び２０１μｍｏｌ／分に設定した。

【0087】

ＴＭＳｎパルスモード成長のために、ＴＭＳｎフローは、ＤＥＺｎ及びＮＨ_３の一定の流量を維持しながら、周期的なオン及びオフで設計される。図２は、パルスモード成長の概略図を示す。ＤＥＺｎ及びＮＨ_３を一定の流量で維持しながら、ＴＭＳｎ流量を、各パルスサイクルについてｔ_＿ＯＮ（チャンバへの流入）及びｔ_＿ＯＦＦ（バイパス）で制御した。このパルスサイクルをＮ_ｃ回繰り返した。

【0088】

図３は、良好な表面形態及び７．１２ｎｍのＲＭＳを有する高品質のＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２膜成長を実証する。

【0089】

試料Ｈの断面ＴＥＭ画像が図４Ａに示され、高い結晶品質及び化学量論的Ｚｎ／Ｓｎ比を明らかにする。白い破線は、エピタキシャル関係を有する鋭い界面を示すＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２／ＧａＮ界面を示す。ＴＥＭ＿ＥＤＸ測定から、図４Ｂにプロットされるように、成長した膜は、化学量論的Ｚｎ／Ｓｎ比及び５０％のＧａＮ合金を有する。一連のＭＯＣＶＤ成長の研究は、ＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２膜のＳｎ液滴がない成長を達成するために、パルスモードＭＯＣＶＤ成長が実行可能であることを実証する。インサイチュＧａＮ再成長層及び最適化されたＴＭＳｎパルス周期は、高品質のＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２膜成長を達成し得る。

【0090】

ＸＰＳ測定を使用して、２０ｎｍ厚さのＧａＮ試料、２０ｎｍ厚さの（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２試料、及び２ｎｍ厚さの（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２／ＧａＮヘテロ構造試料の３つの試料を使用して、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２とＧａＮとの間の価電子帯オフセットを決定した。（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２試料について決定されたコアエネルギーレベル及びＶＢＭの位置を表１に列挙する。

【表1】

【0091】

Ｚｎ ３ｄ帯及びＳｎ ３ｄ帯を使用して決定された価電子帯オフセットの平均を使用して、ＧａＮのＶＢＭに対して（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２の価電子帯最大値を整列させた。したがって、（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２とＧａＮとの間のＶＢＯを、０．９７±０．０５ｅＶであるように抽出した。（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２とＧａＮとの帯整列を、Ｚｎ ３ｄ帯及びＳｎ ３ｄ帯を使用して決定されたＶＢＯ値の平均を使用して図５に示す。

【0092】

実施例２－緑色、琥珀色、及びそれを超えて発光する高効率ＩｎＧａＮ ＬＥＤ
ＩＩＩ－窒化物／ＩＩ－ＩＶ－窒化物ヘテロ構造を活性媒体として使用する、緑色、琥珀色、及びより長い波長を有する高効率ＬＥＤが本明細書に記載される。低インジウム含有量のＩｎＧａＮ、及びＺｎＧｅＮ_２、又はＺｎＳｎＮ_２からなるヘテロ構造のＭＯＣＶＤ開発は、蛍光体変換ＬＥＤに基づく現行技術を超えるために使用される（図６、図７）。この手法では、量子井戸の活性領域を調整して、発光波長を減少させたり、電子－孔波動関数の重複を増加させたりする柔軟性を増加させることを活用して、高インジウム含有量のＩｎＧａＮを使用せずにＩｎＧａＮ量子井戸ＬＥＤの発光波長を拡張し、内部量子効率を大幅に改善する新しい方法を切り開く。

【0093】

ＩＩＩ－Ｎ／ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２ヘテロ構造を使用して、緑色、琥珀色、及びより長波長の高効率ＬＥＤを達成するように設計された実験が本明細書に記載される。このコンセプトは、密接に格子状に一致した材料及びその大きな帯オフセットを使用して、低Ｉｎ含有量を使用してＩｎＧａＮ ＱＷの発光波長を拡張する機会を提供する。

【0094】

高い結晶品質のＺｎＧｅＮ_２及びＺｎＳｎＮ_２のＭＯＣＶＤ成長ウィンドウが検討される。ＩＱＥ６０％超を有する（Ｉｎ）ＧａＮ－ＺｎＧｅＮ_２ ＱＷ緑色ＬＥＤ、及びＩＱＥ５０％超（光学）を有するＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＮ_２ ＱＷ琥珀色ＬＥＤも検討される。電気的に注入されたＩＱＥ６０％超を有する緑色ＬＥＤ及びＩＱＥ５０％超を有する琥珀色ＬＥＤが検討される。

【0095】

ＩＩＩ－Ｎ及びＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２二重チャンバＭＯＣＶＤ設定が使用され得（図８、図９）、これは、５つの水素化物ガスチャンネル及び７つのアルキルチャンネルを有する。５つの水素化物チャンネルとしては、ＳｉＨ_４／Ｈｅ（レギュラー）、ＳｉＨ_４Ｈ_２（二重希釈）、ＧｅＨ_４／Ｈｅ（レギュラー）、Ｓｐａｒｅ（パネル上の将来の水素化物供給源のためのスペース）、ＮＨ_３（１チャンネル）、及びＨ_２（キャリアガス、Ｎ_２キャリアガスに切り替え可能）が挙げられる。７つのアルキルチャンネルとしては、ＴＭＡｌ（二重希釈）、ＴＭＧ１（二重希釈）、ＴＥＧ１（レギュラー）、ＴＭＩ１（レギュラー）、ＣＰ２ＭＧ１（レギュラー）、ＤＥＺｎ（レギュラー）、及びテトラメチルスタンナン（ＣＨ_４Ｈ_１２Ｓｎ）が挙げられる。ＭＯＣＶＤによるＩＩ－ＩＶ－窒化物の成長の他の報告は存在しない。更に、ＩＩ－ＩＶ－窒化物及びＩＩＩ－窒化物の両方の成長を支援し得る他の二重チャンバ構成は存在しない。

【0096】

デバイスは、ＧａＮ上に単結晶ＺｎＧｅ（Ｇａ）Ｎ_２をＭＯＣＶＤ成長させたもので、鋭い界面を有する高い結晶品質を実証した（図１０～図１１）（Ｋａｒｉｍ ｅｔ ａｌ．Ｊ Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０２１，５４（２４），２４５１０２）。

【0097】

デバイスは、ＧａＮ上に単結晶ＺｎＳｎ（Ｇａ）Ｎ_２のＭＯＣＶＤ成長を実証した（図１２～図１４、図４Ａ、及び図４Ｂ）。

【0098】

ＸＰＳ測定を介して、ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２／ＧａＮ（図５及び図１５）間で大きな帯オフセットを決定した。ＺｎＧｅＮ_２／ＧａＮ間の帯オフセットΔＥ_ｃ＝１．５５ｅＶの第１の実験的決定。（ＺｎＳｎ）_０．５Ｇａ_０．５Ｎ_２／ＧａＮ間の帯オフセットΔＥ_ｃ＝０．９７ｅＶの第１の実験的決定。

【0099】

ＩｎＧａＮ／ＺｎＧｅＮ_２ヘテロ構造ＱＷを実現した。従来のＩｎＧａＮ ＱＷ及びＩｎＧａＮ／ＺｎＧｅＮ_２／ＩｎＧａＮヘテロ構造ＱＷの断面ＳＴＥＭ画像をそれぞれ図１６及び図１７に示す（Ｋａｒｉｍ ｅｔ ａｌ．ＡＣＳ Ｃｒｙｓ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２（１），１３１－１３９）。

【0100】

ＩＧＮ／ＺＧＮ ＱＷの発光波長は、従来のＱＷと比較して赤色にシフトし、シフトの大きさは、ＺｎＧｅＮ_２層の位置に依存する（図１８）。

【0101】

電気的に注入されたＩｎＧａＮ／ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２ヘテロ構造ＱＷのＬＥＤが検討されている。ＩＩ－ＩＶ－Ｎ_２層の位置又は厚さを最適化することによるエレクトロルミネセンス波長調整が検討されている。

【0102】

実施例３－高効率琥珀色発光ダイオード用のＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４の量子井戸の設計
要約。タイプ－ＩＩ ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４量子井戸（ＱＷ）構造が提案され、高効率琥珀色（λ 約５９０ｎｍ）の発光ダイオード（ＬＥＤ）の活性領域として研究され、これは、現在、高純度ＩｎＧａＮベースのＬＥＤにおいて大きな課題である。薄いＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４（例えば、（ＺｎＳｎ）_０．５ＧａＮ_２）層は、ＩｎＧａＮ ＱＷに挿入されて、価電子帯における孔波動関数の閉じ込めを向上させ、ＡｌＧａＮ層は、伝導帯における電子波動関数をより良好に閉じ込めるのを助けるために、量子バリアに組み込まれる。ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷの帯構造は、ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４とＧａＮとの間の実験的に測定された帯オフセットに基づいて数値的にシミュレートされる。ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ設計では、約５９０ｎｍのピーク発光波長に到達するために、ＩｎＧａＮ層中に低いＩｎ含有量（２０％）が必要であるが、同じ層厚さを有する従来のＩｎＧａＮ ＱＷについて同じ発光波長に到達するためには、２５％のＩｎ組成が必要である。更に、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ設計のための電子－孔波動関数の重複（Г_{ｅ１－ｈｈ１}）は、約５９０ｎｍの発光波長について１８％に達し、同じ波長で発光する従来のＩｎＧａＮ ＱＷ（５％）から大幅に改善される。電子－孔波動関数の重複の増加は、より高いＩｎ組成を有する従来のＩｎＧａＮ ＱＷと比較して、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷの自発的発光放射再結合速度においておよそ１４倍の向上をもたらす。ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ構造設計は、高効率の琥珀色ＬＥＤを達成するための新しい方法を切り開くことが有望であり得る。

【0103】

序論。過去数十年で、ＩｎＧａＮベースの緑色、黄色、及び琥珀色の発光ダイオード（ＬＥＤ）、特にＩｎＧａＮ（青色）及びＩＩＩ－Ｖ（赤色）材料システムによって既に達成されている高効率ＬＥＤの性能改善に顕著な努力が払われた。ＩｎＧａＮベースのＬＥＤ効率は、顕著に向上しているが（Ｌｖ ｅｔ ａｌ．ＡＣＳ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ２０１９，６，１３０；Ａｌｈａｓｓａｎ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１６，２４，１７８６８；Ｊｉａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｒｅｓ．２０１９，７，１４４；Ｍａｒｃｉｎｋｅｖｉｃｉｕｓ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０２１，１１９，０７１１０２）、琥珀色のＬＥＤの効率は、可視波長範囲の中で依然として最低のままである（ＤＯＥ ＢＴＯ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ，“２０２２ ＤＯＥ ＳＳＬ Ｒ＆Ｄ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ”）。ＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）ベースの発光ダイオードは、非対称ウルツ鉱結晶構造（自発的分極）及びひずみＱＷ（圧電分極）に起因する大きな分極誘起電界によって引き起こされる１つの基本的な課題に直面している。これによって、電子及び孔波動関数の分離がもたらされ、電荷キャリアの放射再結合速度が低減する（Ｂｅｒｎａｒｄｉｎｉ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２００１，６３，１９３２０１）。比較的より高いＩｎ含有量及びより厚いＱＷが必要であるため、青色及び緑色を超える発光波長を有するＩｎＧａＮ ＱＷのＬＥＤは、内部静電界の有害な影響をより受けやすい（Ｄａｍｉｌａｎｏ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１５，４８，４０３００１）。

【0104】

従来、ａ平面及びｍ平面などの非極性又は半極性方向に沿って成長したＬＥＤ構造（ＤＯＥ ＢＴＯ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ，“２０２２ ＤＯＥ ＳＳＬ Ｒ＆Ｄ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ”；Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２００７，４６，Ｌ１９０；Ｆａｒｒｅｌｌ ｅｔ ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２００７，４６，Ｌ７６１）は、ＩｎＧａＮ ＱＷにおける大きな分極場を除去又は低減することを意図していた。この課題を克服するために報告されている他の手法としては、スタッガードＩｎＧａＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，１５，１１０４；Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１１，１９，Ａ９９１；Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００９，９４，０４１１０９；Ａｒｉｆ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００８，４４，５７３）、ひずみ補償ＩｎＧａＮ－ＡｌＧａＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４５，６６；Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００８，４０，３０１）、タイプ－ＩＩ ＩｎＧａＮ－ＧａＡｓＮ ＱＷ（Ａｒｉｆ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００８，９２，０１１１０４；Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４１，７７９）、ＩｎＧａＮ－ｄｅｌｔａ－ＩｎＮ ＱＷ（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０１０，９７，１３１１１４）、及びｄｅｌｔａ－ＡｌＧａＮ層を有するＩｎＧａＮ ＱＷ（Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００６，８８，２０２１０７；Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００７，９０，０２３５０８）などのＱＷ設計が挙げられる。これらのＱＷにおける帯構造工学は、電子波動関数及び孔波動関数のシフトをもたらし、したがって、電子－孔波動関数の重複及び放射再結合速度が改善される。ＩｎＧａＮ ＱＷの内部量子効率（ＩＱＥ）の顕著な向上はまた、貫通転位における「Ｖ－ｐｉｔｓ」（Ｍａｒｃｉｎｋｅｖｉｃｉｕｓ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０２１，１１９，０７１１０２）を形成することによっても近年報告されている。インリッチクラスター（Ｗｕ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９９８，７２，６９２）は、転位の周囲に潜在的バリアを作り出し、非放射再結合を抑制し得る（Ｈａｎｇｌｅｉｔｅｒ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２００５，９５，１２７４０２）。しかしながら、発光波長をより長くしようとする場合、これらのＱＷ設計には依然として高Ｉｎ組成又は厚いＱＷが必要であり、これは、限定された放射効率をもたらす。加えて、希土類ドープ（Ｅｒ、Ｅｕ）ＧａＮが、緑色及び赤色発光の活性領域として研究された（Ｈｅｉｋｅｎｆｅｌｄ ｅｔ ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２０００，７６，１３６５；Ｍｏｒｉｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ａ １９９９，１７６，１１３；Ｆｒａｇｋｏｓ ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．２０１８，８，１３３６５；Ｆｒａｇｋｏｓ ｅｔ ａｌ．Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．２０１７，７，１；Ｔｉｍｍｅｒｍａｎ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａｐｐｌ．２０２０，１３，０１４０４４）。

【0105】

近年、単層ＺｎＧｅＮ_２又はＺｎＳｎＮ_２層のＩｎＧａＮ ＱＷへの戦略的な挿入、すなわちＩｎＧａＮ－ＺｎＧｅＮ_２、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＮ_２タイプ－ＩＩ ＱＷ構造が、ＩｎＧａＮベースのＬＥＤにおける放射効率において大きな改善を示すことが報告された（Ｈａｎ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１６，１２０，１０３１０２；Ｋａｒｉｍ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１８，１２４，０３４３０３）。薄いＺｎＧｅＮ_２層のＩｎＧａＮ ＱＷへの挿入の成功もまた、実験的に実証されている（Ｋａｒｉｍ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２１，２２，１３１）。一方、ＩｎＧａＮとＺｎＧｅＮ_２との間の大きな伝導帯オフセットは、ＺｎＧｅＮ_２層中の電子波動関数の閉じ込めを弱め、これは、電子と孔との放射再結合を制限する。ＺｎＳｎＮ_２は、価電子帯及び伝導帯の両方において、ＧａＮとのより有利な整列を特徴とする（Ｐｕｎｙａ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１３，８８，０７５３０２；Ｊａｒｏｅｎｊｉｔｔｉｃｈａｉ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１７，９６，０７９９０７）、これは、伝導帯の電子波動関数の閉じ込めを犠牲にすることなく、価電子帯の孔波動関数の強い閉じ込めを維持する。したがって、より長いピーク発光波長（約６００ｎｍ）を有するＬＥＤについて、大きな電子－孔波動関数の重複及び高ＩＱＥが達成され得る（Ｋａｒｉｍ ｅｔ ａｌ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２０１８，１２４，０３４３０３）。しかしながら、ＺｎＳｎＮ_２に必要なＭＯＣＶＤ成長温度が比較的低いことに起因して、ＺｎＳｎＮ_２単層のＩｎＧａＮ ＱＷへの挿入は、困難であり得る。近年、ＺｎＳｎＮ_２のより高い成長温度でのＳｎ液滴の形成に対処するために、パルスモードＭＯＣＶＤ成長方法が実施され、化学量論的ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４合金が達成された（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２，５００４）。ＧａＮを用いて実験的に決定された帯オフセット（ΔＥ_Ｖ＝０．９６ｅＶ及びΔＥ_Ｃ＝０．１８ｅＶ）（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２，５００４）は、長い発光波長での向上した放射効率を有する、タイプ－ＩＩ ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷの有望なヘテロ構造を示す。

【0106】

この研究では、自己無撞着の６帯ｋ・ｐ法を使用した高効率琥珀色ＬＥＤを目的としたタイプＩＩ ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ構造の設計が記載されている（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４５，６６）。分極場、ひずみ効果、及びキャリアスクリーニング効果を考慮して、帯構造の計算を実行した。ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ及び約５９０ｎｍで発光する従来のＩｎＧａＮ ＱＷの両方について自発的発光放射再結合速度を計算し、本明細書に記載されるＱＷ設計は、１－５×１０^１８ｃｍ^－３の範囲のキャリア濃度で約１４倍の向上を示す。

【0107】

概念及び設計の詳細。この設計では、ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４の薄層が活性領域に挿入されて、孔閉じ込め層として機能する。ひずみのないＧａＮ、ＩｎＮ、及びＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを有するＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４及びＺｎＳｎＮ_２の帯の整列を図１９に示す。ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４とＧａＮとの間の帯オフセットを、ＸＰＳ測定を使用して決定した（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２，５００４）が、ＺｎＳｎＮ_２とＧａＮとの間の帯オフセット値は、第一原理計算によるものである（Ｐｕｎｙａ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１３，８８，０７５３０２；Ｊａｒｏｅｎｊｉｔｔｉｃｈａｉ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１７，９６，０７９９０７）。独自の帯の整列は、ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４層に強い孔閉じ込めをもたらす。提案された設計の概略図が図２０に示される。薄いＡｌＧａＮ層は、ＱＷ活性領域内の電子波動関数をより良好に閉じ込め得る。従来のＩｎＧａＮ（ＩＧＮ）ＱＷのピーク発光波長（λ_ｐ）は、Ｉｎ含有量及びＱＷの厚さに依存するが、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４（ＩＧＮ－ＺＴＧＮベースのＱＷ構造は、より柔軟性をもたらし、ＩｎＧａＮ ＱＷ内のＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４層の厚さ及び位置を調整することによって、λ_ｐに対するより広い範囲の調整を可能にする。

【0108】

提案されたＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷ並びに従来のＱＷの帯構造を得るために、自己無撞着の６帯ｋ・ｐ法を使用した。孔エネルギー帯を決定するために、６×６対角化ｋ・ｐハミルトニアンを使用した。伝導帯における電子について放物線状の帯構造を仮定した。ひずみ、自発的及び圧電的分極、キャリアスクリーニング、並びに価電子帯混合の影響を考慮した。ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４の自発的分極も考慮した。構造をＬＥＤ用途のために提案したので、放射再結合特性を、１－５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア密度で研究した。

【0109】

帯構造を計算するために、ポアソン方程式を収束が達成されるまで繰り返し解いた。シュレーディンガー方程式及びポアソン方程式を自己無撞着に解くことによって、閉じ込められたエネルギーレベル及び波動関数が得られた。正規化されたエンベロープ関数間の空間重複を計算して、電子波動関数と孔波動関数との間の重複を得た。自発的発光速度の計算において、ＴＥ及びＴＭの分極の両方を考慮した。数値的形式論の詳細な説明は、他の箇所で提供される（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４５，６６）。表２は、他の箇所で使用されたのと同じ表記法を使用して、シミュレーションで使用されたパラメータ値を要約する（Ｚｈａｏ ｅｔ ａｌ．ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２００９，４５，６６）。

【表2】

【0110】

表２において、ＧａＮを有するＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４の帯オフセット値を、実験結果に基づいて得た（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２，５００４）、他のパラメータを、ＺｎＳｎＮ_２及びＧａＮの値に基づいて合金組成物の線形依存性をとることによって決定した（Ｐｕｎｙａ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１３，８８，０７５３０２；Ｊａｒｏｅｎｊｉｔｔｉｃｈａｉ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ ２０１７，９６，０７９９０７；ＩＩＩ－Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｍｏｄｅｒｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，Ｏｘｆｏｒｄ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，２０１３；Ｐａｒｋ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ １９９９，５９，４７２５；Ｐｕｎｙａ ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｃ ２０１１，８，２４９２）。

【0111】

帯図及び自発的発光特性。従来の４ｎｍ Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ（ＩＧＮ）ＱＷ及び２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ－０．６ｎｍ ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４－２ｎｍ Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ－１．５ｎｍ Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（ＩＧＮ－ＺＴＧＮ）ＱＷの伝導帯及び価電子帯の帯構造を、それぞれ図２１Ａ及び図２１Ｂにプロットする。両方の構造を、約５９０ｎｍのピーク発光波長を有するように設計した。第１の閉じ込められた伝導エネルギー状態のための対応する電子波動関数（ψ_ｅ１）及び孔波動関数（ψ_ｈｈ１）もプロットされる。図２１Ａに示されるように、ＩＧＮ ＱＷは、激しい帯屈曲を呈し、電子及び孔波動関数は、空間的に分離される。結果として、電子－孔波動関数の重複Г_{ｅ１－ｈｈ１}は、わずか５％と計算される。しかしながら、図２１Ｂに示されるＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷは、強い孔波動関数の閉じ込め、及び１８％の向上した電子－孔波動関数の重複を有する。注目すべきは、ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷのＩｎＧａＮ層中のＩｎ組成は、２０％であり、これは、従来のＩＧＮ ＱＷ（２５％）よりも低い。その結果として、この構造によって、より長い発光波長で高いＩｎ含有量によって引き起こされる効率の低下が最終的に低減されることが期待される。

【0112】

ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷの自発的発光スペクトルを、１－５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度について計算し、従来のＩＧＮ ＱＷと比較した。図２２Ａに示されるように、両方のＱＷ構造は、１×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア密度において、約５９０ｎｍのピーク発光波長を示す。ＩＧＮ ＱＷのピーク自発的発光強度（Ｉ_ｐ）は、１×１０^１８ｃｍ^－３から５×１０^１８ｃｍ^－３へのキャリア濃度の増加とともに、５．０×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１から１．２×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１へ増加し、一方、ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷのＩ_ｐは、２．０×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１から５．９×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３ｅＶ^－１へ増加し、これは、およそ１７～２５倍の向上に相当する。フェルミの黄金律によれば、向上したＩ_ｐは、ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷ活性領域における電子－孔波動関数の重複の増加に起因する。

【0113】

単位体積当たりの自発的発光放射再結合速度であるＲ_ｓｐは、全波長範囲にわたって自発的発光スペクトルを積分することによって計算される。図２２Ｂに示されるように、Ｒ_ｓｐは、両方のＱＷ構造についてキャリア濃度の増加に伴って単調に増加する。ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷは、ＩＧＮ ＱＷと比較して約１４倍のＲ_ｓｐの向上を提供する。定量的には、ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷのＲ_ｓｐは、１－５×１０^１８ｃｍ^－３のキャリア濃度に対して、５．０×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３から１．２×１０^２８ｓ^－１ｃｍ^－３へ増加し、一方、ＩＧＮ ＱＷのＲ_ｓｐは、２．７×１０^２５ｓ^－１ｃｍ^－３から８．５×１０^２６ｓ^－１ｃｍ^－３に制限される。ＬＥＤのＩＱＥは、放射再結合速度と総再結合速度（放射構成用途及び非放射構成要素の両方を含む）との比によって決定されることに留意されたい。この場合、比較的高温で成長した、より低いＩｎ含有量のＩｎＧａＮに起因して、ＩＧＮ－ＺＴＧＮ ＱＷで期待されるより低い非放射再結合を考慮すると、本明細書に記載されるＱＷ設計では、ＩＱＥにおける更に優れた性能が期待され得る。更に、この構造は、近年確立されたＧａＮ上の化学量論ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４膜のパルスモード成長に基づいて、ＭＯＣＶＤエピタキシーの準備ができているはずである（Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．２０２２，２２，５００４）。

【0114】

結論。結論として、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ活性層を使用した琥珀色ＬＥＤのＱＷ設計のシミュレーションが研究される。ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４とＧａＮとの間の実験的に測定された帯オフセットが、シミュレーションに使用される。大きな価電子帯オフセットに起因して、ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４の薄層をＩｎＧａＮ ＱＷに挿入することによって、孔波動関数の強い閉じ込めが達成される。結果として、ＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷのピーク自発的発光強度及び自発的発光放射再結合速度は、従来のＩｎＧａＮ ＱＷと比較して約１７～２５倍及び１４倍の向上を示した。加えて、ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４のより小さい帯ギャップ、及びより大きいＧａＮによる価電子帯オフセットから利益を得ることから、５９０ｎｍ付近の琥珀色発光を得るために、ＩｎＧａＮ層のＩｎ含有量を少なくする必要がある。提案されたＩｎＧａＮ－ＺｎＳｎＧａ_２Ｎ_４ ＱＷ構造は、緑色を超えて発光するＩｎＧａＮ ＱＷベースのＬＥＤの効率を改善するという課題に対処する大きな可能性を示す。この設計に基づいて、可視波長レジーム全体を通して発光する高性能ＩＩＩ－窒化物ベースのＬＥＤを開発することは有望である。

【0115】

明らかであり、本発明に固有である他の利点は、当業者には明白であろう。特定の特徴及び部分組み合わせは、有用であり、他の特徴及び部分組み合わせを参照することなく用いられ得ることが理解されよう。これは、特許請求の範囲の範囲によって考慮され、特許請求の範囲の範囲内である。多くの可能な実施形態は、その範囲から逸脱することなく本発明から作製され得るので、添付の図面に記載又は示される本明細書における全ての事項は、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことを理解されたい。

【0116】

添付の特許請求の範囲の方法は、本明細書に記載される特定の方法によって範囲が限定されるものではなく、これらは、特許請求の範囲のいくつかの態様の例示として意図され、機能的に等価である任意の方法は、特許請求の範囲の範囲内に収まることが意図される。本明細書に示され、記載されるものに加えて、本方法の様々な修正は、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まることが意図される。更に、本明細書に開示される特定の代表的な方法工程のみが具体的に記載されるが、方法工程の他の組み合わせも、具体的に列挙されていなくても、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まることが意図される。したがって、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書において明示的に記載され得るか、又はそれ以下であり得るが、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせは、明示的に記載されていなくても含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22A】

【図22B】

【国際調査報告】