JP2008060534A

JP2008060534A - 偏光発光ダイオード

Info

Publication number: JP2008060534A
Application number: JP2007143974A
Authority: JP
Inventors: Bok-Ki Min; ボッキ閔; Tetsushu Son; 哲守孫
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: KR100809236B1; US20080054283A1; US8004000B2; JP5130426B2

Abstract

【課題】偏光発光ダイオードを提供する。
【解決手段】支持層１１０と、支持層１１０上に設けられたものであって、発光層１３４を有する半導体多層膜１３０と、半導体多層膜１３０上に設けられたものであって、相互に平行に配列された複数のメタルナノワイヤ１５４を有する偏光制御層１５０と、を備え、偏光制御層１５０は、メタルナノワイヤ１５４が配列された方向に偏光された光を放出することを特徴とする偏光発光ダイオードである。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光された光を提供する偏光発光ダイオードに関する。

近年、発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ：ＬＥＤ）は、高効率の環境にやさしい光源として注目されており、自動車用光源、ディスプレイ装置の光源、光通信、及び一般照明用光源などの幅広い技術分野に用いられている。

多様な応用分野において、光源から出た光を便利に制御するために、光の偏光特性を利用している。特に、液晶表示素子を利用したディスプレイ装置及び光通信装置では、偏光現象が重要な原理となる。例えば、液晶表示装置は、電極が形成された基板の間に液晶物質を注入して製作され、この液晶物質に対して電圧を印加すると、電場によって液晶分子の状態が変化して光の透過率が変化する。液晶表示装置は、このような原理を利用して、光の透過率を変化させることによって画像を表現する装置である。すなわち、液晶表示装置は、通過する直線偏光の偏光方向を変化させることによって、光を通過させるか、または遮断するシャッター機能を行うので、一方向に直線偏光された光のみを使用する。しかし、光源から提供される光は、無偏光の光であるので、液晶表示装置の両面に偏光板が備えられる。このとき、偏光板は、一方向に偏光された光は透過させ、他の方向に偏光された光は吸収して、入射光の約５０％を吸収するため、光効率が低いという問題点があり、効率的な偏光手段についての多くの研究が続けられている。

また、光通信装置の場合にも、偏光特性によって外部の手動光素子とのカップリング効率が大きい差を表すので、偏光された光を生成する技術が重要である。

本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであって、偏光された光を供給するＬＥＤを提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る偏光ＬＥＤは、支持層と、前記支持層上に設けられたものであって、発光層を有する半導体多層膜と、前記半導体多層膜上に設けられたものであって、相互平行に配列された複数のメタルナノワイヤを有する偏光制御層と、を備え、前記偏光制御層は、前記メタルナノワイヤが配列された方向に偏光された光を放出することを特徴とする。

本発明に係る偏光ＬＥＤは、メタルナノワイヤを有する偏光制御層を備えることを特徴として、偏光された光を放出する偏光ＬＥＤを提供する。また、偏光消滅層をさらに備えることによって、偏光された光の放出量をさらに増加させうる。本発明の偏光ＬＥＤは、偏光された光を直接提供する光源として使われるので、偏光特性を利用する光通信装置やディスプレイ装置に採用される場合に、別途の偏光制御モジュールを備える必要がない。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施形態に係る偏光ＬＥＤを詳細に説明する。しかし、後述される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面で、同じ参照符号は、同じ構成要素を表し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜上誇張されている。

図１は、本発明の望ましい実施形態に係る偏光ＬＥＤを概略的に示し、図２は、図１の偏光ＬＥＤで偏光制御層の構造を表す。図面を参照すれば、偏光ＬＥＤ１００は、支持層１１０と、支持層１１０上に設けられた半導体多層膜１３０と、半導体多層膜１３０上に設けられた偏光制御層１５０とを備える。

半導体多層膜１３０は、図に示すように、Ｐ型半導体層１３２、Ｎ型半導体層１３６、及び発光層１３４を備え、発光層１３４をＰ型半導体層１３２とＮ型半導体層１３６との間に設けた構造となっている。

発光層１３４は、例えば、多重量子ウェル構造で形成される。

支持層１１０と半導体多層膜１３０との間には、反射層１２０が設けられ、反射層１２０は、発光層１３４で生成される光を偏光制御層１５０の上部側に放出させる。反射層１２０は、反射度の高い銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）などを含む金属層や屈折率の異なる誘電体が反復された構造の誘電体ミラーで形成することができる。

一般的に、ＬＥＤは薄膜の形態であり、上下部の表面が側面より数十倍以上大きい構造を有している。したがって、発光層１３４で生成されるほとんどの光が偏光制御層１５０を通じて出る。もし、側面への放出が大きい構造ならば、側面に誘電体ミラーなどの反射層を設けて光の放出を遮断する。反射層は、絶縁層とアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、または白金（Ｐｔ）などの高反射金属層とで構成されてもよい。

偏光制御層１５０は、発光層１３４で生成されて放出される光の偏光を制御するものであって、複数のメタルナノワイヤ１５４を備えている。偏光制御層１５０は、例えば、誘電体層１５２と、誘電体層１５２の内部に埋め込まれる複数のメタルナノワイヤ１５４とで形成される。誘電体層１５２としては、ＳｉＯ_２などの透明な酸化物、及び透明電極材質のＩＴＯ、ＺｎＯを採用することができる。

複数のメタルナノワイヤ１５４は、第１方向、図面では、Ｘ方向に沿って間隔ｄを有して配列されており、長手方向は、第２方向、図面では、Ｙ方向と平行になっている。メタルナノワイヤ１５４の断面形状は、所定の幅ｗと所定の厚さｔとを有する四角形状で形成されている。なお、メタルナノワイヤ１５４の断面形状は四角形状に限定されず、多様な形態、例えば、多角形状または円形状であっても良い。メタルナノワイヤ１５４は、入射される光のうち、偏光方向が長手方向と平行な光は反射させ、偏光方向が幅方向と平行な光は透過させるためのものであって、反射率の高い金属材質で形成されることが好ましい。前記反射率の高い金属材質としては、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、またはＰｔが挙げられる。これら金属材質は、電気伝導度が高いので、メタルナノワイヤ１５４を半導体多層膜１３０に電圧を印加する電極として使用することもできる。

偏光制御層１５０の具体的な構造、すなわち、幅ｗ、厚さｔ、および間隔ｄは、メタルナノワイヤ１５４の材質と偏光制御層１５０に入射される光の波長λとを考慮して決定される。例えば、メタルナノワイヤ１５４の厚さｔは、メタルナノワイヤ１５４の長手方向に偏光された光に対しては、反射金属として作用するのに十分な厚さとする必要があり、例えば、約５０ｎｍ以上となることが望ましく、光吸収を考慮して約１０００ｎｍ以下の厚さが好ましい。また、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗは、発光層１３４で生成される光の波長に比べて十分に短くなければならない。また、相互に隣接するメタルナノワイヤ１５４間のピッチｐは、規則的な配列に係る回折効果が現れないようにλ／２より小さくなければならない。

偏光ＬＥＤ１００が製造される段階を図３Ａ及び図３Ｂを参照して簡単に説明すれば、次の通りである。

図３Ａを参照すれば、まず、サファイア基板Ｓ１上にＮ型半導体層１３６、発光層１３４、Ｐ型半導体層１３２を備える半導体多層膜１３０を形成する。Ｎ型半導体層１３６及びＰ型半導体層１３２は、例えば、Ｎ型ＧａＮ層、Ｐ型ＧａＮ層で形成されることができる。

次に、Ｐ型半導体層１３２上に反射層１２０を形成し、反射層１２０上にボンディングまたはメッキなどの方法で支持層１１０を付着した後に、サファイア基板Ｓ１を分離する。このとき、レーザリフトオフ方法またはケミカルリフトオフ方法を使用して、サファイア基板Ｓ１を分離することができる。

次に、メタルナノワイヤ１５４を備えた偏光制御層１５０をＮ型半導体層１３６上に形成する。図３Ｂは、半導体多層膜１３０を形成するための基板としてＳｉＣ基板Ｓ２を使用する場合の製造方法を説明する。図３Ａで説明した方法と異なる点は、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）または選択的エッチング方法を使用してＳｉＣ基板Ｓ２を薄くするか、または除去するという点である。図面では、ＳｉＣ基板Ｓ２が除去されたと表したが、一部残っていることもある。

次に、メタルナノワイヤ１５４を備えた偏光制御層１５０をＮ型半導体層１３６上に形成する。

前述した方法以外に、基板上に半導体多層膜、偏光制御層を順次に形成する方法で製造しても良い。

偏光ＬＥＤ１００が偏光された光を放出する原理は、次の通りである。

Ｐ型半導体層１３２とＮ型半導体層１３６との間に電極（図示せず）を通じて電圧が印加されれば、Ｐ型半導体層１３２の正孔とＮ型半導体層１３６の電子とが発光層１３４で結合して光が生成されて放出される。この時に生成される光は、無偏光の光、すなわち、任意の偏光が均一に分布された光である。偏光制御層１５０は、メタルナノワイヤ１５４を形成する金属内部の自由電子の偏光に対する反応特性に起因して偏光を制御する。発光層１３４で生成された無偏光の光Ｉ_０のうち、第２偏光の光Ｉ_２、すなわち、偏光方向がメタルナノワイヤ１５４の長手方向と平行な光がメタルナノワイヤ１５４に入射されれば、メタルナノワイヤ１５４の自由電子は、長手方向に振動し、それに係る電磁気波の相殺によって、一部は吸収され、残りはほとんど反射される。すなわち、第２偏光の光Ｉ_２に対して、メタルナノワイヤ１５４は、高反射金属特性を表す。一方、発光層１３４で生成された無偏光の光Ｉ_０のうち、第１偏光の光Ｉ_１、すなわち、偏光方向がメタルナノワイヤ１５４の幅方向と平行な光がメタルナノワイヤ１５４に入射される場合に、メタルナノワイヤ１５４の自由電子の幅方向の振動は、空間的に制限されて、第１偏光の光Ｉ_１の一部は吸収され、残りはほとんど透過する。すなわち、第１偏光の光Ｉ_１に対して、メタルナノワイヤ１５４は、損失のある誘電体の特性を表す。

図４は、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗに係る偏光制御層１５０での透過率を第１偏光の光Ｉ_１と第２偏光の光Ｉ_２とに分けて示すグラフであり、図５は、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗに係る偏光制御層１５０での反射率を第１偏光の光Ｉ_１と第２偏光の光Ｉ_２とに分けて示すグラフである。前記グラフは、放出される光の波長は４６０ｎｍであり、メタルナノワイヤ１５４の厚さｔは１５０ｎｍであり、ピッチｐは前記波長の１／３である場合のものである。

図４を参照すれば、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗに関係なく、第１偏光の光Ｉ_１の透過率が第２偏光の光Ｉ_２の透過率より常に高く表れている。これは、前述したように、メタルナノワイヤ１５４の自由電子の第１方向振動が空間的に制限されるため、入射された光をほとんど透過させるからである。一方、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗが増大するにつれて、第１偏光の光Ｉ_１や第２偏光の光Ｉ_２の透過率は、いずれも低下する。これは、幅ｗが広くなるほど、メタルナノワイヤ１５４の自由電子の幅方向の振動が円滑になるので、メタルナノワイヤ１５４が第１偏光の光Ｉ_１や第２偏光の光Ｉ_２に対して反射金属として作用するからである。

図５は、反射率に係り、図４のグラフとは逆の特性を表す。すなわち、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗに関係なく、第２偏光の光Ｉ_２の反射率が第１偏光の光Ｉ_１の反射率より常に高く表れ、また、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗが増大するにつれて、第１偏光の光Ｉ_１や第２偏光の光Ｉ_２の反射率は、いずれも向上する。メタルナノワイヤ１５４の幅ｗは、波長λに比べて十分に狭いことが望ましく、メタルナノワイヤ１５４のピッチｐによって適切に決定される必要がある。例えば、メタルナノワイヤのピッチｐが１／３波長である場合、透過される第１偏光の光Ｉ_１が入射光の約４０％以上となるために、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗは、メタルナノワイヤ１５４のピッチの１／２よりも小さいことが好ましい。

図６は、偏光制御層１５０を透過した光の偏光比をメタルナノワイヤ１５４の幅ｗによって示すグラフである。偏光比は、偏光制御層１５０を透過した光の偏光特性を表す数値である。透過された全体光で第１偏光の光Ｉ_１と第２偏光の光Ｉ_２との差を、第１偏光の光Ｉ１と第２偏光の光Ｉ_２との和に対する比で表したものであり、（Ｔ（Ｉ_１）−Ｔ（Ｉ_２））／（Ｔ（Ｉ_１）＋Ｔ（Ｉ_２））と定義される。グラフを参照すれば、偏光比は、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗが増大するにつれて、１に近接するということが分かる。これは、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗが増大するにつれて、第１偏光の光Ｉ_１や第２偏光の光Ｉ_２の透過率は、何れも低下するが、第２偏光の光Ｉ_２が先に０に近接するためである。メタルナノワイヤ１５４の幅は、メタルナノワイヤ１５４のピッチによって偏光比が十分に大きく、かつ第１偏光の光Ｉ_１の透過量が絶対的にも多くなる範囲で適切に決定されねばならない。例えば、第１偏光の光Ｉ_１の透過率が入射光の約半分以上になりつつ、偏光比が約０．８以上になるために、メタルナノワイヤ１５４の幅ｗは、波長の０．１〜０．１５の範囲にあることが良い。

図７は、本発明の他の実施形態に係る偏光ＬＥＤを概略的に示す図面である。図面を参照すれば、偏光ＬＥＤは、支持層３１０と、支持層３１０上に形成された半導体多層膜３３０と、半導体多層膜３３０上に形成された偏光消滅層３４０と、偏光消滅層３４０上に形成された偏光制御層３５０と、を備える。

支持層３１０と半導体多層膜３３０との間には、反射層３２０が設けられ、反射層３２０は、発光層３３４で生成される光を偏光制御層３５０の上部側に放出させる。

反射層３２０は、反射度の高いＡｇ、Ａｌ、Ｐｄなどを含む金属層や屈折率の異なる誘電体が反復された構造の誘電体ミラーで形成される。

半導体多層膜３３０は、図に示すように、Ｐ型半導体層３３２、Ｎ型半導体層３３６、及び発光層３３４を備え、発光層３３４をＰ型半導体層３３２とＮ型半導体層３３６との間に設けた構造となっている。

発光層３３４は、例えば、多重量子ウェル構造で形成される。

偏光制御層３５０は、発光層３３４で生成されて放出される光の偏光を制御するものであって、複数のメタルナノワイヤ３５４を備えている。偏光制御層３５０は、例えば、誘電体層３５２と誘電体層３５２の内部に設けられる複数のメタルナノワイヤ３５４とで形成される。誘電体層３５２としては、ＳｉＯ_２などの透明な酸化物または透明電極材質のＩＴＯ、ＺｎＯを採用することができる。

複数のメタルナノワイヤ３５４は、第１方向、図面では、Ｘ方向に沿ってピッチｐで配列されており、長手方向は、第２方向、図面では、Ｙ方向と平行になっている。メタルナノワイヤ３５４の断面は、所定の幅ｗと所定の厚さｔとを有する四角形状で形成されている。なお、メタルナノワイヤ１５４の断面形状は四角形状に限定されず、多様な形状に変形することができる。メタルナノワイヤ３５４は、入射される光のうち、偏光方向が長手方向と平行な光は反射させ、偏光方向が幅方向と平行な光は透過させるためのものであって、反射率の高い金属材質で形成されることが好ましい。例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、またはＰｔが挙げられる。偏光制御層３５０の具体的な構造や偏光を制御する作用は、図１の実施形態で説明したものと実質的に同一である。すなわち、発光層３５４で生成された光Ｉｏのうち、第１偏光の光Ｉ_１は、偏光制御層３５０を透過し、第２偏光の光Ｉ_２は、偏光制御層３５０で反射される。

偏光消滅層３４０は、偏光制御層３５０で反射された光Ｉ_２の偏光を消滅させて無偏光の光Ｉｏ’にするためのものである。偏光消滅層３４０は、半導体多層膜３３０と偏光制御層３５０との間に設けられたものと説明したが、これに限定されず、例えば、反射層３２０と半導体多層膜３３０との間や半導体多層膜３３０の内部に設けられていても良い。偏光消滅層３４０は、光学的異方性物質で構成される。前記光学的異方性物質は、偏光によって異なる屈折率を有するので、これに入射される光の偏光によって屈折し、反射される光の経路が変わり、無偏光の光に変わる。また、偏光消滅層３４０は、散乱物質で形成された散乱層で構成されることもできる。前記散乱層内に存在する屈折率の微細変動によって多重散乱が発生し、これにより入射光の偏光が無偏光の光に変わる。ここで、偏光制御層３４０によって反射された光は、主に第２偏光の光Ｉ_２であるので、このような光を無偏光の光にすることは、第１偏光の光Ｉ_１を再生産することである。このように再生産された第１偏光の光Ｉ_１は、偏光制御層３５０を透過することができるので、放出される第１偏光の光Ｉ_１は、さらに増加するようになる。

本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、これは、単に、本発明を例示したものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かる。したがって、本発明の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならない。

本発明は、偏光ＬＥＤ関連の技術分野に有用である。

本発明の実施形態に係る偏光ＬＥＤを概略的に示す図面である。図１の偏光ＬＥＤで偏光制御層の構造を示す図面である。本発明の実施形態に係る偏光ＬＥＤの製造方法を説明する図面である。本発明の実施形態に係る偏光ＬＥＤの製造方法を説明する図面である。メタルナノワイヤの幅に係る偏光制御層での透過率を第１偏光と第２偏光とに分けて示すグラフである。メタルナノワイヤの幅に係る偏光制御層での反射率を第１偏光と第２偏光とに分けて示すグラフである。偏光制御層を透過した光の偏光比をメタルナノワイヤの幅によって示すグラフである。本発明の他の実施形態に係る偏光ＬＥＤを概略的に示す図面である。

符号の説明

１００偏光ＬＥＤ、
１１０支持層、
１２０反射層、
１３０多層膜、
１３２Ｐ型半導体層、
１３４発光層、
１３６Ｎ型半導体層、
１５０偏光制御層、
１５２誘電体層、
１５４メタルナノワイヤ。

Claims

支持層と、
前記支持層上に形成され、発光層を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜上に形成され、相互に平行に配列された複数のメタルナノワイヤを有し、前記発光層で生成されて放出される光の偏光を制御する偏光制御層と、を備え、
前記偏光制御層は、前記メタルナノワイヤが配列された方向に偏光された光を放出することを特徴とする偏光発光ダイオード。
前記偏光制御層は、誘電体層を備え、
前記メタルナノワイヤは、前記誘電体の内部に埋め込まれることを特徴とする請求項１に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤの断面形状は、多角形状または円形状であることを特徴とする請求項１に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤの断面形状は、四角形状であることを特徴とする請求項３に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤの厚さは、５０ｎｍよりも厚く、１０００ｎｍよりも薄いことを特徴とする請求項４に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤの幅は、前記前記メタルナノワイヤのピッチの１／２倍より狭いことを特徴とする請求項４に記載の偏光発光ダイオード。
前記支持層と前記半導体多層膜との間に反射層を備えることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記隣接するメタルナノワイヤ間のピッチは、前記発光層から放出する光の波長の１／２以下であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤは、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、または白金（Ｐｔ）のうちのいずれか一つで形成されることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記メタルナノワイヤは、前記半導体多層膜に電圧を印加する電極として使われることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光制御層によって反射された光の偏光を消滅させる偏光消滅層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、光の偏光方向によって異なる屈折率を有する光学的異方性物質で形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、散乱層であることを特徴とする請求項１１に記載の偏光発光ダイオード。
前記支持層と前記半導体多層膜との間に反射層を備えることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、前記偏光制御層と前記半導体多層膜との間に形成されることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、前記半導体多層膜の内部に形成されることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、前記支持層と前記半導体多層膜との間に形成されることを特徴とする請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記偏光消滅層は、前記反射層と前記半導体多層膜との間に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の偏光発光ダイオード。
前記支持層、半導体多層膜及び偏光制御層の側面に反射層がさらに設けられることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の偏光発光ダイオード。
前記支持層、前記半導体多層膜、及び前記偏光制御層の側面に反射層がさらに形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の偏光発光ダイオード。