JP2005197650A

JP2005197650A - 発光素子

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Publication number: JP2005197650A
Application number: JP2004224297A
Authority: JP
Inventors: Chung-Hsiang Lin; 仲相林
Original assignee: KANKIN KIGYO YUGENKOSHI
Current assignee: KANKIN KIGYO YUGENKOSHI
Priority date: 2004-01-08
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2005-07-21
Also published as: TWI233218B; TW200524175A

Abstract

【課題】発光効率を向上させると共に、製造工程数及び製造コストを低減可能な発光装置を提供する。
【解決手段】一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた放射光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶とからなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光ダイオードのある一の面及び他の面のいずれかに全指向性フォトニック結晶が設けられてなる発光素子に関するものである。

図１は、従来の発光素子３を概略的に示す。該発光素子３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１２と、該ＬＥＤ１２に埋め込まれた分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector；DBR）１４とからなる。前記ＬＥＤ１２には、基板１１上に形成されたＮ型半導体層１２１と、Ｐ型半導体層１２４と、前記Ｎ型半導体層１２１とＰ型半導体層１２４との間に介在する活性層１２３と、前記Ｎ型半導体層１２１及びＰ型半導体層１２４のそれぞれに形成されたＮ型電極１２２及びＰ型電極１２５とが設けられている。前記ＤＢＲ１４は、前記基板１１と前記Ｎ形半導体層１２１との間に介在する積層型誘電体層１４１、１４２の周期的積層構造を具えており、前記ＤＢＲ１４の誘電率の周期的な変化によって、発生した光を反射することで前記ＬＥＤ１２の発光効率を高めることができる。

前記ＤＢＲ１４のエピタキシャル成長に大きな格子のミスマッチがあると、前記ＬＥＤ１２の発光効率低減につながるので、前記ＤＢＲ１４には前記ＬＥＤ１２の半導体材料と同様な材料を用いるほうがよい。しかしながら、当該構成によると、ある入射角たとえば法線方向からによる入射光しか全反射しないので、入射角により反射性を低下することがある。

図２は、他の従来の発光素子４の構成を概略示す。該発光素子４は、基板１１の一の面に設けたＬＥＤ１２と、前記基板１１の他の面に形成された金属反射器１５とからなり、前記金属反射器１５によって前記ＬＥＤ１２から発生した光を全反射することができ、発光効率を向上させる。

前記発光素子４は、基板（ウエハ）１１の一面に前記ＬＥＤダイが積層されるようにカットし、カットされたダイごとに金属ペーストを塗布して金属反射器１５が形成されることによってが形成されるが、前記ウエハのカットされたＬＥＤダイごとの塗布は、大変間がかかる。

一方、前記ウエハのカッティング工程においては、前記ウエハのアラインメントを正確に行うために、前記光源から前記ウエハを通しての光の投射は、前記検知器により検出されるようでなければならない。このため、前記ウエハのカッティング前に前記ウエハ上に金属ペーストを塗布すると、前記従来の発光素子４の前記金属反射器１５における光源からの光が反射され、前記カッティング工程を行うことができなくなる。そこで、検知器へ光を送るための光帰還装置を余分に設置しなければならないため、生産コストを増す。

なお、カッティング工程は、上述のように通常半導体素子と反対側の面から行う。それは、ウエハの半導体素子側から行うと、生じた熱が溜って前記ＬＥＤダイにダメージを与えるからである。

また、参考として、米国特許第６，１３０，７８０号明細書には、全指向性が高い反射器が開示されており、該反射器は平面状周期フォトニック構造を有し、平面に直角の屈折率変化をさせることができるので、特定の周波数範囲における全ての入射角と極性をもった光に対して全反射をさせることができる。

米国特許第６，１３０，７８０号明細書

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、発光ダイオード（ＬＥＤ）と該ＬＥＤの一の面及び他の面の少なくともいずれかに形成される全指向性フォトニック結晶とからなる発光素子を提供することを目的とする。

上記目的は、本発明によれば、一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶と、を有することを特徴とする発光素子により達成される。

上記の構成によれば、発光効率を向上させると共に、製造工程数及び製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施例について添付図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図３と図４は、本発明の第１実施形態に係る発光素子の構造を示す。該発光素子は、一の面６０１と、該一の面６０１と逆向きの他の面６０２を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）６と、この形態では前記他の面６０２に形成される全指向性フォトニック結晶７とを有する。なお、この例においては、該フォトニック結晶７は１次元の周期的な誘電構造をする。本実施形態の発光素子の構造によって、誘電率が周期的な変化を生じ、特定の周波数範囲の全指向性フォトニックバンドギャップを生成することにより、前記全指向性フォトニック結晶７によって、発光ダイオード６から発生した周波数範囲の全入射角及び分極の放射光を全反射することができる。従って、前記一の面６０１と前記他の面６０２の他方からの出射光を向上させると共に、前記周波数範囲から外れた出射光の少なくとも一部は前記全指向性フォトニック結晶７を透過することができる。

前記発光ダイオード６は、基板６１に第１、第２の半導体層６２２、６２５と、前記第１、第２の半導体層６２２、６２５の間に介在する活性層６２４とからなる発光構造を用いる。前記第１及び第２の半導体層６２２、６２５は、夫々Ｎ型半導体層、Ｐ型半導体層からなり、両者が間にＰＮ接合領域を画成しており、このＰＮ接合領域が活性層６２４に相当する。前記第１の半導体層６２２は、前記基板６１上に形成される。前記基板６１は、前記第１の半導体層６２２と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオード６の前記一の面６０１と前記他の面６０２の一方、即ち前記他の面６０２である。前記発光素子はさらに、前記第１と第２の半導体層６２２、６２５に、Ｎ型電極８１とＰ型電極８２を備える。

前記全指向性フォトニック結晶７は、複数の周期的積層型誘電体層７１を有し、該積層型誘電体層７１のそれぞれは、図４に示すように、互いに積層された第１の誘電体層７１１及び第２の誘電体層７１２から構成されている。前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁を調整して前記第１の誘電体層７１１と第２の誘電体層７１２との間の屈折率の差が０．５８以上となるように設定することにより、３％以上のバンドギャップ幅をもつ全指向性フォトニック結晶７を得ることができる。図５は、第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁と、バンドギャップ幅と、屈折率差ｎ₁−ｎ₂間の関係図である。ただし、ｎ₁、ｎ₂はそれぞれ第１、第２の誘電体層７１１、７１２の屈折率を表す。前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁は、前記全指向性フォトニック結晶７の格子定数に関係があり、ここで、格子定数ａは、前記周期的積層型誘電体層７１全体の膜厚と定義する。

なお、０．２７ｃ／ａ〜０．３１ｃ／ａの周波数範囲、バンドギャップ幅が３％以上の全指向性フォトニックバンドギャップを得るには、前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁を０．２４ａ〜０．６９ａの範囲とし、屈折率差ｎ₁−ｎ₂を０．９〜１．２とすることが好ましい。ただし、ｃは光速を表す。

また、前記第１の誘電体層７１１の材料としては、例えばＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＺｎＯ、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、ＺｎＳなど、前記第２の誘電体層７１２の材料としては、例えばＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＢａＦ₂、ＡｌＦ₃、ＬａＦ₃、ＮｄＦ₃、ＹＦ₃、ＣｅＦ₃などが用いられることが好ましく、とりわけ前記第１の誘電体層７１１は、ＴｉＯ₂からなり、前記第２の誘電体層７１２は、ＳｉＯ₂からなることがより好ましい。

（第２実施形態）
図２１は、本発明の第２実施形態による発光素子を用いる発光装置の一例を示す。この発光素子は、前記全指向性フォトニック結晶７が前記発光ダイオード６のある一の面６０１と他の面６０２のいずれか一面、即ち一の面６０１に形成されているほか、前記第１実施形態と同様な構成を有している。なお、図における同一構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

前記基板６１は、前記発光ダイオード６から発生する光を透過可能な透明なものを用いる。前記全指向性フォトニック結晶７は、前記発光ダイオード６の一の面６０１から取り出される周波数範囲における発光を全反射する。

また、当該発光装置において、該発光素子の放熱のために、放熱手段９が設けられている。該放熱手段９は、接続部材８３、８３を介して前記第１と第２の半導体層６２２、６２５と連結されている。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例の範囲に限定されるものではない。

この実施例１においては、前記発光ダイオード６の第１、第２の半導体層６２２、６２５は、ＧａＮ系材料より形成し、前記基板６１は、サファイアより形成する。前記発光ダイオード６は、３００ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲のＵＶ光を発生することができる。前記全指向性フォトニック結晶７の形成に当たっては、前記基板６１の他の面６０２に、それぞれの屈折率が２．６、１．４８で、両者の差が１．１２であるＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂を交互に１４回繰り返し電子線蒸着させることにより、第１、第２の誘電体層７１１、７１２を積層して、積層型誘電体層７１を形成する。前記周期的積層型誘電体層７１の格子定数ａは１１０ｎｍであり、前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁は、０．４２ａである。

図６は、該実施例１の発光素子の全指向性フォトニックバンド結晶におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図６に２鎖線の間に、周波数範囲が０．２７３ｃ／ａと０．３ｃ／ａとの間のフォトニックバンドギャップを示す。図６における導波モード、ＴＥ、ＴＭ及び波ベクトル或いは波数ｋ_yの定義には、例えば米国特許第６，１３０，７８０号明細書の記載を援用する。

図７（ａ）、（ｂ）は、該実施例１の第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ₂層）の膜厚ｄ₁と周波数、全指向性フォトニックバンドギャップ幅との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ₁が約０．４２ａであるときは、得られる最大のバンドギャップ幅は約１０％である。

図８は、該実施例１の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

図９と図１０は、該実施例１の前記基板６１（波長３８５ｎｍのサファイアの屈折率は約１．７）及び前記発光ダイオード６（波長３８５ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．５８）のそれぞれの波長と平均反射率、透過率との関係を示す。結果として、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

該実施例１の発光素子によれば、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が得られる。

当該実施例２の発光素子では、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長範囲の青色発光をする発光ダイオード６を用いる。第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁は０．４２ａ（格子定数ａは１３４ｎｍ）、第１、第２の誘電体層７１１、７１２のそれぞれの屈折率は２．４２、１．４７で、両者の差が０．９５であることを除き、実施例１の構成と同様である。なお、図における同様な構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。

図１１は、該実施例２の発光素子の全指向性フォトニック結晶７におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図１１における２つの鎖線に示されているように、０．２９１ｃ／ａと０．３０５ｃ／ａとに挟まれたフォトニックバンドギャップを有する。

図１２（ａ）、（ｂ）は、該実施例２の第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ₂層）の膜厚ｄ₁と全指向性フォトニックバンドギャップの周波数、バンドギャップ幅との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ₁が約０．４４ａであるとき最大の約５％のバンドギャップ幅が得られる。

図１３は、該実施例２の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

図１４と図１５は、該実施例２の前記基板６１及び前記発光ダイオード６（波長４５０ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．４８）それぞれの波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

該実施例２の発光素子によれば、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が実現できる。

当該実施例３の発光素子は、４８０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲の緑色に発光する発光ダイオード６を用いる、第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ₁は０．４５ａ（格子定数ａは１５１ｎｍ）、第１、第２の誘電体層７１１、７１２のそれぞれの屈折率は２．３６、１．４６で、両者の差が０．９であることを除き、実施例１の構成と同様である。なお、図における同一構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。

図１６は、該実施例３の発光素子の全指向性フォトニック結晶７におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図１６における２鎖線間、つまり０．２９７ｃ／ａと０．３０８ｃ／ａとの間に示すようなフォトニックバンドギャップを有する。

図１７（ａ）、（ｂ）は、該実施例３の全指向性フォトニックバンドギャップと第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ₂層）の膜厚ｄ₁との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ₁が約０．４５ａであるとき、最大約３．５％のバンドギャップ幅が得られる。

図１８は、該実施例３の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

図１９と図２０はそれぞれ、該実施例３の前記基板６１及び前記発光ダイオード６（波長５００ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．４４）それぞれの波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。

該実施例３の発光素子によれば、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が実現できる。

本発明の発光素子は、製造コストを有効に低減すると共に、発光効率が高い発光素子を実現する。

従来の発光素子の構造を示す概略図である。他の従来の発光素子の構造を示す概略図である。本発明の第１実施形態による発光素子の構造を示す概略図である。本発明の第１実施形態における全指向性フォトニック結晶の構造を示す概略断面図である。本発明による第１と第２の誘電体層との屈折率差及び第１の誘電体層の厚さによるフォトニックバンドギャップの関係を示す図である。該第１実施形態の実施例１の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。（ａ）は該第１実施形態の実施例１の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップ幅の関係を示す図である。該第１実施形態の実施例１の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。該第１実施形態の実施例１における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。該第１実施形態の実施例１における発光ダイオードの平均反射率を示す図である。該第１実施形態の実施例２の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。（ａ）は該第１実施形態の実施例２の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップの関係を示す図である。該第１実施形態の実施例２の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。該第１実施形態の実施例２における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。該第１実施形態の実施例２における発光ダイオードの平均反射率を示す図である。該第１実施形態の実施例３の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。（ａ）は該第１実施形態の実施例３の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップの関係を示す図である。該第１実施形態の実施例３の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。該第１実施形態の実施例３における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。第１実施形態の実施例３による発光素子の発光ダイオードの平均反射率を示す図である。本発明の第２実施形態に係る発光素子の構造を示す概略図である。

符号の説明

６：発光ダイオード（ＬＥＤ）
６０１：一の面
６０２：他の面
６１：基板
６２２：第１の半導体層
６２４：活性層
６２５：第２の半導体層
７：全指向性フォトニック結晶
７１：誘電体
７１１：第１の誘電体層
７１２：第２の誘電体層
８１：Ｎ形電極
８２：Ｐ形電極
８３：接続部材
９：放熱手段

Claims

一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、
前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた放射光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶と、
を有することを特徴とする発光素子。
前記発光ダイオードは、基板に、第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層によってこれらの間に画成されたＰＮ接合領域からなる活性層とが形成されてなる発光構造を具え、
前記第１の半導体層は、前記基板上に形成され、
前記基板は、前記第１の半導体層と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオードの前記一の面及び前記他の面のいずれか一方と一致することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記全指向性フォトニック結晶は、複数の周期的積層型誘電体層を有し、
該積層型誘電体層のそれぞれは、互いの屈折率の差が０．５８以上になる第１及び第２の誘電体層が積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
格子定数ａを前記周期的積層型誘電体層全体の膜厚と定義し、光速をｃと表したとき、
前記第１の誘電体層の膜厚が０．２４ａ〜０．６９ａの範囲内、前記第１及び第２の誘電体層の屈折率差が０．９〜１．２の範囲内であり、０．２７ｃ／ａ〜０．３１ｃ／ａの周波数範囲内の全指向性フォトニックバンドギャップが前記全指向性フォトニック結晶において得られることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＺｎＯ、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、及びＺｎＳからなる群から選ばれた１つより構成され、
前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＢａＦ₂、ＡｌＦ₃、ＬａＦ₃、ＮｄＦ₃、ＹＦ₃、及びＣｅＦ₃からなる群から選ばれた１つより構成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の発光素子。
前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ₂より構成され、
前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ₂より構成されることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
前記発光ダイオードは、透明基板に、第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層によってこれらの間に画成されたＰＮ接合領域からなる活性層とが形成されてなる発光構造を具え、
前記第１の半導体層は、前記透明基板上に形成され、
前記第２の半導体層は、前記活性層と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオードの前記一の面及び前記他の面のいずれか一方と一致することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
さらに、前記第１及び第２の半導体層と連結される放熱手段を有することを特徴とする請求項７に記載の発光素子。