JP2007036186A - Light emitting diode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光装置に関し、特に発光ダイオードの構造に関するものである。 The present invention relates to a light emitting device, and more particularly to a structure of a light emitting diode.
従来の電球と比べ、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、小型、長寿命、低電圧/電流駆動、
非破壊性、低発熱性、水銀（Ｈg）などの有害物質を含まず環境に優しい、消費電力が少
ない発光効率をもつ等の優れた長所を有する。また、近年、ＬＥＤの発光効率は増大をし続け、高い応答速度の走査ランプ、液晶ディスプレイ用のバック・ライト、自動車の制御パネル照明灯、信号機、又は一般の照明器具等の応用分野において、ＬＥＤが電球や蛍光灯に代って用いられつつある。
Compared to conventional light bulbs, light-emitting diodes (LEDs) are small, long-life, low voltage / current driven,
It has excellent advantages such as non-destructiveness, low heat generation, no harmful substances such as mercury (Hg), environmental friendliness, and light emission efficiency with low power consumption. In recent years, the luminous efficiency of LEDs has continued to increase. In applications such as scanning lamps with high response speed, backlights for liquid crystal displays, automobile control panel lighting, traffic lights, or general lighting equipment, Are being used instead of light bulbs and fluorescent lamps.
また、III−V族窒化物（III-V nitridＥ compound）は広いバンドギャップを備える材
料であるため、放出された波長範囲が紫外線から赤外線をカバーすることができる。即ち、この素材は、可視光の全領域をカバーする。従って、GaN、GaA1N、又はGaInNのようなIII−V族窒化物半導体を用いる発光装置は、種々の照明モジュールに広く応用されている
。ここで、バンドギャップとは、半導体の結晶中には、マイナスの電荷を有する電子とプラスの電荷を有するホールが含まれている。これらの電子と正孔は熱や光のエネルギーによってペアとして生成される。そしてその電子―正孔ペアの生成され易さを表す指標がバンドギャップである。電子と正孔のペアが生成されにくいほどバンドギャップは広いバンドギャップといえる。 半導体中で容易に電子―ホールペアが生成されると、半導体の性質が金属に変化してしまうので、広いバンドギャップの半導体であるほど、半導体デバイスとしては高温で使用できることを意味する。
Further, since III-V nitride (III-V nitridE compound) is a material having a wide band gap, the emitted wavelength range can cover ultraviolet rays to infrared rays. That is, this material covers the entire visible light area. Therefore, a light-emitting device using a group III-V nitride semiconductor such as GaN, GaA1N, or GaInN is widely applied to various illumination modules. Here, the band gap includes an electron having a negative charge and a hole having a positive charge in a semiconductor crystal. These electrons and holes are generated as a pair by heat and light energy. An index indicating the ease with which the electron-hole pair is generated is the band gap. It can be said that the band gap is so wide that an electron-hole pair is not easily generated. If an electron-hole pair is easily generated in a semiconductor, the property of the semiconductor changes to a metal. Thus, a wider band gap semiconductor means that it can be used at a higher temperature as a semiconductor device.
図1は従来のＬＥＤ構造を概略的に示す断面図である。図１において、ＬＥＤ構造は、
基本的に基板１１０と、n型ドーピング半導体層１２０と、電極１２２と、発光層１３０
と、p型ドーピング半導体層１４０と、オームコンタクト層１５０と他の電極１４２とを
備えている。n型ドーピング半導体層１２０、発光層１３０、p型ドーピング半導体層１４０、オームコンタクト層１５０及び電極１４は、基板１１０の上に順次形成され、発光層１３０はn型ドーピング半導体層１２０の一部分をカバーする。電極１２２は、発光層１
３０によりカバーされていないn型ドーピング半導体層１２０の部分に配置されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional LED structure. In FIG. 1, the LED structure is
Basically, the substrate 110, the n-type doped semiconductor layer 120, the electrode 122, and the light emitting layer 130.
A p-type doping semiconductor layer 140, an ohmic contact layer 150, and another electrode 142. The n-type doping semiconductor layer 120, the light emitting layer 130, the p-type doping semiconductor layer 140, the ohmic contact layer 150, and the electrode 14 are sequentially formed on the substrate 110, and the light emitting layer 130 covers a part of the n-type doping semiconductor layer 120. To do. The electrode 122 is the light emitting layer 1
The n-type doped semiconductor layer 120 is not covered by 30.
図1を参照すると、n型ドーピング半導体層１２０からの電子がp型ドーピング半導体層
１４０からの電子正孔と発光層１３０において再結合するとき、光１０２を発生させるこができる。この光１０２の一部はオームコンタクト層１５０と基板１１０とを透過してＬＥＤ構造１００の上部と下部から夫々出射される。また、光１０２の他の部分は基板１１０の表面または電極１４２と基板１１０との間の複数の界面により反射される。例えば、基板１１０と発光層１３０との間に配置されるn型ドーピング半導体層１２０内に光が横
方向に伝搬（trＡnsvＥrsＥly propＡgＡtＥs）される。この場合、光１０２の光エネル
ギーの一部分がn型ドーピング半導体層１２０、p型ドーピング半導体層１４０、電極１２２及び電極１４２により吸収され、ＬＥＤ１００の外部量子効率の低下を生じさせる。
Referring to FIG. 1, light 102 can be generated when electrons from the n-type doping semiconductor layer 120 recombine with electron holes from the p-type doping semiconductor layer 140 in the light emitting layer 130. Part of this light 102 passes through the ohmic contact layer 150 and the substrate 110 and is emitted from the upper part and the lower part of the LED structure 100, respectively. In addition, other portions of the light 102 are reflected by the surface of the substrate 110 or a plurality of interfaces between the electrode 142 and the substrate 110. For example, light propagates laterally (trAnsvErsElypropAgAtEs) in the n-type doped semiconductor layer 120 disposed between the substrate 110 and the light emitting layer 130. In this case, a part of the light energy of the light 102 is absorbed by the n-type doping semiconductor layer 120, the p-type doping semiconductor layer 140, the electrode 122, and the electrode 142, causing a decrease in the external quantum efficiency of the LED 100.
上記の問題を解決するために、特許文献１には、基板上の入射光を散乱させて、ＬＥＤ構造の外部量子効率を増加させるため、化学機械的研磨処理及びエッチング処理を用いて、ＬＥＤ構造の基板表面をランダムに粗くすることが開示されている。 In order to solve the above-mentioned problem, Patent Document 1 discloses that an LED structure is formed by using chemical mechanical polishing treatment and etching treatment to scatter incident light on a substrate and increase the external quantum efficiency of the LED structure. It is disclosed to randomly roughen the surface of the substrate.
しかし、この基板表面をランダムに粗く（粗化処理）する方法は、このＬＥＤ表面の外部量子効率を有効に増加させるものではない。一方では先ず、基板表面上の凹状パターン
または凸状パターンが大きすぎると、基板の表面から成長するn型ドーピング半導体層１
２０の結晶品質が低下する。その結果、ＬＥＤ構造の内部量子効率が減少する。それにより、外部量子効率が増加しない。他方、ランダムに粗くされた基板表面は、横方向伝播における光エネルギーが粗面により容易に吸収されてしまう。この方法は、ＬＥＤ構造から発光された光を減少させ、外部量子効率が充分に得られない。
The crystal quality of 20 is reduced. As a result, the internal quantum efficiency of the LED structure is reduced. Thereby, the external quantum efficiency does not increase. On the other hand, light energy in lateral propagation is easily absorbed by the roughened surface of the substrate surface that is randomly roughened. This method reduces the light emitted from the LED structure and does not provide sufficient external quantum efficiency.
本発明は、フォトニック結晶基板を有するＬＥＤ構造を提供する。フォトニック結晶を有する基板はエピタキシャルの質を改良することができる。基板表面に沿って伝搬する光が減少され、これによってＬＥＤ構造の発光効率が増加され得る。 The present invention provides an LED structure having a photonic crystal substrate. A substrate with a photonic crystal can improve the quality of the epitaxial. Light propagating along the substrate surface can be reduced, thereby increasing the luminous efficiency of the LED structure.
本発明は基板と、第1型ドーピング半導体層と、第１電極と、発光層と、第２型ドーピ
ング半導体層と第２電極とを有するＬＥＤ構造を提供する。前記基板は、表面と該表面上に形成された複数の円筒形フォトニック結晶とを有する。該第１型ドーピング半導体層は、基板に形成され該フォトニック結晶をカバーする。前記発光層は、第１型ドーピング半導体層の一部分に形成されている。前記第２型ドーピング半導体層及び第２電極は、順次、この発光層に形成されている。この第１電極は、発光層にカバーされていない第１型ドーピング半導体の一部分に配置されている。
The present invention provides an LED structure having a substrate, a first type doping semiconductor layer, a first electrode, a light emitting layer, a second type doping semiconductor layer, and a second electrode. The substrate has a surface and a plurality of cylindrical photonic crystals formed on the surface. The first-type doping semiconductor layer is formed on the substrate and covers the photonic crystal. The light emitting layer is formed in a part of the first type doping semiconductor layer. The second type doping semiconductor layer and the second electrode are sequentially formed in the light emitting layer. The first electrode is disposed on a portion of the first-type doping semiconductor that is not covered by the light emitting layer.
本発明の実施態様において、上記のＬＥＤ構造は、例えば第２型ドーピング半導体層と第２電極との間に配置されるオームコンタクト層を有する。 In an embodiment of the present invention, the above LED structure has an ohmic contact layer disposed, for example, between the second type doping semiconductor layer and the second electrode.
本発明の実施態様において、フォトニック結晶は異なるまたは同一の直径であっても良い。更に、フォトニック結晶は例えば少なくとも凸状パターンと凹状パターンとの一方を有する。 In embodiments of the present invention, the photonic crystals may be different or the same diameter. Furthermore, the photonic crystal has, for example, at least one of a convex pattern and a concave pattern.
本発明の実施態様において、上記のフォトニック結晶は、例えばm×nの配列によって基板表面に配置され、ここで、mとnは正の整数である。 In an embodiment of the present invention, the above-mentioned photonic crystals are arranged on the substrate surface by, for example, an m × n arrangement, where m and n are positive integers.
本発明の実施態様において、上記のフォトニック結晶は、例えば複数の奇数行と複数の偶数行とに配列されている。前記各偶数行のフォトニック結晶は、奇数行における隣接する二つのフォトニック結晶の間に形成された間隔に相応する。更に、実施態様において、奇数行での各隣接する二つのフォトニック結晶の間の間隔は、例えば偶数行の隣接する二つのフォトニック結晶との間の間隔と異なる。更に、フォトニック結晶のアレイパターンは、奇数行におけるフォトニック結晶が互いに整列され、偶数行におけるＫ番目列のフォトニック結晶が奇数行にある隣接するフォトニック結晶の間の間隔に対応するとともに、偶数行でＫ+１番目列の隣接するフォトニック結晶間の間隔にも相応することができる。
ここで、Ｋは正の整数であり、フォトニック結晶とは、光の波長と同程度の周期的な屈折率分布をもった結晶体のことを意味する。
In the embodiment of the present invention, the photonic crystals are arranged in, for example, a plurality of odd rows and a plurality of even rows. Each even-numbered photonic crystal corresponds to a distance formed between two adjacent photonic crystals in the odd-numbered row. Further, in an embodiment, the spacing between each adjacent two photonic crystals in odd rows is different from, for example, the spacing between two adjacent photonic crystals in even rows. Furthermore, the array pattern of the photonic crystals corresponds to the spacing between adjacent photonic crystals in the odd rows where the photonic crystals in the odd rows are aligned with each other and the Kth column photonic crystals in the even rows are in the odd rows. The spacing between adjacent photonic crystals in even rows and K + 1st column can also be accommodated.
Here, K is a positive integer, and the photonic crystal means a crystal body having a periodic refractive index distribution comparable to the wavelength of light.
本発明の実施態様において、上記のフォトニック結晶は、例えばハニカム形状で基板表面に配置されている。 In an embodiment of the present invention, the photonic crystal is arranged on the substrate surface in a honeycomb shape, for example.
本発明の実施態様において、前記のフォトニック結晶の一部分は、例えばハニカム形状で基板表面に配置され、フォトニック結晶の他の部分を囲むように配置されている。一つの実施態様において、前記ハニカム形状のフォトニック結晶の直径は、例えば他の部分のフォトニック結晶の直径よりも大きい。 In an embodiment of the present invention, a part of the photonic crystal is arranged on the substrate surface in a honeycomb shape, for example, and is arranged so as to surround the other part of the photonic crystal. In one embodiment, the diameter of the honeycomb-shaped photonic crystal is, for example, larger than the diameter of the other portion of the photonic crystal.
本発明の実施態様において、この基板は、例えばサファイア、シリコン炭化ケイ素、スピネル、又はシリコン基板である。 In an embodiment of the invention, the substrate is, for example, sapphire, silicon silicon carbide, spinel, or a silicon substrate.
本発明の実施態様において、上記のフォトニック結晶は、基板表面に対して垂直方向に沿って例えば０.２〜３ミクロンの寸法を有する。フォトニック結晶の水平方向直径は、
例えば０.２５ミクロンと5ミクロンの範囲内にある。また、隣接の二つのフォトニック結晶間の間隔が、例えば０.５〜１０ミクロンの範囲にある。
In an embodiment of the present invention, the photonic crystal has a dimension of, for example, 0.2 to 3 microns along a direction perpendicular to the substrate surface. The horizontal diameter of the photonic crystal is
For example, it is in the range of 0.25 microns and 5 microns. The interval between two adjacent photonic crystals is in the range of 0.5 to 10 microns, for example.
本発明の実施態様において、第１型ドーピング半導体層、発光層、第２ドーピング半導体層の材料は、例えば、III-V族化合物半導体である。例えば、III-V族化合物半導体は、GaN, GaP, またはGaAsPである。 In the embodiment of the present invention, the material of the first type doping semiconductor layer, the light emitting layer, and the second doping semiconductor layer is, for example, a group III-V compound semiconductor. For example, the group III-V compound semiconductor is GaN, GaP, or GaAsP.
本発明の実施態様において、第１型ドーピング半導体層は、n型ドーピング半導体層で
ある。第２ドーピング半導体層は、p型ドーピング半導体層である。本発明の実施態様で
は、前記第１型ドーピング半導体層は、p型ドーピング半導体層である。前記第２型ドー
ピング半導体は、n型ドーピング半導体層である。
In an embodiment of the present invention, the first type doping semiconductor layer is an n-type doping semiconductor layer. The second doping semiconductor layer is a p-type doping semiconductor layer. In an embodiment of the present invention, the first type doping semiconductor layer is a p-type doping semiconductor layer. The second type doping semiconductor is an n-type doping semiconductor layer.
本発明では、第１型ドーピング半導体層のエピタキシャル質を改良し、ＬＥＤの内部量子効率を高めるために、このフォトニック結晶は、ＬＥＤ構造の基板表面に形成されている。また、本発明のフォトニック結晶はＬＥＤ構造の外部量子効率を高めるように、ＬＥＤ構造の前進方向で放射する光エネルギーを更に高めることができる。その結果、本発明のＬＥＤ構造により、発光効率を充分に改良した。ここでは、エピタキシャルとは、単結晶基板上に薄膜を作成する場合に膜自体も何らかの特定の方位をもって成長する構造を意味する。 In the present invention, this photonic crystal is formed on the substrate surface of the LED structure in order to improve the epitaxial quality of the first type doping semiconductor layer and increase the internal quantum efficiency of the LED. In addition, the photonic crystal of the present invention can further increase the light energy emitted in the forward direction of the LED structure so as to increase the external quantum efficiency of the LED structure. As a result, the luminous efficiency was sufficiently improved by the LED structure of the present invention. Here, “epitaxial” means a structure in which a thin film is formed on a single crystal substrate, and the film itself grows in some specific orientation.
以下、図2〜3に示した本発明の実施態様を詳細に説明する。 Hereinafter, the embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 to 3 will be described in detail.
図2は、本発明の一実施例に係るＬＥＤ構造を概略的に示す断面図である。図２におい
て、このＬＥＤ構造２００は、基板２１０と、第1型ドーピング半導体層２２０と、電極
２２２と、発光層２３０と、第２型ドーピング半導体層２４０と電極２４２とを有する。基板２１０の材料は、例えばサファイア、シリコン炭化ケイ素、スピネル、又はシリコン基板を含む。基板２１０は、表面２０２とこの表面２０２上の円筒形フォトニック結晶２０４とを有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an LED structure according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the LED structure 200 includes a substrate 210, a first type doping semiconductor layer 220, an electrode 222, a light emitting layer 230, a second type doping semiconductor layer 240 and an electrode 242. The material of the substrate 210 includes, for example, sapphire, silicon silicon carbide, spinel, or a silicon substrate. The substrate 210 has a surface 202 and a cylindrical photonic crystal 204 on the surface 202.
上述において、このフォトニック結晶２０４は例えば凸状パターン、又は凹状パターンである。フォトニック結晶２０４は、表面２０２に円筒形凸状パターン又は円筒形凹状パターンを形成するために、例えばフォトグラフィとエッチング処理により形成される。具体的に、このフォトニック結晶２０４は、基板２１０の表面２０２に周期的に配列されている。隣接する二つのフォトニック結晶の間の間隔は、例えば0.5〜10ミクロンの範囲に
ある。
In the above description, the photonic crystal 204 is, for example, a convex pattern or a concave pattern. The photonic crystal 204 is formed by, for example, photolithography and etching processing in order to form a cylindrical convex pattern or a cylindrical concave pattern on the surface 202. Specifically, the photonic crystals 204 are periodically arranged on the surface 202 of the substrate 210. The distance between two adjacent photonic crystals is, for example, in the range of 0.5 to 10 microns.
また、フォトニック結晶２０４の直径は、例えば０.２５〜5ミクロンの範囲にある。更に、基板表面に対して垂直方向に沿うフォトニック結晶２０４の寸法は、例えば０．２〜３ミクロンの範囲にある。換言すると、凸状パターンのフォトニック結晶２０４は例えば０.２〜３ミクロン範囲の高さを有し、又は凹状パターンのフォトニック結晶２０４が例えば０.２〜３ミクロン範囲の深さを有する。 The diameter of the photonic crystal 204 is, for example, in the range of 0.25 to 5 microns. Furthermore, the dimension of the photonic crystal 204 along the direction perpendicular to the substrate surface is, for example, in the range of 0.2 to 3 microns. In other words, the convex pattern photonic crystal 204 has a height in the range of, for example, 0.2 to 3 microns, or the concave pattern photonic crystal 204 has a depth in the range of, for example, 0.2 to 3 microns.
さらに、図2を参照すると、この第１型ドーピング半導体層２２０は、フォトニック結
晶204をカバーするように、基板２１０上に配置されている。特に、第１型ドーピング半
導体層２２０は、凹状パターンに埋め込められず、凸部で基板２１０の表面２０２に形成されている。注目すべきことは、第１型半導体層２２０を形成する処理において、フォトニック結晶２０４は基板２１０の表面２０２に、周期的に配置され、第１ドーピング半導体層２２０上の局所的な結晶欠陥を抑えることができる。これは、転位を減少しエピタキシャル結晶の質を高めるとともに、更にＬＥＤ構造２００の内部量子効率を高めることができる。
Further, referring to FIG. 2, the first-type doping semiconductor layer 220 is disposed on the substrate 210 so as to cover the photonic crystal 204. In particular, the first-type doping semiconductor layer 220 is not embedded in the concave pattern, and is formed on the surface 202 of the substrate 210 with a convex portion. It should be noted that in the process of forming the first type semiconductor layer 220, the photonic crystal 204 is periodically disposed on the surface 202 of the substrate 210, and local crystal defects on the first doping semiconductor layer 220 are removed. Can be suppressed. This can reduce dislocations and improve the quality of the epitaxial crystal, and can further increase the internal quantum efficiency of the LED structure 200.
また、図２を参照すると、発光層２３０と、第２型ドーピング半導体層２４０と電極２４２とは、順次、第１型ドーピング半導体層２２０の一部の上に配置されている。電極２２２は、発光層２３０によりカバーされていない部分で第１型ドーピング半導体層２２０上に配置されている。この実施例において、第１型ドーピング半導体層２２０は、例えば、n型ドーピング半導体層２２０であり、第２型ドーピング半導体層２４０は、例えば、p型ドーピング半導体層２４０である。他の実施例において、第１型ドーピング半導体層２２０は、例えばP型ドーピング半導体層２２０であり、第２型ドーピング半導体層２４０
は、例えばn型ドーピング半導体層２４０である。また、発光層２３０は、例えば多重量
子井戸（MQW:Multi-QuＡntum WＥll）層である。
Referring to FIG. 2, the light emitting layer 230, the second type doping semiconductor layer 240, and the electrode 242 are sequentially disposed on a part of the first type doping semiconductor layer 220. The electrode 222 is disposed on the first type doping semiconductor layer 220 at a portion not covered by the light emitting layer 230. In this embodiment, the first type doping semiconductor layer 220 is, for example, an n-type doping semiconductor layer 220, and the second type doping semiconductor layer 240 is, for example, a p-type doping semiconductor layer 240. In another embodiment, the first type doping semiconductor layer 220 is, for example, a P type doping semiconductor layer 220 and the second type doping semiconductor layer 240.
Is an n-type doped semiconductor layer 240, for example. Further, the light emitting layer 230 is, for example, a multi-quantum well (MQW) layer.
また、第１型ドーピング半導体層２２０、発光層２３０と第２型ドーピング半導体層２４０は、例えば、III−V族化合物の半導体材料により形成されている。この実施例では、第１型ドーピング半導体層２２０、発光層２３０、第２型ドーピング半導体層２４０は、例えば、窒化ガリウム（GaN）、ガリウム燐（GaP）、またはガリウムヒ素燐（GaAsP）に
より形成されている。
The first-type doping semiconductor layer 220, the light emitting layer 230, and the second-type doping semiconductor layer 240 are made of, for example, a semiconductor material of a III-V group compound. In this embodiment, the first type doping semiconductor layer 220, the light emitting layer 230, and the second type doping semiconductor layer 240 are formed of, for example, gallium nitride (GaN), gallium phosphide (GaP), or gallium arsenide phosphorus (GaAsP). ing.
更に、本発明において、第１型ドーピング半導体層２２０、発光層２３０及び第２型ドーピング半導体層２４０の導電均一性を高めるために、オームコンタクト層２５０が、電極２４２と第2型ドーピング半導体層２４０との間に形成されている。この実施例では、
オームコンタクト層２５０は、例えばp型オームコンタクト層である。
Further, in the present invention, the ohmic contact layer 250 includes the electrode 242 and the second type doping semiconductor layer 240 in order to improve the conductivity uniformity of the first type doping semiconductor layer 220, the light emitting layer 230, and the second type doping semiconductor layer 240. Is formed between. In this example,
The ohmic contact layer 250 is a p-type ohmic contact layer, for example.
基板２１０の表面２０２に周期的に配列されるフォトニック結晶２０４は、第１型ドーピング半導体層２２０のエピタキシャル質を向上し、第１型ドーピング半導体層２２０と第2型ドーピング半導体層２４０との間の横方向に伝搬する光を前方に導光可能であり、
この結果、前方の光がＬＥＤ構造２００から放出され、外部量子効率が効率的に向上される。特に、本発明のフォトニック結晶２０４は、複数の周期的な配列を有する。下記において、例示として、フォトニック結晶２０４の種々の配列を述べる。
The photonic crystals 204 periodically arranged on the surface 202 of the substrate 210 improve the epitaxial quality of the first type doping semiconductor layer 220, and between the first type doping semiconductor layer 220 and the second type doping semiconductor layer 240. The light propagating in the horizontal direction can be guided forward,
As a result, forward light is emitted from the LED structure 200, and the external quantum efficiency is efficiently improved. In particular, the photonic crystal 204 of the present invention has a plurality of periodic arrays. In the following, various arrangements of the photonic crystal 204 will be described as examples.
図３（Ａ）〜（Ｋ）は、フォトニック結晶の配列の概略を示す平面図である。図３（Ａ）を参照すると、本発明においてフォトニック結晶２０４は、例えば、m×nマトリックスの列に配置されている（ここで、mとnは正の整数である）。特に、フォトニック結晶２０４の直径は、同一であるか、または異なっていても良い。フォトニック結晶２０４のm×nマトリックスについては、図３（B）に示すように、奇数行のフォトニック結晶２０４の
直径が偶数行のフォトニックス結晶２０４の直径と異なっていても良い。更に、図３（C
）に示すように、位置（p, q）に配置されたフォトニック結晶２０４の直径が、位置（p+１, q）と（p, q+１）に配置されたフォトニック結晶２０４の直径と、異なっていても
良い（ここで、pとqは正の整数、
3A to 3K are plan views showing an outline of the arrangement of photonic crystals. Referring to FIG. 3A, in the present invention, the photonic crystals 204 are arranged, for example, in columns of an m × n matrix (where m and n are positive integers). In particular, the diameter of the photonic crystal 204 may be the same or different. As for the m × n matrix of the photonic crystal 204, as shown in FIG. 3B, the diameter of the odd-numbered photonic crystals 204 may be different from the diameter of the even-numbered photonic crystals 204. Furthermore, FIG.
), The diameter of the photonic crystal 204 arranged at the position (p, q) is equal to the diameter of the photonic crystal 204 arranged at the positions (p + 1, q) and (p, q + 1). And may be different (where p and q are positive integers,
及び
as well as
である）。 Is).
マトリックス配列に加えて、フォトニック結晶２０４は、奇数行と偶数行とが列方向において整列しない態様で配列されていても良い。例えば、図３（Ｄ）に示すように、列方向におけるそれぞれの奇数行のフォトニック結晶２０４は、整列されている。それぞれの偶数行のフォトニック結晶２０４は、奇数行における隣接する二つのフォトニック結晶２０４の間の間隔に相応している。勿論、偶数行のフォトニック結晶２０４の直径は、奇数行のフォトニック結晶２０４の直径と異なっていても良い。 In addition to the matrix arrangement, the photonic crystals 204 may be arranged in such a manner that the odd and even rows are not aligned in the column direction. For example, as shown in FIG. 3D, the odd-numbered rows of photonic crystals 204 in the column direction are aligned. Each even row photonic crystal 204 corresponds to the spacing between two adjacent photonic crystals 204 in the odd row. Of course, the diameter of the even-numbered photonic crystals 204 may be different from the diameter of the odd-numbered photonic crystals 204.
図３（Ａ）〜（Ｅ）において、偶数行のフォトニック結晶２０４の間隔は、奇数行のフォトニック結晶２０４の間隔と等しい。他の実施例においては、偶数行のフォトニック結晶２０４の間隔が、奇数行のフォトニック結晶２０４の間隔と異なっている。図３（Ｆ）及び（Ｇ）に示すように、偶数行のフォトニック結晶２０４の間隔が、例えば、奇数行におけるフォトニック結晶２０４の間隔の２倍である。偶数行のフォトニックス結晶２０４は、例えば、奇数行の隣接する二フォトニック結晶２０４間のスペースに相応する。ここで、用語「間隔」は、中心点から計算した隣接する２つのフォトニック結晶２０４間の距離を意味する。用語「スペース」は、縁から計算した隣接する２つのフォトニック結晶２０４の間隔を意味する。 3A to 3E, the intervals between the even-numbered photonic crystals 204 are equal to the intervals between the odd-numbered photonic crystals 204. In another embodiment, the spacing between even-numbered photonic crystals 204 is different from the spacing between odd-numbered photonic crystals 204. As shown in FIGS. 3F and 3G, the interval between the photonic crystals 204 in even rows is, for example, twice the interval between the photonic crystals 204 in odd rows. The even-numbered photonic crystals 204 correspond to, for example, the spaces between adjacent two-photonic crystals 204 in the odd-numbered rows. Here, the term “interval” means the distance between two adjacent photonic crystals 204 calculated from the center point. The term “space” means the distance between two adjacent photonic crystals 204 calculated from the edge.
詳細には、図３（Ｆ）に示すように、奇数行のフォトニック結晶２０４は、列方向において整列され、偶数行のフォトニック結晶２０４も列方向において整列されている。更に、図３（Ｇ）に示すように、奇数行のフォトニック結晶２０４は列方向に整列されている。一方、偶数行のＫ番目列のフォトニック結晶が、奇数行における隣接の二つのフォトニック結晶間の間隔に相応するとともに、偶数行でのＫ+1番目列の隣接する二つのフォトニック結晶間の間隔にも相応する。特に図３（Ｈ）及び（Ｉ）に示すように、本発明における他の実施例において、いくつかの小さい直径のフォトニック結晶２０４Ａを、図３（Ｆ）及び（Ｇ）における偶数行のフォトニック結晶２０４の間に配置することができる。 Specifically, as shown in FIG. 3F, the odd-numbered photonic crystals 204 are aligned in the column direction, and the even-numbered photonic crystals 204 are also aligned in the column direction. Furthermore, as shown in FIG. 3G, the odd-numbered rows of photonic crystals 204 are aligned in the column direction. On the other hand, the K-th photonic crystal in the even-numbered row corresponds to the interval between the two adjacent photonic crystals in the odd-numbered row, and between the two adjacent photonic crystals in the K + 1-th column in the even-numbered row. It corresponds to the interval. In particular, as shown in FIGS. 3 (H) and (I), in other embodiments of the present invention, several small diameter photonic crystals 204A can be used to convert even-numbered photons in FIGS. 3 (F) and 3 (G). It can be placed between the nick crystals 204.
更に、図３（Ｊ）に示すように、本発明のフォトニック結晶２０４はハニカム形状で基板表面に配列されても良い。他の実施例では、図３（Ｋ）に示すように、フォトニック結晶２０４ｂの一部は、ハニカム形状に配列されたフォトニック結晶２０４Ａの他の部分により、囲まれている。フォトニック結晶２０４Ａの直径が、例えばフォトニック結晶２０４ｂの直径よりも大きい。 Further, as shown in FIG. 3J, the photonic crystals 204 of the present invention may be arranged on the substrate surface in a honeycomb shape. In another embodiment, as shown in FIG. 3K, a part of the photonic crystal 204b is surrounded by another part of the photonic crystal 204A arranged in a honeycomb shape. The diameter of the photonic crystal 204A is larger than the diameter of the photonic crystal 204b, for example.
図3は、説明のための例示に過ぎないことに留意すべきである。本発明におけるフォト
ニック結晶２０４を、基板２１０の表面２０２上の任意の周期で配列することができる。図面は、本発明のフォトニック結晶２０４の配列を限定するのに用いられるものではない。
It should be noted that FIG. 3 is merely an illustrative example. The photonic crystals 204 in the present invention can be arranged at any period on the surface 202 of the substrate 210. The drawings are not used to limit the arrangement of the photonic crystals 204 of the present invention.
表1及び表２は、従来のＬＥＤの構造に比較して、本発明の新規ＬＥＤ構造の改良を当
業者が容易に認識できるように、図3における配列に従って、本発明のフォトニック結晶
を有するＬＥＤ構造の発光効率の実験結果を示す。表１の実験には、４６５nmの発光ラインを有する本発明に係る裸のＬＥＤチップが用いられた。表２は、ＬＥＤ構造がパッケー
ジされた後の試験結果である。入力電流は２０mＡである。また、表１及び表２に上げら
れた発光効率は、図１に示されるように、従来のＬＥＤ構造との相対値である。
Tables 1 and 2 have the photonic crystals of the present invention according to the arrangement in FIG. 3 so that those skilled in the art can easily recognize improvements in the novel LED structure of the present invention compared to the structure of conventional LEDs. The experimental result of the luminous efficiency of LED structure is shown. In the experiment of Table 1, a bare LED chip according to the present invention having an emission line of 465 nm was used. Table 2 shows the test results after the LED structure is packaged. The input current is 20 mA. Moreover, the luminous efficiency raised to Table 1 and Table 2 is a relative value with the conventional LED structure, as FIG. 1 shows.
表1
table 1
表２
Table 2
表１及び表２から、従来のＬＥＤ構造と比較して本発明のＬＥＤ構造では、発光効率が向上している。 From Table 1 and Table 2, the luminous efficiency is improved in the LED structure of the present invention as compared with the conventional LED structure.
本発明のＬＥＤ構造は、要約すると、基板表面に周期的な屈折率を有するように、周期的な配列で基板表面に円筒形のフォトニック結晶を形成する。その結果、発光層からの光が基板表面に到達したとき、この光は、フォトニック結晶により回折されるとともに、基板の上側面、または下側面から放出される。これは、第１型ドーピング半導体層と第２型ドーピング半導体層間の横方向伝達により光エネルギーの損失を減少させる。これによってＬＥＤ構造の外部量子効率は向上される。 In summary, the LED structure of the present invention forms a cylindrical photonic crystal on the substrate surface in a periodic array so as to have a periodic refractive index on the substrate surface. As a result, when the light from the light emitting layer reaches the substrate surface, the light is diffracted by the photonic crystal and emitted from the upper side surface or the lower side surface of the substrate. This reduces the loss of light energy due to lateral transmission between the first-type doping semiconductor layer and the second-type doping semiconductor layer. This improves the external quantum efficiency of the LED structure.
さらに、基板表面上のフォトニック結晶は、第１型ドーピング半導体層に局部的結晶欠陥の形成を抑えることができる。従って、ＬＥＤ構造の内部量子効率を向上させるために、エピタキシャルの質量が向上するともに、転位(位置ずれ)が減少する。その結果、本発明のＬＥＤ構造で、充分良好な発光効率が得られる。
以上、本発明の比較的な好ましい実施の形態について説明したが、これは、本発明を限定するものではない。本発明の範囲内、発明の精神から逸脱しない限り、当業者により上記の実施の形態の均等変化や、若干の変更は可能である。上記の記載を鑑み、ここで、本発明の権利範囲、均等変化内にあるものは、本発明にカバーされるものであることを主張する。
Furthermore, the photonic crystal on the substrate surface can suppress the formation of local crystal defects in the first type doping semiconductor layer. Therefore, in order to improve the internal quantum efficiency of the LED structure, the mass of the epitaxial is improved and the dislocation (position shift) is reduced. As a result, sufficiently good luminous efficiency can be obtained with the LED structure of the present invention.
As mentioned above, although comparatively preferable embodiment of this invention was described, this does not limit this invention. Within the scope of the present invention, the above-described embodiments can be equally changed or slightly changed by those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. In view of the above description, it is claimed here that what is within the scope of rights of the present invention and equivalent changes is covered by the present invention.
添付図面は、本発明のさらなる理解を得るために用いられ、本明細書に組み込まれ且つ明細書の一部分を構成する。図面は、本発明の実施例を図解し、記載とともに本発明の原理を説明する役割を果たす。 The accompanying drawings are used to provide a further understanding of the invention, and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
２００ 発光ダイオード（ＬＥＤ）構造
２０４ フォトニック結晶
２１０ 基板
２２０ 第１型ドーピング半導体層
２２２ 電極
２３０ 発光層
２４０ 第２型ドーピング半導体層
２４２ 電極
200 light emitting diode (LED) structure 204 photonic crystal 210 substrate 220 first type doping semiconductor layer 222 electrode 230 light emitting layer 240 second type doping semiconductor layer 242 electrode
Claims (20)
該基板に配置され該フォトニック結晶をカバーする第１型ドーピング半導体層と、
該第１型ドーピング半導体層の一部分に配置された発光層と、
該発光層に配置された第２型ドーピング半導体層と、
前記発光層によりカバーされない前記第１型ドーピング半導体の一部分に配置されている第１電極と、
前記第2型ドーピング半導体層に配置された第２電極と、を備えていることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）構造。 A substrate having a surface and a plurality of photonic crystals;
A first type doping semiconductor layer disposed on the substrate and covering the photonic crystal;
A light emitting layer disposed in a portion of the first type doping semiconductor layer;
A second type doping semiconductor layer disposed in the light emitting layer;
A first electrode disposed on a portion of the first type doping semiconductor not covered by the light emitting layer;
A light emitting diode (LED) structure, comprising: a second electrode disposed on the second type doping semiconductor layer.
更に有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ構造。 The LED structure according to claim 1, further comprising an ohmic contact disposed between the second-type doping semiconductor layer and the second electrode.
前記各偶数行のフォトニック結晶が、前記奇数行における隣接する二つのフォトニック結晶の間に形成された複数の間隔に相応していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ構造。 The photonic crystals are arranged in a plurality of odd rows and a plurality of even rows,
2. The LED structure according to claim 1, wherein each of the even-numbered photonic crystals corresponds to a plurality of intervals formed between two adjacent photonic crystals in the odd-numbered rows.
前記偶数行のＫ番目の行の前記フォトニック結晶が、前記奇数行の隣接する二つの前記フォトニック結晶間の間隔に対応するとともに、前記偶数行でＫ+１番目行の隣接の二つ
のフォトニック結晶間の間隔にも対応し、ここでＫは正の整数であることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ構造。 The odd rows of the photonic crystals are aligned with each other;
The photonic crystals in the even-numbered Kth row correspond to the spacing between two adjacent photonic crystals in the odd-numbered row, and the two adjacent photos in the K + 1st row in the even-numbered row. 9. The LED structure of claim 8, wherein the LED structure also corresponds to an interval between nick crystals, where K is a positive integer.
とを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ構造。 The LED structure according to claim 1, wherein a distance between the two adjacent photonic crystals is in a range of 0.5 to 10 microns.
、III-V族化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ構造。 2. The LED structure according to claim 1, wherein a material of the first-type doping semiconductor layer, the light emitting layer, and the second doping semiconductor layer is a III-V compound semiconductor.
造。 The LED structure according to claim 1, wherein the first-type doping semiconductor layer is an n-type doping semiconductor layer, and the second doping semiconductor layer is a p-type doping semiconductor layer.
ピング半導体は、n型ドーピング半導体層であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥ
Ｄ構造。 2. The LE according to claim 1, wherein the first-type doping semiconductor layer is a p-type doping semiconductor layer, and the second-type doping semiconductor layer is an n-type doping semiconductor layer.
D structure.
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