JP2006059864A - Light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオード(LED)や有機EL等の自発発光する発光素子に関する。 The present invention relates to a light emitting element that emits light spontaneously, such as a light emitting diode (LED) or an organic EL.
発光ダイオード(LED)や有機ELなどの自発発光する発光素子は、表示、ディスプレイ、照明等の広い分野での利用が期待されているが、発光体から放射された光は全反射によって外部への取り出しが制限されるため、発光体で発光した光の利用効率が低いという問題が指摘されている。例えば、LED等の半導体を用いた発光素子の効率は10%以下と言われている。 Light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs) and organic ELs are expected to be used in a wide range of fields such as displays, displays, and lighting. However, the light emitted from a light emitter is externally reflected by total reflection. Since extraction is limited, a problem has been pointed out that utilization efficiency of light emitted from the light emitter is low. For example, the efficiency of a light emitting element using a semiconductor such as an LED is said to be 10% or less.
この課題を解決するものとして、半導体表面に周期構造を形成する手法が提案されている(例えば、特許文献1,2,3参照)。半導体表面に形成した周期構造は、周期構造の波数変換作用によって半導体内部の光の方向を変化させ、全反射していた光を空気中に取り出すようにするものである。 In order to solve this problem, a method of forming a periodic structure on a semiconductor surface has been proposed (see, for example, Patent Documents 1, 2, and 3). The periodic structure formed on the semiconductor surface changes the direction of light inside the semiconductor by the wave number converting action of the periodic structure, and takes out the totally reflected light into the air.
発光体が放射する光を空気中により効率良く取り出すことが求められている。 There is a demand for more efficient extraction of light emitted from a light emitter in the air.
また、上記した半導体表面に周期構造を形成した発光素子では、波長と周期に若干の関連性があり、周期構造により帯域依存性や視野角依存性を有するため、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させるには限界があるという課題がある。 In addition, the light emitting device having a periodic structure on the semiconductor surface described above has a slight relationship between the wavelength and the period, and the periodic structure has a band dependency and a viewing angle dependency. There is a problem that there is a limit to improving it.
本発明は前記した従来の問題点を解決し、帯域依存性や視野角依存性を低減して、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させ、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, reduces the band dependency and the viewing angle dependency, improves the efficiency with respect to a wide solid angle and a wide spectrum, and more efficiently emits light emitted from a light emitter in the air. The purpose is to take out.
本発明は、発光面の構成を並進対称性を持つ周期構造に代えて、並進対称性を持たない準結晶構成とすることによって、周期構造に伴う帯域依存性や視野角依存性を低減し、発光の空気中への取り出し効率を向上させる。 The present invention reduces the band dependency and the viewing angle dependency associated with the periodic structure by replacing the light emitting surface configuration with a periodic structure having translational symmetry and a quasicrystal configuration without translational symmetry, Improves the efficiency of extracting emitted light into the air.
本発明の発光素子は、発光体の発光面に、並進対称性を有しないフォトニック準結晶による格子構造を形成する構成とすることで、発光面の構成を並進対称性を持たない準結晶構成とする。 The light-emitting element of the present invention has a structure in which a lattice structure of a photonic quasicrystal having no translational symmetry is formed on the light-emitting surface of the light emitter, so that the structure of the light-emitting surface has no quasicrystal structure. And
ここで、一般に結晶とは、物質が規則正しく周期的に並んだ固体であり、単位胞を周期的にずらすことで空間を埋めることができる並進対称性を備えるものである。 Here, in general, a crystal is a solid in which substances are regularly arranged periodically and has translational symmetry that can fill a space by periodically shifting unit cells.
これに対して、準結晶は結晶が備える並進対称性を持たず、通常の並進対称性を有する結晶では許されない回転対称性(例えば、5回、8回、10回、12回対称)を備える。なお、本発明において、準結晶は、結晶の周期性が外乱等によって乱れたものとは異なるものであり、上記の回転対称性等のように所定の性質に基づいて積極的に周期性からずれるような特性を持たせたものである。 On the other hand, the quasicrystal does not have the translational symmetry that the crystal has, and has rotational symmetry (for example, 5, 8, 10, 12) that is not allowed in a crystal having normal translational symmetry. . In the present invention, the quasicrystal is different from that in which the periodicity of the crystal is disturbed by a disturbance or the like, and actively deviates from the periodicity based on a predetermined property such as the above-described rotational symmetry. It has such characteristics.
また、フォトニック結晶は、屈折率が異なる二つの物質が光の波長程度の周期で規則正しく繰り返し並んだ固体である。 The photonic crystal is a solid in which two substances having different refractive indexes are regularly arranged with a period of about the wavelength of light.
したがって、本発明のフォトニック準結晶は、発光体の発光面に、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を備えるものとすることができる。この構成は、発光体の発光面に、フォトニック結晶を構成する屈折率領域を、並進対称性を有しない準結晶のパターンに従って配列することで形成することができる。 Therefore, the photonic quasicrystal of the present invention has a refractive index quasi-periodic structure having a long-range order and a rotational symmetry without having a translational symmetry with respect to the refractive index on the light emitting surface of the light emitter. it can. This configuration can be formed by arranging the refractive index regions constituting the photonic crystal on the light emitting surface of the light emitter according to the pattern of the quasicrystal having no translational symmetry.
また、上記構成により、本発明の発光素子の発光面において、フォトニック結晶を構成する屈折率領域は並進対称性と相容れない回転対称性を備える。 With the above configuration, the refractive index region constituting the photonic crystal has rotational symmetry that is incompatible with translational symmetry in the light emitting surface of the light emitting device of the present invention.
また、本発明の発光素子の構成は、より詳細には、発光体の発光面に、第1の屈折率を有する複数の第1の領域と、この第1の屈折率と異なる第2の屈折率を有する複数の第2の領域を備える構成であり、これらの領域は準結晶のパターンに従って配列することでフォトニック準結晶の格子構造を形成している。これにより、第1の領域及び/又は第2の領域は、長距離規則性、短距離不規則性、及び並進対称性と相容れない回転対称性を備える。 In more detail, the configuration of the light-emitting element of the present invention includes a plurality of first regions having a first refractive index on the light-emitting surface of the light emitter, and a second refraction different from the first refractive index. The structure includes a plurality of second regions having a ratio, and these regions are arranged according to a pattern of a quasicrystal to form a lattice structure of a photonic quasicrystal. As a result, the first region and / or the second region have a long-range regularity, a short-range irregularity, and a rotational symmetry that is incompatible with translational symmetry.
上記の格子構造の第1の形態は、第1の領域又は第2の領域の一方の領域を半導体層により形成し、他方の領域を半導体層内に分散させて形成する部位とし、この部位を第1の領域を形成する半導体層内に並進対称性を持たないように準結晶のパターンに従って配列する。そして、この部位として半導体層に形成する開口部又は凹部とし、準結晶のパターンの格子点の位置に配列する。このように、準結晶のパターンの格子点位置に配列することにより、開口部又は凹部の半導体層上における配置は、準結晶のパターン配置となる。 In the first form of the lattice structure, one of the first region and the second region is formed by a semiconductor layer, and the other region is formed by being dispersed in the semiconductor layer. The semiconductor layers forming the first region are arranged according to a quasicrystal pattern so as not to have translational symmetry. Then, this part is an opening or a recess formed in the semiconductor layer, and is arranged at the position of the lattice point of the quasicrystal pattern. Thus, by arranging at the lattice point positions of the quasicrystal pattern, the arrangement of the openings or the recesses on the semiconductor layer becomes the quasicrystal pattern arrangement.
また、上記の格子構造の第2の形態は、半導体層上に準結晶のパターンを形成し、準結晶のパターンを構成する各単位胞に対応付けて第1の領域及び第2の領域を配列する。準結晶の各単位胞は並進対称性を有しない準結晶のパターンであるから、このパターンに対応付けられた配列した第1の領域及び第2の領域は、並進対称性を有しない配列となる。そして、この第1の領域及び第2の領域の何れか一方は、準結晶のパターンを構成する単位胞に形成した開口部又は凹部とすることができる。 In the second form of the lattice structure, a quasicrystal pattern is formed on the semiconductor layer, and the first region and the second region are arranged in association with each unit cell constituting the quasicrystal pattern. To do. Since each unit cell of the quasicrystal is a quasicrystal pattern that does not have translational symmetry, the first region and the second region that are arranged in correspondence with this pattern have an arrangement that does not have translational symmetry. . And any one of this 1st area | region and 2nd area | region can be made into the opening part or recessed part formed in the unit cell which comprises the pattern of a quasicrystal.
上記した第1の形態及び第2の形態において、開口部又は凹部内は例えば空気で満たされる。半導体層と空気の屈折率は異なるため、第1の領域と第2の領域の屈折率は異なりことになり、フォトニック準結晶を構成する。 In the first and second embodiments described above, the opening or the recess is filled with, for example, air. Since the refractive indexes of the semiconductor layer and air are different, the refractive indexes of the first region and the second region are different, so that a photonic quasicrystal is formed.
なお、開口部又は凹部の配列ピッチは発光波長λの数分の一から数倍程度、例えば、0.2〜1.6倍であり、口径は配列ピッチの数分の一から同程度、例えば、0.3〜1.0倍とすることができる。 In addition, the arrangement pitch of the openings or the recesses is about a fraction of the emission wavelength λ, for example, 0.2 to 1.6 times, and the aperture is about a fraction of the arrangement pitch, for example, 0.3 to 1.0 times.
準結晶のパターンは、ペンローズタイリングのパターン、又は12回対称を有する正方形−三角形タイリングのパターンとすることができる。ペンローズタイリングのパターンが有する10角形のパターンにより開口部又は凹部を形成ことができる他、正方形−三角形タイリングのパターンが有する6角形のパターンにより開口部又は凹部を形成することができる。 The quasicrystalline pattern can be a Penrose tiling pattern or a square-triangular tiling pattern with 12-fold symmetry. An opening or a recess can be formed by a pentagonal pattern included in a Penrose tiling pattern, and an opening or a recess can be formed by a hexagonal pattern included in a square-triangle tiling pattern.
本発明の発光素子において、上記した準周期構造は、完全な周期的構造からはずれた構造となり、周期的構造と非周期的構造とを同一の発光面に備える。周期的な構造によって光の取り出しにおいてフォトニック結晶と同等以上の高効率を得ることができ、また、非周期的構造によって光の取り出しにおいて広帯域性及び広角度性を得ることができる。 In the light emitting device of the present invention, the quasi-periodic structure described above is a structure deviating from a complete periodic structure, and the periodic structure and the aperiodic structure are provided on the same light emitting surface. With the periodic structure, it is possible to obtain a high efficiency equal to or higher than that of the photonic crystal in the light extraction, and it is possible to obtain a broadband property and a wide angle property in the light extraction by the non-periodic structure.
以上説明したように、本発明によれば、帯域依存性や視野角依存性を低減し、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the band dependency and the viewing angle dependency and improve the efficiency with respect to a wide solid angle and a wide spectrum.
また、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことができる。 Further, the light emitted from the light emitter can be extracted more efficiently in the air.
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の発光素子の概略構成を説明するための図である。ここでは、半導体を用いて発光素子を例として説明する。 FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a light emitting device of the present invention. Here, a light-emitting element is described as an example using a semiconductor.
図1において、発光素子1は、活性層3とこの活性層3を上下に挟むクラッド層2,4からなるLEDの発光体部分と、外界と接触して活性層3で放射した発光を外界に取り出す発光面5とを備える。各層の屈折率は、例えば活性層3では3.0としクラッド層4,5では2.7としている。 In FIG. 1, a light emitting device 1 is configured to emit light emitted from an active layer 3 in contact with the light emitting portion of an LED including an active layer 3 and cladding layers 2 and 4 sandwiching the active layer 3 above and below. And a light emitting surface 5 to be taken out. The refractive index of each layer is, for example, 3.0 for the active layer 3 and 2.7 for the cladding layers 4 and 5.
なお、図1に示す形状は、発光素子の解析用モデルを示すものであって、λを発光波長としたとき、例えば、縦方向及び横方向の寸法を8λ、3つの層の厚さの寸法を2λとし、活性層3の厚さの0.3λとしているが、縦方向及び横方向の寸法は任意に設定することができる。また、図1では、発光体部分を活性層とクラッド層の層状構造の例について示しているが、後述するようにバルク構造とすることもできる。 The shape shown in FIG. 1 shows an analysis model of a light emitting element, and when λ is an emission wavelength, for example, the vertical and horizontal dimensions are 8λ, and the thickness of three layers. Is 2λ and the thickness of the active layer 3 is 0.3λ, but the dimensions in the vertical and horizontal directions can be arbitrarily set. 1 shows an example of the layered structure of the active layer and the clad layer in the light emitting portion, it can be a bulk structure as will be described later.
本発明の発光素子1は、発光体部分の上側のクラッド層5の上面に発光面5を備える。 The light emitting device 1 of the present invention includes a light emitting surface 5 on the upper surface of the clad layer 5 on the upper side of the light emitting portion.
発光面5は、半導体層に孔部(あるいは凹部)6を形成して構成される。この孔部6内には空気が満たされるため、発光面5は半導体部分の領域と孔部6による空気部分の領域の屈折率を異にする2つの領域によって構成され、この2つの屈折率を異にする領域を光の波長程度の周期で繰り返して並べることでフォトニック結晶を構成している。 The light emitting surface 5 is configured by forming a hole (or recess) 6 in a semiconductor layer. Since the hole 6 is filled with air, the light emitting surface 5 is composed of two regions having different refractive indexes of the semiconductor portion region and the air portion region formed by the hole 6. A photonic crystal is configured by repeatedly arranging different regions with a period of about the wavelength of light.
孔部6の形状は円形の他に任意の形状とすることができる。孔部6は、半導体層上に並進対称性を持たない準結晶のパターンに従って配列される。本発明の孔部6は、前記した2つの異なる屈折率領域を光の波長程度の周期で繰り返すフォトニック結晶において、配列パターンを準結晶のパターンに従うことによってフォトニック準結晶(Quasiperiodic Photonic Crystal:QPC)を構成している。 The shape of the hole 6 can be any shape other than a circle. The holes 6 are arranged on the semiconductor layer according to a pattern of quasicrystals having no translational symmetry. The hole 6 of the present invention is a photonic crystal in which the above-described two different refractive index regions are repeated with a period of the order of the wavelength of light, and a photonic quasicrystal (Quasiperiodic Photonic Crystal: QPC) is obtained by following the pattern of the quasicrystal. ).
準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)のパターンを用いることができる。 As a pattern for forming the quasicrystal, for example, a Penrose tiling pattern or a 12-fold Symmetric pattern can be used.
ペンローズタイリング(Penrose-type)のフォトニック準結晶は5回対称の回転対称性を持ち、正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)フォトニック準結晶は12回対称の回転対称性を持ち、いずれも並進対称性を持つ通常の結晶に許されない回転対称性を備えている。なお、回転対称性は、図形の回転の前後において区別がつかない性質であり、5回対称の回転対称性は72°(=360°/5)の回転で図形が重なり、12回対称の回転対称性は30°(=360°/12)の回転で図形が重なることになる。図1では、12回対称の回転対称性に基づいて孔部6を配置している。 Penrose-type photonic quasicrystals have a five-fold rotational symmetry, square-triangle tiling (12-fold Symmetric) photonic quasicrystals have a 12-fold rotational symmetry, Both have rotational symmetry that is not allowed in ordinary crystals with translational symmetry. Note that rotational symmetry is an indistinguishable property before and after the rotation of the figure, and the five-fold rotational symmetry is that the figures overlap with each other by rotation of 72 ° (= 360 ° / 5) and the rotation is 12-fold symmetrical. The symmetry is that the figures overlap with each other by rotation of 30 ° (= 360 ° / 12). In FIG. 1, the holes 6 are arranged based on 12-fold rotational symmetry.
なお、発光面5はクラッド層5の上面部分を用いる構成とすることも、あるいはクラッド層5の上方に半導体層を生成して形成する構成としてもよい。また、円孔6は、この半導体層にレーザー光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。 The light emitting surface 5 may be configured to use the upper surface portion of the cladding layer 5, or may be configured to form a semiconductor layer above the cladding layer 5. Further, the circular hole 6 can use a laser processing technique for forming a recess in the semiconductor layer by laser light irradiation, or a semiconductor generation technique such as etching the semiconductor layer using a mask.
活性層3で発光した光は発光面5から外界(空気側)に放出される。このとき、本発明の発光素子1の発光面5は、当該発光面にフォトニック準結晶構造を形成することによって、発光体内から外界への光の取り出し効率を向上させ、また、光の取り出しにおいて広帯域性及び広角度性を向上させる。 The light emitted from the active layer 3 is emitted from the light emitting surface 5 to the outside (air side). At this time, the light-emitting surface 5 of the light-emitting element 1 of the present invention improves the light extraction efficiency from the light-emitting body to the outside by forming a photonic quasicrystal structure on the light-emitting surface. Broadband and wide angle are improved.
以下、図2を用いて、本発明のフォトニック準結晶(QPC-LED)による発光素子において、光の入射角に対する強度分布と、発光素子から外部に取り出される放射パワーのシミュレーション結果を、発光面が平面であるLED(平面LED)とフォトニック結晶によるLED(PC-LED)と比較して示す。 Hereinafter, with reference to FIG. 2, in the light emitting device using the photonic quasicrystal (QPC-LED) according to the present invention, the intensity distribution with respect to the incident angle of light and the simulation result of the radiation power extracted from the light emitting device to the outside Compared with a flat LED (planar LED) and a photonic crystal LED (PC-LED).
なお、シミュレーションでは、波長をセルサイズがn(屈折率)の1/10以下となる範囲で変化させ、活性層中の中央部でEy成分のみの1点に励振を与えている。なお、図2では、波長λ=1.00μm,ピッチa=0.6λ、円孔径2r/a=0.66とし、このときの横断面電界分布を図2(a)に示し、縦断面電界分布を図2(b)に示し、発光面での光の入射角に対する強度分布を図2(c)に示し、放射パターンの時間変化を図2(d)に示している。なお、図2(a)〜図2(d)において、左側は平面LEDによるシミュレーション結果であり、中央はPC-LEDによるシミュレーション結果であり、右側は本発明のQPC-LEDによるシミュレーション結果である。 In the simulation, the wavelength is changed in a range where the cell size is 1/10 or less of n (refractive index), and excitation is given to only one point of the Ey component at the central portion in the active layer. In FIG. 2, the wavelength λ = 1.00 μm, the pitch a = 0.6λ, the circular hole diameter 2r / a = 0.66, and the cross-sectional electric field distribution at this time is shown in FIG. The distribution is shown in FIG. 2B, the intensity distribution with respect to the incident angle of light on the light emitting surface is shown in FIG. 2C, and the time variation of the radiation pattern is shown in FIG. 2A to 2D, the left side is a simulation result by a flat LED, the center is a simulation result by a PC-LED, and the right side is a simulation result by the QPC-LED of the present invention.
図2(c)の光の入射角に対する強度分布に示すように、平面LEDによる発光素子では、クラッドと空気との屈折率差により決まる全反射角θ1=21.7°以内の狭い範囲の光しか取り出せないのに対して、PC-LEDやQPC-LEDによる発光素子では、全反射角以上の光についても取り出すことができる。 As shown in the intensity distribution with respect to the incident angle of light in FIG. 2 (c), in a light emitting element using a flat LED, light in a narrow range within a total reflection angle θ1 = 21.7 ° determined by the refractive index difference between the cladding and air. In contrast, light-emitting elements using PC-LEDs and QPC-LEDs can extract light with a total reflection angle or more.
また、図2(d)の放射パターンに示すように、QPC-LEDによる発光素子は、平面LEDによる発光素子に対して1.7倍の出力を得ることができ、PC-LEDによる発光素子に対しては1.2倍の出力を得ることができる。 In addition, as shown in the radiation pattern of FIG. 2 (d), the light emitting element using the QPC-LED can obtain 1.7 times the output of the light emitting element using the flat LED. On the other hand, an output of 1.2 times can be obtained.
次に、図3を用いて、円孔径2rとピッチaに対する放射パワーの変化を示す。ここでは、ピッチaを固定し、発光波長λと円孔径2rを変化させた解析結果を示している。図3(a)は、円孔径、ピッチに対する平面LEDで規格化したPC-LEDの放射パワーに変化を示し、図3(b)は、同様に規格化したQPC-LEDの放射パワーに変化を示している。図3(a)において、フォトニック結晶によるPC-LEDでは、2r/a=0.6〜0.8の範囲で高出力が得られ、最大で平面LEDの約1.5倍を示している。一方、図3(b)において、本発明のフォトニック準結晶によるQPC-LEDでは、2r=0.5λ,a=0.6λのときに最も高い出力1.8倍が得られることを示している。 Next, the change of the radiation power with respect to the circular hole diameter 2r and the pitch a is shown using FIG. Here, an analysis result in which the pitch a is fixed and the emission wavelength λ and the circular hole diameter 2r are changed is shown. Fig. 3 (a) shows the change in the radiation power of the PC-LED standardized by the flat LED with respect to the hole diameter and pitch, and Fig. 3 (b) shows the change in the radiation power of the QPC-LED similarly normalized. Show. In FIG. 3A, a high output is obtained in the range of 2r / a = 0.6 to 0.8 in the PC-LED using the photonic crystal, and the maximum is about 1.5 times that of the planar LED. . On the other hand, FIG. 3B shows that in the QPC-LED using the photonic quasicrystal of the present invention, the highest output 1.8 times can be obtained when 2r = 0.5λ and a = 0.6λ. Yes.
なお、図3において、黒丸印は2r/a=0.8,黒四角印は2r/a=0.75,黒三角印は2r/a=0.66,白丸印は2r/a=0.60,白四角印は2r/a=0.50,白三角印は2r/a=0.40,×印は2r/a=0.33を示している。 In FIG. 3, the black circle mark is 2r / a = 0.8, the black square mark is 2r / a = 0.75, the black triangle mark is 2r / a = 0.66, and the white circle mark is 2r / a = 0. 60, white square mark 2r / a = 0.50, white triangle mark 2r / a = 0.40, and x mark 2r / a = 0.33.
上記図2,3のシミュレーション結果によれば、本発明のフォトニック準結晶による発光素子を用いることで、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させ、帯域依存性や視野角依存性を低減することができる。 According to the simulation results shown in FIGS. 2 and 3, the efficiency for a wide solid angle and a wide spectrum is improved and the band dependency and the viewing angle dependency are reduced by using the light emitting element of the photonic quasicrystal of the present invention. be able to.
次に、発光体が層構造とバルク構造の比較について、図4,5を用いて説明する。 Next, a comparison between the layer structure and the bulk structure of the light emitter will be described with reference to FIGS.
発光体が活性層とクラッド層の層構造である場合、活性層から放射された光は、図4に示すように活性層とクラッド層の屈折率差により全反射を受ける。クラッド層を導波されずに活性層に閉じ込められる光の放射パワーへの影響について見ると、活性層,クラッド層,空気の各屈折率をそれぞれ3.0,2.7,1.0とすると、クラッド層と空気の境界面での全反射角θ1は次式(1)で表される。
Sin-1(nAir/nClad)=21.74° …(1)
When the light emitter has a layer structure of an active layer and a clad layer, the light emitted from the active layer undergoes total reflection due to the difference in refractive index between the active layer and the clad layer as shown in FIG. Looking at the influence on the radiation power of the light confined in the active layer without being guided through the cladding layer, the refractive indexes of the active layer, the cladding layer, and air are 3.0, 2.7, and 1.0, respectively. The total reflection angle θ1 at the interface between the cladding layer and air is expressed by the following equation (1).
Sin −1 (nAir / nClad) = 21.74 ° (1)
また、活性層とクラッド層の境界面での全反射角θ2も同様にして次式(2)で表される。
Sin-1(nClad/nAct)=64.16° …(2)
Similarly, the total reflection angle θ2 at the interface between the active layer and the clad layer is also expressed by the following equation (2).
Sin −1 (nClad / nAct) = 64.16 ° (2)
上記式(2)から、活性層から放射された光の内で入射角64.16°以上で進む光は活性層に閉じ込められる。 From the above equation (2), light traveling from the active layer at an incident angle of 64.16 ° or more is confined in the active layer.
ここで、活性層のないバルク構造とすると、全ての光がクラッド層へ導波するため、全反射角以上で進む光を取り出せるPC-LEDやQPC-LEDでは出力が向上する。 Here, when a bulk structure without an active layer is used, all light is guided to the cladding layer, so that the output is improved in a PC-LED or QPC-LED that can extract light traveling at a total reflection angle or more.
図5は、平面LEDとQPC-LEDにおいて、活性層がある場合と活性層がなくバルク構造である場合の縦断面電界分布と放射パワーの時間的変化を示している。 FIG. 5 shows time-dependent changes in the vertical cross-section electric field distribution and radiation power when there is an active layer and when there is no active layer and a bulk structure in a planar LED and a QPC-LED.
このとき、波長λ=1.00μmとし、QPCのピッチa=0.6λ、円孔径2r/a=0.66とすると、活性層がある場合には屈折率により光が縦長の楕円状となり、活性層がない場合には真円に近い形状となる。 At this time, when the wavelength λ = 1.00 μm, the QPC pitch a = 0.6λ, and the circular hole diameter 2r / a = 0.66, the light is vertically elongated due to the refractive index when there is an active layer, When there is no active layer, the shape is close to a perfect circle.
活性層がない場合の出力は、活性層がある場合と比較して、平面LEDでは0.9倍となるのに対して、QPC-LEDでは、でほとんど変化を示していない。これは、垂直方向に減少する分を全反射角以上で進む光を多く取り込むことと推測される。 The output without the active layer is 0.9 times that of the planar LED compared with the case of having the active layer, whereas the QPC-LED shows almost no change. This is presumed to capture a large amount of light traveling at a total reflection angle or more for the amount of decrease in the vertical direction.
本発明の発光素子を構成するためのフォトニック準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)のパターンを用いることができる。以下、フォトニック準結晶を形成するパターン例を図6を用いて説明する。 As a pattern for forming a photonic quasicrystal for constituting the light emitting device of the present invention, for example, a Penrose-type pattern or a square-triangle tiling pattern is used. Can do. Hereinafter, a pattern example for forming a photonic quasicrystal will be described with reference to FIG.
図6(a)はペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンを示し、図6(b)は正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)のパターンを示している。 FIG. 6A shows a pattern of Penrose tiling (Penrose-type), and FIG. 6B shows a pattern of square-triangle tiling (12-fold Symmetric).
図6(a)に示すペンローズタイリング(Penrose-type)のパターン11は5回対称の回転対称性を持つ。ペンローズタイリングは、異なる角度を有する隣接菱形の単位格子12,13(内角が36°と144°の菱形と、内角が72°と108°の菱形)によって形成され、このタイル(単位格子)を平面内で貼り合わせることによって、5回対称軸を持ちかつ非周期的なパターンを形成することができる。 Penrose tiling (Penrose-type) pattern 11 shown in FIG. 6A has a five-fold rotational symmetry. The Penrose tiling is formed by adjacent diamond-shaped unit cells 12 and 13 having different angles (diamonds having inner angles of 36 ° and 144 ° and diamonds having inner angles of 72 ° and 108 °). By affixing in a plane, a non-periodic pattern having a 5-fold symmetry axis can be formed.
このペンローズタイリング(Penrose-type)のパターンを用いてフォトニック準結晶の構造を構成するには、種々の態様とすることができる。 In order to construct the structure of the photonic quasicrystal using the Penrose-type pattern, various modes can be used.
例えば、第1の態様では、ペンローズタイリングのパターンを10角形の領域14とその他の領域に分け、両領域部分の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において10角形の領域14に孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 For example, in the first aspect, the photonic quasicrystal can be formed by dividing the Penrose tiling pattern into a dodecagonal region 14 and other regions and making the refractive indexes of the two regions different from each other. Here, the different refractive indexes can be formed, for example, by forming holes (openings) or recesses in the decagonal region 14 in the semiconductor plane, and the refractive index portion of the semiconductor and the refractive index portion of air. Different refractive indices can be repeated depending on the case.
また、第2の態様では、半導体の平面においてペンローズタイリングを構成する格子構造の頂点15に孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 Further, in the second aspect, it can be formed by forming a hole (opening) or a recess at the apex 15 of the lattice structure constituting the Penrose tiling in the plane of the semiconductor. Different refractive indices can be repeated depending on the refractive index portion.
また、第3の態様では、ペンローズタイリングを構成する2種類の菱形パターン(単位格子12,13)の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において一方の種類の菱形パターンに孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 In the third aspect, the photonic quasicrystal can be formed by making the refractive indexes of the two types of rhombus patterns (unit lattices 12 and 13) constituting the Penrose tiling different from each other. Here, different refractive indexes can be formed, for example, by forming holes (openings) or recesses in one type of rhombus pattern on the semiconductor plane, and the refractive index portion of the semiconductor and the refractive index portion of the air Different refractive indices can be repeated according to the above.
図6(b)に示す正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric)フォトニック準結晶は12回対称の回転対称性を持つ。 The square-triangle tiling (12-fold Symmetric) photonic quasicrystal shown in FIG. 6B has 12-fold rotational symmetry.
正方形−三角形タイリングは、隣接する正方形と三角形の単位格子22,23によって形成され、この単位格子を平面内で貼り合わせることによって、12回対称軸を持ちかつ非周期的なパターンを形成することができる。 Square-triangular tiling is formed by adjacent square and triangular unit cells 22 and 23, and this unit cell is bonded in a plane to form a 12-fold symmetry axis and an aperiodic pattern. Can do.
この正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric )のパターンを用いてフォトニック準結晶の構造を構成するには、種々の態様とすることができる。 In order to construct the structure of the photonic quasicrystal using the pattern of the square-triangle tiling (12-fold Symmetric), various modes can be used.
例えば、第1の態様では、正方形−三角形タイリングのパターンを12角形の領域24とその他の領域に分け、両領域部分の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において12角形の領域24に孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 For example, in the first embodiment, a photonic quasicrystal can be formed by dividing a square-triangle tiling pattern into a dodecagonal region 24 and other regions and making the refractive indexes of both regions different from each other. . Here, the different refractive indexes can be formed, for example, by forming holes (openings) or recesses in the dodecagonal region 24 in the semiconductor plane, and the refractive index portion of the semiconductor and the refractive index portion of air. Different refractive indices can be repeated depending on the case.
また、第2の態様では、半導体の平面において正方形−三角形タイリングを構成する格子構造の頂点25に孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 Further, in the second aspect, it can be formed by forming a hole (opening) or a recess at the apex 25 of the lattice structure constituting the square-triangle tiling in the semiconductor plane, and the refractive index portion of the semiconductor Different refractive indices can be repeated depending on the refractive index portion of the air.
また、第3の態様では、正方形−三角形タイリングを構成する2種類の単位格子(正方形パターンと三角形パターン)の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において一方の単位格子に孔(開口部)あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。 In the third aspect, the photonic quasicrystal can be formed by making the refractive indexes of the two types of unit cells (square pattern and triangle pattern) constituting the square-triangle tiling different from each other. Here, the different refractive indexes can be formed, for example, by forming holes (openings) or recesses in one unit cell in the semiconductor plane, depending on the refractive index portion of the semiconductor and the refractive index portion of the air. Different refractive indices can be repeated.
上記発光素子及び発光面を構成する半導体は、例えば窒化ガリウム(GaN)、GaInAsPとすることができる。 For example, gallium nitride (GaN) or GaInAsP can be used as the semiconductor constituting the light emitting element and the light emitting surface.
また、半導体部分に孔(開口部)あるいは凹部は形成する手法は、光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。 As a method for forming a hole (opening) or a recess in a semiconductor portion, a laser processing technique for generating a recess by light irradiation or a semiconductor generation technique such as etching a semiconductor layer using a mask can be used.
上記では、半導体LEDの構成を例として説明しているが、発光部分と外界との境界部分における全反射によって、発光部分からの光の取り出しが制限されている構成であれば同様に適用することができ、本発明のフォトニック準結晶による格子構造を備えた発光面を適用することによって、光の取り出し効率を高めることができ、また、視野角依存性を低減して高い立体角を得ることができる。 In the above description, the configuration of the semiconductor LED is described as an example, but the same applies to a configuration in which extraction of light from the light emitting portion is restricted by total reflection at a boundary portion between the light emitting portion and the outside. By applying the light emitting surface having the lattice structure of the photonic quasicrystal of the present invention, the light extraction efficiency can be increased, and the viewing angle dependency can be reduced to obtain a high solid angle. Can do.
本発明は、半導体LED、有機EL、白色照明、ライト、インジケータ、LED通信等に適用することができる。 The present invention can be applied to semiconductor LEDs, organic EL, white illumination, lights, indicators, LED communication, and the like.
1…発光素子
2…クラッド層
3…活性層
4…クラッド層
5…発光面
6…孔部
11…パターン
12,13…単位格子
14…10角形の領域
15…頂点
21…パターン
22,23…単位格子
24…12角形の領域
25…頂点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emitting element 2 ... Cladding layer 3 ... Active layer 4 ... Cladding layer 5 ... Light emitting surface 6 ... Hole 11 ... Pattern 12, 13 ... Unit lattice 14 ... Decagonal region 15 ... Vertex 21 ... Pattern 22, 23 ... Unit Grid 24 ... Dodecagonal area 25 ... Vertex
Claims (13)
前記第1の領域及び/又は第2の領域は、長距離規則性、短距離不規則性、及び並進対称性と相容れない回転対称性を備えることを特徴とする発光素子。 A plurality of first regions having a first refractive index and a plurality of second regions having a second refractive index different from the first refractive index are formed on a light emitting surface of the light emitter according to a quasicrystal pattern. To form a lattice structure of photonic quasicrystals,
The first region and / or the second region have a long-range regularity, a short-range irregularity, and a rotational symmetry that is incompatible with a translational symmetry.
前記部位を並進対称性を有しない準結晶のパターンに従って配列することを特徴とする請求項5に記載の発光素子。 In the lattice structure, one region of the first region or the second region is a semiconductor layer, and the other region of the first region or the second region is a portion that is formed in the semiconductor layer,
6. The light emitting device according to claim 5, wherein the portions are arranged according to a quasicrystal pattern having no translational symmetry.
当該開口部又は凹部の配列位置は準結晶のパターンの格子点の位置であることを特徴とする請求項6に記載の発光素子。 The part is an opening or a recess formed in the semiconductor layer,
The light emitting device according to claim 6, wherein the arrangement position of the openings or the recesses is a position of a lattice point of a quasicrystal pattern.
The light emitting device according to claim 11, wherein the opening or the recess is formed by a hexagonal pattern included in the square-triangle tiling pattern.
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