JP2008311687A - Self-luminous device - Google Patents

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Toshihiko Baba
俊彦 馬場
Kosuke Morifuji
康輔 森藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively extract light emitted from illuminants into the air. <P>SOLUTION: The self-luminous device 1 includes a first layer, a light emitting layer overlaying the first layer, a second layer overlaying the light emitting layer and an intermediate layer in the second layer. The refractive index of the intermediate layer is made higher than the refractive index of the first layer and the second layer, the surface of the second layer or the surface of a layer overlaying the second layer has a two-dimensional periodic structure, the intermediate layer is provided inside the two-dimensional periodic structure, and a distance between the upper part of the light emitting layer and the bottom part of the two-dimensional periodic structure is 0.1λ-0.3λ or 0.3λ-λ (λ is wavelength in vacuum). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、発光ダイオード(LED)や有機EL等の自発発光する自発光デバイスに関する。   The present invention relates to a self-luminous device 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自発光デバイスは、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。   Self-emitting devices such as light-emitting diodes (LEDs) and organic EL are expected to be used in a wide range of fields such as displays, displays, and lighting. However, the light emitted from the light emitter is externally reflected by total reflection. Therefore, there is a problem that the 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.

したがって、上記した自発光デバイスでは、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。   Therefore, in the above self-luminous device, it is required to extract light emitted from the light emitter more efficiently in the air.

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1,2,3,4参照)。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、内部の光が大きな立体角を有することから、結果的に取り出し効率が向上する。   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, 3, and 4). The periodic structure formed on the semiconductor surface changes the direction of the light inside the semiconductor by the wave number conversion action of the periodic structure so that the totally reflected light is taken out into the air. As a result, the extraction efficiency is improved.

米国特許 第5779924号US Pat. No. 5,777,924 特開平10−4209号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-4209 特開2004−128445号公報JP 2004-128445 A 特開2004−31221号公報JP 2004-3221 A

本出願の発明者は、3次元光波シミュレーションによって前記した周期構造による取り出し効率を算出した結果、見込まれる取り出し効率の向上は、周期構造による回折効率によって制限され、1.5倍から2倍に留まることを確認した。なお、3次元光波シミュレーションは、本出願の発明者が波動光学シミュレーション方法として出願している(特開2005−69709号公報)。   As a result of calculating the extraction efficiency by the above-described periodic structure by the three-dimensional light wave simulation, the inventor of the present application is limited by the diffraction efficiency by the periodic structure, and is limited to 1.5 to 2 times. It was confirmed. The inventor of the present application has applied for a three-dimensional light wave simulation as a wave optical simulation method (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-69709).

また、周期構造を形成する加工プロセスによっては、周期構造の周期性を完全なものとすることができず、十分な光の取り出し効率が得られないという問題があり、また、この周期構造の周期性を完全なものとするには、加工プロセスに大きな負担がかかるという問題がある。   Further, depending on the machining process for forming the periodic structure, there is a problem that the periodicity of the periodic structure cannot be perfected, and sufficient light extraction efficiency cannot be obtained. There is a problem that a large burden is imposed on the machining process in order to achieve completeness.

この効率を向上させるものとして、発光層(活性層)に回折格子を直接に形成する構造が考えられ、この構造とすることによって、さらに大幅な効率向上が見込まれる。しかしながら、発光層に直接に回折格子を形成する構造では、発光層自体の品質を著しく損傷させてしまうという問題があるため、現実にはこのような構造を採用することはできない。   In order to improve this efficiency, a structure in which a diffraction grating is directly formed in the light emitting layer (active layer) is conceivable, and this structure is expected to further improve the efficiency. However, in the structure in which the diffraction grating is formed directly on the light emitting layer, there is a problem that the quality of the light emitting layer itself is remarkably damaged. Therefore, such a structure cannot be actually used.

本発明は前記した従来の問題点を解決し、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。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to more efficiently extract light emitted from a light emitter in the air.

また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることを目的とする。   Another object of the present invention is to improve the light extraction efficiency without imposing a burden on the processing process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることを目的とする。   Another object of the present invention is to improve the light extraction efficiency even when the periodicity of the periodic structure is insufficient.

本出願の発明者は、前記した3次元光波シミュレーションによって自発光デバイスからの光放射を解析した結果、光の取り出しに係わる要因として、自発光デバイスを構成する半導体層等の各層の屈折率分布があることを見出した。   As a result of analyzing the light emission from the self-luminous device by the above-described three-dimensional light wave simulation, the inventor of the present application has a refractive index distribution of each layer such as a semiconductor layer constituting the self-luminous device as a factor related to light extraction. I found out.

また、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成である場合には、その二次元周期構造の形状、発光層と二次元周期構造との距離があることも見出した。   Moreover, when the light emission surface of the self-light-emitting device is a structure provided with a two-dimensional periodic structure, it also discovered that there existed the distance of the shape of the two-dimensional periodic structure, and a light emitting layer and a two-dimensional periodic structure.

本発明の自発光デバイスは、上記シミュレーションから得られる知見に基づくものであり、光の取り出し効率を向上させる構成として4つの態様を備える。   The self-luminous device of the present invention is based on the knowledge obtained from the above simulation, and includes four aspects as a configuration for improving the light extraction efficiency.

本発明の自発光デバイスの第1の態様は、自発光デバイスを構成する各層の屈折率分布により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第1の層と、この第1の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第2の層とを備え、第1の層の屈折率と第2の層の屈折率とを異ならせ、発光層を挟む両層の屈折率を非対称な構成とする。   The first aspect of the self-luminous device of the present invention is an aspect in which the light extraction efficiency is improved by the refractive index distribution of each layer constituting the self-luminous device, and the first layer overlaps with the first layer. A light emitting layer and a second layer overlapping on the light emitting layer, wherein the refractive index of the first layer is different from the refractive index of the second layer, and the refractive indexes of both layers sandwiching the light emitting layer are asymmetric. The configuration.

この非対称な層の屈折率分布において、第2の層の屈折率を第1の層の屈折率よりも高くする。   In the refractive index distribution of the asymmetric layer, the refractive index of the second layer is made higher than the refractive index of the first layer.

第1の態様によれば、発光層を挟む層の屈折率を非対称な構成とすることによって、自発光デバイスを構成する各層内における光の存在分布を、屈折率が対称である構成による光分布と異ならせ、この光分布によって発光層内に閉じ込められていた光を発光層外に取り出し易くする。   According to the first aspect, by making the refractive index of the layers sandwiching the light emitting layer asymmetric, the light distribution in each layer constituting the self light emitting device is changed to the light distribution by the configuration in which the refractive index is symmetric. In contrast, this light distribution facilitates extraction of light confined in the light emitting layer out of the light emitting layer.

第2の層の屈折率を第1の層の屈折率よりも高くすることによって、発光層から取り出した光を、屈折率が高い第2の層側に導き、第2の層側の発光面から取り出す発光効率を向上させる。   By making the refractive index of the second layer higher than the refractive index of the first layer, the light extracted from the light emitting layer is guided to the second layer side having a high refractive index, and the light emitting surface on the second layer side To improve the luminous efficiency to be taken out from.

なお、発光層を挟む両層の屈折率を非対称な構成とする第1の態様は、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備えない構成、及び、二次元周期構造を備える構成のいずれの構成にも適用することができる。   The first aspect in which the refractive indexes of both layers sandwiching the light emitting layer are asymmetrical is either a configuration in which the light emitting surface of the self-luminous device does not have a two-dimensional periodic structure or a configuration with a two-dimensional periodic structure. This configuration can also be applied.

本発明の自発光デバイスの第2の態様は、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成において、発光層と二次元周期構造との距離により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第1の層と、この第1の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第2の層とを備え、第2の層の表面、又は第2の層上に重なる層の表面に二次元周期構造を設け、λを真空中波長としたとき、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。この距離は、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。   The second aspect of the self-luminous device of the present invention is an aspect in which light extraction efficiency is improved by the distance between the light-emitting layer and the two-dimensional periodic structure in a configuration in which the light emitting surface of the self-luminous device has a two-dimensional periodic structure. A first layer, a light emitting layer overlying the first layer, and a second layer overlying the light emitting layer, the surface of the second layer or the layer overlying the second layer When a two-dimensional periodic structure is provided on the surface and λ is a wavelength in vacuum, the distance between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is 0.1λ to 0.3λ or 0.3λ to λ. This distance is the same as or longer than the penetration depth of the disappearing region.

発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.3λ〜λのように厚い構成とした場合には、内部で自由発光する光の取り出しを高めることで取り出し効率を向上させる。また、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.1λ〜0.3λのように薄い構成とした場合には、光の取り出しを高めると共に、外部に向かっての光放射を高めることで取り出し効率を向上させる。   When the distance between the upper part of the light emitting layer and the bottom part of the two-dimensional periodic structure is as thick as 0.3λ to λ, the extraction efficiency is improved by increasing the extraction of light that freely emits light inside. In addition, when the distance between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is as thin as 0.1λ to 0.3λ, the light extraction is enhanced and the light emission toward the outside is enhanced. To improve the extraction efficiency.

この第2の態様は、前記した第1の態様と組み合わせることができ、発光面に形成した二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとし、かつ、第1の層の屈折率と第2の層の屈折率とを異ならせ、発光層を挟む両層の屈折率を非対称とし、また、第2の層の屈折率を第1の体層の屈折率よりも高い構成とする。   This second aspect can be combined with the first aspect described above, and the distance between the bottom of the two-dimensional periodic structure formed on the light emitting surface and the upper part of the light emitting layer is 0.1λ to 0.3λ, or 0.3λ to λ. And the refractive index of the first layer is different from the refractive index of the second layer, the refractive indexes of the two layers sandwiching the light emitting layer are asymmetric, and the refractive index of the second layer is the first refractive index. The structure is higher than the refractive index of the body layer.

本発明の自発光デバイスの第3の態様は、第1の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させるものであって、中間層を備える多層構造とする態様であり、第1の層と、この第1の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第2の層とを備え、この第2の層内に中間層を設けた多層構造とする。   The third aspect of the self-luminous device of the present invention improves the light extraction efficiency by the refractive index distribution of the layers constituting the self-luminous device as in the first aspect, and has a multilayer structure including an intermediate layer And a first layer, a light emitting layer overlapping on the first layer, and a second layer overlapping on the light emitting layer, and an intermediate layer is provided in the second layer. A multilayer structure is adopted.

この中間層は、屈折率を発光層と同等とし、かつ、発光層が発光する光を吸収しない媒質により形成する。あるいは、中間層は、屈折率を第1の層及び第2の層の屈折率よりも高く形成する。この中間層の厚さは、例えば、λを真空中波長としたとき0.5λ以上とする。   This intermediate layer is formed of a medium having a refractive index equivalent to that of the light emitting layer and not absorbing light emitted by the light emitting layer. Alternatively, the intermediate layer is formed with a refractive index higher than that of the first layer and the second layer. The thickness of the intermediate layer is, for example, 0.5λ or more when λ is a wavelength in vacuum.

この第3の態様は、前記した第2の態様と組み合わせることができ、第2の層に二次元周期構造を設け、この二次元周期構造内に中間層を設けた多層構造とし、二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。   This third aspect can be combined with the second aspect described above, and a two-dimensional periodic structure is provided in the second layer, and an intermediate layer is provided in the two-dimensional periodic structure. The distance between the bottom of the structure and the top of the light emitting layer is 0.1λ to 0.3λ or 0.3λ to λ.

第1の層、第2の層、及び中間層はAlGaNとし、中間層のAlの組成率を第1の層及び第2の層のAlの組成率よりも低く形成することで、中間層の屈折率を第1の層及び第2の層の屈折率よりも高くする。   The first layer, the second layer, and the intermediate layer are made of AlGaN, and by forming the Al composition ratio of the intermediate layer lower than the Al composition ratio of the first layer and the second layer, The refractive index is set higher than that of the first layer and the second layer.

第2の態様及び第3の態様において、二次元周期構造は、円孔最密配列又は錐状突起最密配列とすることができる。錐状突起最密配列としては、例えば、円錐突起最密配列や角錐突起最密配列とすることができる。   In the second and third aspects, the two-dimensional periodic structure may be a close-packed array of circular holes or a close-packed array of conical protrusions. As the conical protrusion close-packed array, for example, a conical protrusion close-packed array and a pyramidal protrusion close-packed array can be used.

また、二次元周期構造は、フォトニック結晶、あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。   The two-dimensional periodic structure can be formed by a photonic crystal or a photonic quasicrystal.

なお、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。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。   Note that the photonic quasicrystal has a refractive index quasi-periodic structure that has long-range order and rotational symmetry without having translational symmetry with respect to the refractive index on the light emitting surface of the light emitter. 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.

第1の態様乃至第3の態様において、第1の層及び第2の層を半導体層とする場合には、第1の半導体層はn-GaN(又はp-GaN)であり、発光層はIn GaNであり、第2の半導体層はp-GaN(又は n-GaN)により形成することができる。   In the first to third aspects, when the first layer and the second layer are semiconductor layers, the first semiconductor layer is n-GaN (or p-GaN), and the light emitting layer is In GaN, the second semiconductor layer can be formed of p-GaN (or n-GaN).

また、第1の態様乃至第3の態様において、第2の層を樹脂層で被覆する構成とすることができる。   In the first to third aspects, the second layer can be covered with a resin layer.

また、二次元周期構造においてフォトニック準結晶による準周期構造を用いることで、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、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。   In addition, by using a quasi-periodic structure of a photonic quasicrystal in a two-dimensional periodic structure, it is possible to reduce band dependency and viewing angle dependency, improve efficiency for a wide solid angle and a wide spectrum, and The emitted light can be extracted more efficiently in the air.

前記した第1の層及び第2の層は半導体により形成する他、ガラス基板等によって形成することができ、これにより、発光ダイオードあるいは有機ELを構成することができる。   The first layer and the second layer described above can be formed of a semiconductor substrate, a glass substrate, or the like, thereby forming a light emitting diode or an organic EL.

さらに、本発明の自発光デバイスの第4の態様は、発光面に二次元周期構造を備えると共に、第1の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させる態様である。   Furthermore, the fourth aspect of the self-luminous device of the present invention has a two-dimensional periodic structure on the light emitting surface, and the light extraction efficiency is improved by the refractive index distribution of the layers constituting the self-luminous device as in the first aspect. This is an embodiment to improve.

この第4の態様は、第1の層と、第1の層上に重なる発光層と、発光層上に重なる第2の層とを備える。第2の層の表面、又はこの第2の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有する。また、第1の層は低屈折率層である。第1の層の屈折率は、発光層よりも低く、かつ、第2の層と同じ若しくは低く設定する。低屈折率層の厚さは、発光層の発光強度と同程度である。   The fourth aspect includes a first layer, a light emitting layer overlapping on the first layer, and a second layer overlapping on the light emitting layer. The surface of the second layer or the surface of the layer overlapping on the second layer has a two-dimensional periodic structure. The first layer is a low refractive index layer. The refractive index of the first layer is set lower than that of the light emitting layer and is the same as or lower than that of the second layer. The thickness of the low refractive index layer is approximately the same as the light emission intensity of the light emitting layer.

第4の態様において、発光層はInGaNであり、第1の層の低屈折率層は、AlGaN、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)の何れかである。 In the fourth aspect, the light emitting layer is InGaN, and the low refractive index layer of the first layer is any one of AlGaN, Al 2 O 3 (sapphire), and AlN (aluminum nitride).

第4の態様の自発光デバイスの一構成は、サファイア基板上にInGaNの発光層、及び二次元周期構造を有したAlGaN層を順に積層する。サファイア基板と発光層との間に一方の電極を有した層を備え、AlGaN層の一部に他方の電極を備えることで、発光層に通電する。   In one configuration of the self-luminous device of the fourth aspect, an InGaN light emitting layer and an AlGaN layer having a two-dimensional periodic structure are sequentially stacked on a sapphire substrate. A layer having one electrode is provided between the sapphire substrate and the light emitting layer, and the other electrode is provided in a part of the AlGaN layer, thereby energizing the light emitting layer.

また、本発明は、二次元周期構造を備える自発光デバイスにおいて、自発光デバイスが備える二次元周期構造の周期性は、1/2周期〜2周期の周期範囲を備え、この範囲内の周期ずれであれば十分な効果を奏することができる。   Further, the present invention provides a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure, wherein the periodicity of the two-dimensional periodic structure provided in the self-luminous device has a period range of ½ period to two periods, and a period deviation within this range. If so, sufficient effects can be achieved.

以上説明したように、本発明によれば、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。また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることができる。   As described above, according to the present invention, the light emitted from the light emitter can be extracted more efficiently in the air. Further, the light extraction efficiency can be improved without imposing a burden on the processing process.

また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることができる。   Even if the periodicity of the periodic structure is insufficient, the light extraction efficiency can be improved.

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。なお、以下では、本発明の自発光デバイスは、発光ダイオード等のように、各層を半導体層により形成する構成例を用いて説明するが、有機ELのように各層をガラス基板等により形成する構成にも適用することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the self-luminous device of the present invention will be described using a configuration example in which each layer is formed of a semiconductor layer, such as a light-emitting diode, but a configuration in which each layer is formed of a glass substrate or the like, such as an organic EL. It can also be applied to.

本発明の第1の態様を図1を用いて説明する。図1において、第1の態様の自発光デバイス1は、半導体層の屈折率分布により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第1の半導体層2と、この第1の半導体層2上に重なる発光層3と、この発光層3上に重なる第2の半導体層4とを備え、第1の半導体層2の屈折率を低屈折率とし、第2の半導体層4の屈折率を高屈折率として、発光層3を挟む上下の半導体層2,4の屈折率を非対称な構成とする。   A first aspect of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a self-luminous device 1 according to a first aspect is an aspect in which light extraction efficiency is improved by a refractive index distribution of a semiconductor layer, and the first semiconductor layer 2 and the first semiconductor layer 2 are formed on the first semiconductor layer 2. A light emitting layer 3 that overlaps and a second semiconductor layer 4 that overlaps the light emitting layer 3 are provided, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is set to a low refractive index, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is set to a high refractive index. The refractive index of the upper and lower semiconductor layers 2 and 4 sandwiching the light emitting layer 3 is configured to be asymmetric.

半導体層2,4及び発光層3は自発光デバイス1の各層を構成する。各層は、例えば、第1の半導体層2及び第2の半導体層4はAlGaNのクラッド層によって形成し、発光層3はInGaNにより形成する。ここで、発光層3の屈折率は例えば2.8とし、第1の半導体層2のAlGaNのクラッド層の屈折率は2.5とし、第2の半導体層4のAlGaNのクラッド層の屈折率は2.78とする。第2の半導体層4のAlGaNのクラッド層の屈折率は、Alの組成を第1の半導体層2のAlGaNのクラッド層のAlの組成よりも低くすることによって、高い屈折率とすることができる。また、光の真空中波長λとするとき、発光層3の厚さは0.2λとする。   The semiconductor layers 2 and 4 and the light emitting layer 3 constitute each layer of the self light emitting device 1. For example, the first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 4 are formed of an AlGaN cladding layer, and the light emitting layer 3 is formed of InGaN. Here, the refractive index of the light emitting layer 3 is, for example, 2.8, the refractive index of the AlGaN cladding layer of the first semiconductor layer 2 is 2.5, and the refractive index of the AlGaN cladding layer of the second semiconductor layer 4. Is 2.78. The refractive index of the AlGaN cladding layer of the second semiconductor layer 4 can be made high by making the Al composition lower than the Al composition of the AlGaN cladding layer of the first semiconductor layer 2. . Further, when the wavelength λ in light is λ, the thickness of the light emitting layer 3 is 0.2λ.

次に、本発明の第2の態様を図2を用いて説明する。図2において、第2の態様の自発光デバイス1は、自発光デバイス1の発光面に二次元周期構造10を備える構成において、発光層3と二次元周期構造10との距離dsにより光の取り出し効率を向上させる態様である。なお、二次元周期構造は、半導体層に設ける他、半導体層上に重なる層の表面に形成してもよい。以下では、半導体層に二次元周期構造を設ける例について説明する。   Next, a second aspect of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the self-light-emitting device 1 according to the second aspect is configured so that light is extracted by the distance ds between the light-emitting layer 3 and the two-dimensional periodic structure 10 in a configuration in which the light-emitting surface of the self-light-emitting device 1 includes the two-dimensional periodic structure 10 This is an aspect of improving efficiency. Note that the two-dimensional periodic structure may be provided on the surface of a layer overlapping with the semiconductor layer in addition to being provided in the semiconductor layer. Below, the example which provides a two-dimensional periodic structure in a semiconductor layer is demonstrated.

自発光デバイス1は、第1の半導体層2と、この第1の半導体層2の上に重なる発光層3と、この発光層3上に重なる第2の半導体層4とを備え、第2の半導体層4の表面に二次元周期構造10を設け、λを真空中波長としたとき、発光層3の上部と二次元周期構造10の底部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。なお、この距離dsは、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。   The self-luminous device 1 includes a first semiconductor layer 2, a light emitting layer 3 overlying the first semiconductor layer 2, and a second semiconductor layer 4 overlying the light emitting layer 3. When the two-dimensional periodic structure 10 is provided on the surface of the semiconductor layer 4 and λ is a wavelength in vacuum, the distance between the top of the light emitting layer 3 and the bottom of the two-dimensional periodic structure 10 is 0.1λ to 0.3λ, or 0.3λ to Let λ be. This distance ds is the same as or longer than the penetration depth of the disappearing region.

半導体層2,4及び発光層3は、前記した第1の態様と同様に、自発光デバイス1の各層を構成し、例えば、第1の半導体層2及び第2の半導体層4はAlGaNのクラッド層によって形成し、発光層3はInGaNにより形成することができる。   The semiconductor layers 2 and 4 and the light emitting layer 3 constitute the respective layers of the self light emitting device 1 in the same manner as in the first embodiment. For example, the first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 4 are clad of AlGaN. The light emitting layer 3 can be formed of InGaN.

ここで、第1の半導体層2、発光層3、及び第2の半導体層4の屈折率は、第1の態様と同様に非対称な構成とする他、対称な構成としてもよい。非対称な構成では、発光層3の屈折率は例えば2.8とし、第1の半導体層2のAlGaNのクラッド層の屈折率は2.5とし、第2の半導体層4のAlGaNのクラッド層の屈折率は2.78とする。また、対称な構成では、発光層3の屈折率は例えば2.8とし、第1の半導体層2及び第2の半導体層4のAlGaNのクラッド層の屈折率は2.5とする。   Here, the refractive indexes of the first semiconductor layer 2, the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer 4 may be asymmetrical as well as asymmetrical as in the first embodiment. In the asymmetric configuration, the refractive index of the light emitting layer 3 is, for example, 2.8, the refractive index of the AlGaN cladding layer of the first semiconductor layer 2 is 2.5, and the AlGaN cladding layer of the second semiconductor layer 4 is The refractive index is 2.78. In a symmetric configuration, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, for example, and the refractive index of the AlGaN cladding layer of the first semiconductor layer 2 and the second semiconductor layer 4 is 2.5.

第2の態様が備える二次元周期構造10は、例えば円孔最密配列又は錐状突起最密配列により構成することができ、フォトニック結晶あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。錐状突起最密配列は、錐状体の突起物を最密配列するものであり、錐状体は任意の形状とすることができ、例えば、円錐状突起最密配列や角錐状突起最密配列とすることができる。   The two-dimensional periodic structure 10 included in the second aspect can be configured by, for example, a close-packed array of circular holes or a close-packed array of conical protrusions, and can be formed of a photonic crystal or a photonic quasicrystal. The conical projection close-packed arrangement is a method of arranging the projections of the cone-shaped close-packed, and the cone-shaped body can have any shape, for example, a conical-projection close-packed arrangement or a pyramidal close-packed close-packed array. It can be an array.

なお、フォトニック結晶は、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構成され、フォトニック準結晶は、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って構成するものであり、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。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。   A photonic crystal is formed by repeatedly arranging regions having different refractive indices at a period of about the wavelength of light, and a photonic quasicrystal has two different refractive index regions at a period of about the wavelength of light. In a repeating photonic crystal, an arrangement pattern is formed in accordance with a quasi-crystal pattern, and has a refractive index quasi-periodic structure having a long-range order and a rotational symmetry without having a translational symmetry with respect to a refractive index. As a pattern for forming the quasicrystal, for example, a Penrose tiling pattern or a 12-fold Symmetric pattern can be used.

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。   By applying a light emitting surface having a lattice structure of a photonic quasicrystal, light extraction efficiency can be increased, and viewing angle dependency can be reduced to obtain a high solid angle.

図2(a)、(b)は、二次元周期構造として円孔最密配列を用いた場合を示している。図2(a)は円孔最密配列による二次元周期構造10の平面を示し、図2(b)は自発光デバイス1及び二次元周期構造10の側面を示している。   FIGS. 2A and 2B show a case where a close-packed circular hole array is used as the two-dimensional periodic structure. FIG. 2A shows the plane of the two-dimensional periodic structure 10 by the close-packed circular hole arrangement, and FIG. 2B shows the side surfaces of the self-luminous device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

この円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイス1では、第2の半導体層4に孔径2r、孔の深さdhを有する円孔11が周期的に配列され、円孔11の底部12と発光層3の上部との間の距離をdsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数a(孔間のピッチ)を備える。   In the self-light-emitting device 1 having a two-dimensional periodic structure with a close-packed circular hole arrangement, circular holes 11 having a hole diameter 2r and a hole depth dh are periodically arranged in the second semiconductor layer 4. The distance between the bottom 12 and the top of the light emitting layer 3 is ds. A lattice constant a (pitch between holes) is provided as a parameter for determining the two-dimensional periodic structure.

3次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータa,2r,及びdhによって光の取り出し効率が変化し、
a=λ〜1.5λ
2r=0.5a〜0.6a
dh=0.5λ〜λ
において、光の取り出し効率が最大となる。
According to the result of the three-dimensional lightwave simulation, the light extraction efficiency varies depending on these parameters a, 2r, and dh,
a = λ to 1.5λ
2r = 0.5a-0.6a
dh = 0.5λ to λ
In this case, the light extraction efficiency is maximized.

また、図2(c)は円錐突起最密配列による二次元周期構造10の平面を示し、図2(d)は自発光デバイス1及び二次元周期構造10の側面を示している。   FIG. 2C shows a plane of the two-dimensional periodic structure 10 having a conical projection close-packed arrangement, and FIG. 2D shows the side surfaces of the self-luminous device 1 and the two-dimensional periodic structure 10.

なお、以下では円錐突起最密配列を用いて説明するが、円錐突起最密配列は錘状突起最密配列の一例に過ぎず、角錘突起体を最密配列する角錘突起最密配列としてもよい。   In the following description, the conical protrusion close-packed array is used for explanation. However, the conical protrusion close-packed array is only an example of the conical protrusion close-packed array, and the pyramidal protrusion close-packed array is used as the pyramidal protrusion close-packed array. Also good.

この円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイス1(発光面は円錐突起によって完全に満たされているものとする)では、第2の半導体層4に角度θを有する円錐突起13が周期的に配列され、円錐突起13の底部14と発光層3の上部との間の距離をdsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数a(円錐突起間のピッチ)、及び角度θを備える。   In the self-light-emitting device 1 having the two-dimensional periodic structure with the close-packed conical protrusions (assuming that the light emitting surface is completely filled with the conical protrusions), the conical protrusions 13 having an angle θ in the second semiconductor layer 4. Are periodically arranged, and the distance between the bottom 14 of the conical protrusion 13 and the top of the light emitting layer 3 is ds. As parameters for determining the two-dimensional periodic structure, a lattice constant a (a pitch between conical protrusions) and an angle θ are provided.

3次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータa,θによって光の取り出し効率が変化し、
a=0.5λ〜λ
θ=60°〜65°
において、光の取り出し効率が最大となる。
According to the results of the three-dimensional lightwave simulation, the light extraction efficiency varies depending on these parameters a and θ.
a = 0.5λ to λ
θ = 60 ° -65 °
In this case, the light extraction efficiency is maximized.

なお、上記光の取り出し効率は、後述するように、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの光取り出し量を基準とした比較によって得ている。   The light extraction efficiency is obtained by comparison based on the light extraction amount of a self-luminous device having a planar structure that does not have a two-dimensional periodic structure, as will be described later.

また、3次元光波シミュレーションの結果によれば、発光層3の上部と二次元周期構造10の底部(図2(b)に示す円孔最密配列の底部12、図2(d)に示す円錐突起最密配列の底部14)との距離dsを0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとすることによって、光の取り出し効率が向上する。   Further, according to the result of the three-dimensional light wave simulation, the upper part of the light emitting layer 3 and the bottom part of the two-dimensional periodic structure 10 (the bottom part 12 of the close-packed circular holes shown in FIG. 2B, the cone shown in FIG. 2D). The light extraction efficiency is improved by setting the distance ds to the bottom 14) of the close-packed projections to 0.1λ to 0.3λ or 0.3λ to λ.

距離dsを0.3λ〜λとして、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を厚い構成とした場合には、発光層3で自由発光する光の発光層からの取り出しを高め、また、距離dsを0.1λ〜0.3λとして、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を薄い構成とした場合には、発光層からの取り出しと共に、発光面からの光放射をより高めるように光り分布を変化させることで取り出し効率を向上させる。   When the distance ds is set to 0.3λ to λ and the distance between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is thick, the light emitting layer 3 can improve the extraction of light emitted freely from the light emitting layer, When the distance ds is set to 0.1λ to 0.3λ and the distance between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is thin, the light emission from the light emitting surface is further enhanced along with the removal from the light emitting layer. Thus, the extraction efficiency is improved by changing the light distribution.

この二次元周期構造は、モールドや鋳型によって予め二次元周期構造の突起を形成しておき、この突起構造を半導体基板や有機EL基板に転写することで形成するほか、エピタキシャル等のエッチング処理等によって形成することができる。   This two-dimensional periodic structure is formed by previously forming protrusions of a two-dimensional periodic structure with a mold or a mold and transferring the protrusion structure to a semiconductor substrate or an organic EL substrate, or by etching such as epitaxial. Can be formed.

この二次元周期構造の形成では半導体層を削る工程を含むため、底部では発光層の近傍まで半導体層を削ることになり、その距離は前記したdsで定まる。そのため、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離dsが薄い構成では、製造プロセス中に発光層を損傷する可能性が高くなるという問題がある。   Since the formation of this two-dimensional periodic structure includes a step of cutting the semiconductor layer, the semiconductor layer is cut to the vicinity of the light emitting layer at the bottom, and the distance is determined by ds described above. For this reason, in the configuration in which the distance ds between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is thin, there is a problem that the possibility of damaging the light emitting layer during the manufacturing process is increased.

この場合には、前記した第1の態様の半導体層の屈折率を非対称とする構造と組み合わせ、距離dsを0.3λ〜λの厚い構造を採用することによって、この製造プロセス中の発光層の損傷の問題を解決することができる。なお、このときの光の取り出し効率は、後述する図6中の例で示すように、F=3.61を維持することができる。なお、ここで、Fは、二次元周期構造を持たず、また本発明の第1〜第4の何れの態様も備えない構成において取り出される光強度を基準としたときの比率を表している。   In this case, by combining with the structure in which the refractive index of the semiconductor layer of the first embodiment is asymmetric, and adopting a thick structure with a distance ds of 0.3λ to λ, damage to the light emitting layer during this manufacturing process is achieved. Can solve the problem. Note that the light extraction efficiency at this time can maintain F = 3.61 as shown in an example in FIG. 6 to be described later. Here, F represents a ratio based on the light intensity extracted in a configuration that does not have a two-dimensional periodic structure and does not have any of the first to fourth aspects of the present invention.

二次元周期構造の周期性は、1/2周期〜2周期の周期範囲で周期ずれを許容することができる。図3は二次元周期構造の周期性と出力との関係を示す図である。   The periodicity of the two-dimensional periodic structure can allow a period shift in a period range of ½ period to 2 periods. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the periodicity of the two-dimensional periodic structure and the output.

図3(a),図3(b)は、二次元周期構造が円孔最密配列の例であり、図3(a)に示す仕様の二次元周期構造において、a/λで規格化したピッチ(横軸)に対する強度(縦軸)を、d/λをパラメータとして示している。また、図3(c),図3(d)は、二次元周期構造が円錐突起最密配列の例であり、図3(c)に示す仕様の二次元周期構造において、a/λで規格化したピッチ(横軸)に対する強度(縦軸)を、θをパラメータとして示している。   3 (a) and 3 (b) are examples in which the two-dimensional periodic structure is a close-packed arrangement of circular holes, and the two-dimensional periodic structure having the specifications shown in FIG. 3 (a) is normalized by a / λ. The intensity (vertical axis) with respect to the pitch (horizontal axis) is shown using d / λ as a parameter. 3 (c) and 3 (d) are examples in which the two-dimensional periodic structure is a close-packed conical protrusion. In the two-dimensional periodic structure having the specification shown in FIG. 3 (c), the standard is a / λ. The intensity (vertical axis) with respect to the converted pitch (horizontal axis) is shown with θ as a parameter.

上記した図3(a)〜図3(d)に示すように、ピッチa/λが0.5〜2.0の範囲であれば、出力が有効的に高まることが確認される。したがって、二次元周期構造の周期性は、規格化したピッチa/λで表したとき0.5〜2.0の周期範囲内で周期ずれを許容することができる。   As shown in FIGS. 3A to 3D described above, it is confirmed that the output is effectively increased when the pitch a / λ is in the range of 0.5 to 2.0. Therefore, the periodicity of the two-dimensional periodic structure can tolerate a period shift within a period range of 0.5 to 2.0 when expressed by the normalized pitch a / λ.

また、図3(e)は、二次元周期構造の周期性のずれと散乱性と回折性との関係を示している。図3(e)では、a/λ(a:格子常数、λ:波長)で表される規格化されたピッチに対して、1〜6の間で出力が高まることが確認され、そのうち、散乱性と回折性の寄与の程度を示している。   FIG. 3E shows the relationship between the shift in periodicity, the scattering property, and the diffractive property of the two-dimensional periodic structure. In FIG. 3 (e), it is confirmed that the output is increased between 1 and 6 with respect to the normalized pitch represented by a / λ (a: lattice constant, λ: wavelength). The degree of the contribution of the diffractive property and the diffraction property is shown.

図3(e)によれば、二次元周期構造の周期性は、規格化したピッチa/λで表したとき1.0〜6.0の周期範囲内で周期ずれを許容することができる。   According to FIG.3 (e), the periodicity of a two-dimensional periodic structure can accept | permit a period shift within the period range of 1.0-6.0, when expressed with the normalized pitch a / (lambda).

次に、本発明の第3の態様を図4を用いて説明する。   Next, a third aspect of the present invention will be described with reference to FIG.

図4において、第3の態様の自発光デバイス1は、第1の態様と同様に自発光デバイスを構成する半導体層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させるものであって、中間層を備える多層構造とする態様である。   In FIG. 4, the self-luminous device 1 of the third aspect improves the light extraction efficiency by the refractive index distribution of the semiconductor layer constituting the self-luminous device as in the first aspect. It is the aspect which is set as the multilayer structure provided.

自発光デバイス1は、第1の半導体層2と、この第1の半導体層2上に重なる発光層3と、この発光層3上に重なる第2の半導体層4と、この第2の半導体層4内に中間層5を備えた多層構造である。   The self-luminous device 1 includes a first semiconductor layer 2, a light emitting layer 3 overlying the first semiconductor layer 2, a second semiconductor layer 4 overlying the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer. 4 is a multilayer structure having an intermediate layer 5 in it.

この中間層5の第1の形態は、屈折率を発光層3に近い値とし、かつ、発光層3が発光する光を吸収しない媒質により形成する。また、第2の形態は、中間層5の屈折率を半導体層2,4の屈折率よりも高く形成する。中間層5の厚さは、例えば、λを真空中波長としたとき0.5λ以上とする。   The first form of the intermediate layer 5 is formed of a medium that has a refractive index close to that of the light emitting layer 3 and does not absorb light emitted by the light emitting layer 3. In the second embodiment, the refractive index of the intermediate layer 5 is formed higher than that of the semiconductor layers 2 and 4. The thickness of the intermediate layer 5 is, for example, 0.5λ or more when λ is a wavelength in vacuum.

例えば、半導体層2,4をAlGaNのクラッド層としたときの屈折率を2.5とし、InGaNの発光層3の屈折率を3.0とした場合には、中間層5をAlGaNのAlの組成を低くすることでその屈折率を2.8とする。   For example, when the refractive index when the semiconductor layers 2 and 4 are made of an AlGaN cladding layer is 2.5 and the refractive index of the light-emitting layer 3 of InGaN is 3.0, the composition of Al in the AlGaN layer 5 is lowered. The refractive index is 2.8.

また、この第3の態様は、前記した第2の態様と組み合わせることができ、第2の半導体層に二次元周期構造10を設け、この二次元周期構造10内に中間層5を設けた多層構造とし、二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする構成としてもよい。   Further, this third aspect can be combined with the second aspect described above, and a multilayer in which a two-dimensional periodic structure 10 is provided in a second semiconductor layer and an intermediate layer 5 is provided in the two-dimensional periodic structure 10. The distance between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the top of the light emitting layer may be 0.1λ to 0.3λ or 0.3λ to λ.

図4(a)は、二次元周期構造を備えない発光面に周期構造を形成しない構成例であり、図4(b)は、二次元周期構造として円孔最密配列を備えた構成例であり、図4(c)は、二次元周期構造として円錐突起最密配列を備えた構成例である。   4A is a configuration example in which a periodic structure is not formed on a light emitting surface that does not have a two-dimensional periodic structure, and FIG. 4B is a configuration example in which a circular hole close-packed array is provided as a two-dimensional periodic structure. FIG. 4C shows a configuration example provided with a conical protrusion close-packed array as a two-dimensional periodic structure.

多層構造による自発光デバイスは、非対称構造で強度dsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成と同様の効果を奏することができる。これは、発光層の導光は、第2の高屈折率の半導体層と結合し、二次元周期構造の格子によって強く回折されるからである。   The self-luminous device having a multilayer structure can exhibit the same effect as a thin structure having an asymmetric structure and a strength ds of 0.1λ to 0.3λ. This is because the light guide of the light emitting layer is combined with the second high refractive index semiconductor layer and is strongly diffracted by the grating of the two-dimensional periodic structure.

次に、本発明の第4の態様を図5を用いて説明する。   Next, a fourth aspect of the present invention will be described with reference to FIG.

図5において、第4の態様の自発光デバイス1は、発光面に二次元周期構造10を備えると共に、第1の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させる態様である。   In FIG. 5, the self-light-emitting device 1 of the fourth aspect includes the two-dimensional periodic structure 10 on the light-emitting surface, and the light extraction efficiency by the refractive index distribution of the layers constituting the self-light-emitting device as in the first aspect. This is a mode of improving the quality.

この第4の態様の自発光デバイス1は、第1の層と、第1の層上に重なる発光層と、発光層上に重なる第2の層とを備える。第2の層の表面、又はこの第2の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有する。ここで、第1の層は低屈折率層とし、その屈折率は、発光層よりも低く、かつ、第2の層と同じ若しくは低く設定する。   The self-light-emitting device 1 according to the fourth aspect includes a first layer, a light-emitting layer that overlaps the first layer, and a second layer that overlaps the light-emitting layer. The surface of the second layer or the surface of the layer overlapping on the second layer has a two-dimensional periodic structure. Here, the first layer is a low refractive index layer, and the refractive index is set lower than that of the light emitting layer and the same as or lower than that of the second layer.

第4の態様は複数の形態とすることができる。図5(a)〜図5(c)は第4の態様の各形態を示している。   The fourth aspect can take a plurality of forms. Fig.5 (a)-FIG.5 (c) have shown each form of the 4th aspect.

図5(a)に示す第4の態様の第1の形態は、第1の層である低屈折率層20を発光層3の下方に直接設ける構成である。   The first form of the fourth mode shown in FIG. 5A is a configuration in which the low refractive index layer 20 as the first layer is directly provided below the light emitting layer 3.

なお、発光層3と低屈折率層20とを直接接合する構成において、両者の間で良好な接合性が得られない場合には、低屈折率層20上に半導体層(例えば、p-GaN層)等の別の層を挟んで発光層3を重ねる構成としてもよい。この場合、間に挟んだ半導体層には、発光層3に給電する一方の電極を設けることができる。p-GaN層は、電気抵抗を低く、厚さを薄くすることができるため、低屈折率層20と発光層3との間に挟む層として有効に用いることができる。   In the configuration in which the light emitting layer 3 and the low refractive index layer 20 are directly bonded, when a good bonding property cannot be obtained between them, a semiconductor layer (for example, p-GaN) is formed on the low refractive index layer 20. The light emitting layer 3 may be stacked with another layer such as a layer) interposed therebetween. In this case, one electrode for supplying power to the light emitting layer 3 can be provided in the semiconductor layer sandwiched therebetween. The p-GaN layer can be effectively used as a layer sandwiched between the low refractive index layer 20 and the light emitting layer 3 because the p-GaN layer has a low electrical resistance and can be thin.

図5(b)に示す第4の態様の第2の形態は、発光層3を挟む上方の二次元周期構造10と下方の半導体層を単一層30で形成し、発光層3の下方の単一層内に低屈折率層20を挟んで設ける構成である。   In the second mode of the fourth mode shown in FIG. 5B, the upper two-dimensional periodic structure 10 and the lower semiconductor layer sandwiching the light emitting layer 3 are formed as a single layer 30, and the single lower layer of the light emitting layer 3 is formed. In this configuration, the low refractive index layer 20 is sandwiched in one layer.

また、図5(c)に示す第4の態様の第3の形態は、発光層3を挟む上方の二次元周期構造10と下方の半導体層を単一層30で形成し、この単一層30の下方に低屈折率層20を設ける構成である。   Further, in the third mode of the fourth mode shown in FIG. 5C, the upper two-dimensional periodic structure 10 and the lower semiconductor layer sandwiching the light emitting layer 3 are formed by a single layer 30, and the single layer 30 The low refractive index layer 20 is provided below.

この第4の態様において、低屈折率層20は、発光層3よりも低屈折率であり、かつ、二次元周期構造等を構成する他の層と同等あるいは低い屈折率とする。   In the fourth embodiment, the low refractive index layer 20 has a lower refractive index than that of the light emitting layer 3 and has a refractive index equal to or lower than that of other layers constituting the two-dimensional periodic structure or the like.

なお、第4の態様の低屈折率層20は、単一の屈折率で構成する他、屈折率を順次変化させて多層膜構成とすることもできるが、本発明の第4の態様は、発光層の下方に単に低屈折率層を設けるという簡易な構成によって、発光効率を高めることができる点を特徴てきに備える。   The low-refractive index layer 20 of the fourth aspect may be configured with a single refractive index, or may be configured to have a multilayer film structure by sequentially changing the refractive index. The present invention is characterized in that the light emission efficiency can be increased by a simple configuration in which a low refractive index layer is simply provided below the light emitting layer.

なお、低屈折率層の厚さは、発光層の発光の波長と同程度の長さが適当である。例えば、発光層周辺の屈折率を2.4とし低屈折率層の屈折率を2.2としたときに、発光層からは青色LEDの波長であるおよそ0.5μmの光が発光する。このとき、発光効率の増大する効果は、低屈折率層の厚さが増すにつれて増加し、波長と同程度の0.5μm程度の厚さで飽和する。この低屈折率層の厚さは、波長と同程度であればある程度の範囲で幅を持たせることができ、例えば、0.4μmであっても発光効率を十分に増大させることができる。   The thickness of the low refractive index layer is suitably about the same length as the light emission wavelength of the light emitting layer. For example, when the refractive index around the light emitting layer is 2.4 and the refractive index of the low refractive index layer is 2.2, the light emitting layer emits light of approximately 0.5 μm, which is the wavelength of the blue LED. At this time, the effect of increasing the luminous efficiency increases as the thickness of the low refractive index layer increases, and saturates at a thickness of about 0.5 μm, which is the same as the wavelength. If the thickness of the low refractive index layer is approximately the same as the wavelength, it can have a certain range of width. For example, even when the thickness is 0.4 μm, the luminous efficiency can be sufficiently increased.

また、発光効率の増大効果が波長と同程度の厚さで飽和するということは、低屈折率装置の厚さがこれよりも厚い場合であっても同じ効果を奏することができることを意味している。   In addition, the fact that the effect of increasing the luminous efficiency is saturated at the same thickness as the wavelength means that the same effect can be obtained even when the thickness of the low refractive index device is thicker than this. Yes.

なお、この波長と同程度とする本発明の低屈折率層の厚さは、通常発光層の下側に設ける半導体層の厚さと比較したとき数倍以上の厚さである。   It should be noted that the thickness of the low refractive index layer of the present invention, which is about the same as this wavelength, is several times more than the thickness of the semiconductor layer usually provided below the light emitting layer.

また、低屈折率層の屈折率を、例えば、2.0〜1.6程度に下げた場合には、波長と同程度の厚さよりも薄い方向であって同様の効果を奏することができる。これは、発光層との屈折率の差が大きいことによって、発光層から低屈折率層へ光がしみ出す程度が低下するためである。   In addition, when the refractive index of the low refractive index layer is lowered to, for example, about 2.0 to 1.6, the same effect can be obtained in a direction thinner than the same thickness as the wavelength. This is because the degree of light oozing from the light emitting layer to the low refractive index layer decreases due to the large difference in refractive index from the light emitting layer.

この2.0〜1.6程度の屈折率は、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)の屈折率に相当するため、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)の基板を低屈折率層として用いることで、本発明の自発光デバイスを構成することができる。 Refractive index of about the 2.0 to 1.6 is, Al 2 O 3 (sapphire), to correspond to the refractive index of AlN (aluminum nitride), Al 2 O 3 (sapphire), a low refractive index of the substrate of AlN (aluminum nitride) By using it as a layer, the self-luminous device of the present invention can be constituted.

以下、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率を、単一層の構造における光強度を基準として3次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図6を用いて示す。   Hereinafter, the light extraction efficiency of each structure of the self-luminous device having a planar structure not including the two-dimensional periodic structure is obtained by a three-dimensional light wave simulation with reference to the light intensity in the single-layer structure, with reference to FIG. Show.

なお、図6(a)は単一層の構造の平面図であり、図6(b)〜図6(f)は単一層の構造の側面図である。図6(c)は屈折率を異ならせる非対称構造、図6(d)は屈折率を等しくする対称構造、図6(e)は第2の半導体層に中間層を備える多層構造、図6(f)は発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造、及び単一層の構造における光強度を基準としたときの光の取り出し効率Fを示している。なお、図6では、発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。   6A is a plan view of a single layer structure, and FIGS. 6B to 6F are side views of the single layer structure. 6C is an asymmetric structure in which the refractive index is varied, FIG. 6D is a symmetrical structure in which the refractive index is equalized, FIG. 6E is a multilayer structure in which an intermediate layer is provided in the second semiconductor layer, and FIG. f) shows the light extraction efficiency F based on the light intensity in the resin coating structure in which the light emitting surface is covered with the resin cover and the single layer structure. In FIG. 6, the refractive index of air facing the light emitting surface is 1.0.

図6(b)に示す単一層による構造では、第1の半導体層2、発光層3、及び第2の半導体層4の各屈折率は2.8とし、このときに得られる光の強度を基準として“1.00”とする。   In the structure with a single layer shown in FIG. 6B, each refractive index of the first semiconductor layer 2, the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer 4 is 2.8, and the intensity of light obtained at this time is used as a reference. Set to “1.00”.

図6(c)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.14”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 6C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.14” based on the light intensity of the structure with a single layer.

図6(d)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.02”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 6D, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.02” based on the light intensity of the structure of a single layer.

図6(e)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.02”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 6E, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.02” based on the light intensity of the structure of a single layer.

また、図6(f)に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“2.74”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 6 (f), the light emitting surface having the structure of the single layer described above is covered with a resin having a refractive index of 1.45. The light extraction efficiency obtained by this structure is “2.74” based on the light intensity of the structure with a single layer.

次に、図7,8を用いて、二次元周期構造を備える自発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率を、前記図6で示した二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの場合を基準として示す。   Next, with reference to FIGS. 7 and 8, the light extraction efficiency of each structure of the self-luminous device having the two-dimensional periodic structure is the same as that of the planar light-emitting device not having the two-dimensional periodic structure shown in FIG. The case is shown as a reference.

ここでは、3次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスでは、a=1.5λ、2r=0.6a,dh=λとし、円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスではa=0.5λ、θ=63°とした3次元光波シミュレーション結果である。   Here, based on the optimum parameter range obtained as a result of the three-dimensional light wave simulation, in a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure with a close-packed circular hole array, a = 1.5λ, 2r = 0.6a, dh = In a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure with a conical protrusion close-packed array, λ is a three-dimensional light wave simulation result with a = 0.5λ and θ = 63 °.

図7は、円孔最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、単一層の構造(図7(b),図7(g))、屈折率を異ならせる非対称構造(図7(c),図7(h))、屈折率を等しくする対称構造(図7(d),図7(i))、第2の半導体層に中間層を備える多層構造(図7(e),図7(j))、発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造(図7(f),図7(k))の各構造における光の取り出し効率を比較する。   FIG. 7 shows a case of a two-dimensional periodic structure in a close-packed arrangement of circular holes. Based on the light extraction efficiency of a planar structure, the structure of a single layer (FIGS. 7B and 7G) and the refractive index are shown. Asymmetric structure (FIG. 7 (c), FIG. 7 (h)) to be differentiated, symmetrical structure (FIG. 7 (d), FIG. 7 (i)) having the same refractive index, and a multilayer having an intermediate layer in the second semiconductor layer The light extraction efficiencies of the structures (FIGS. 7 (e) and 7 (j)) and the resin-coated structures (FIGS. 7 (f) and 7 (k)) in which the light emitting surface is covered with the resin cover will be compared.

なお、図7(b)〜図7(f)は、二次元周期構造の底部と発光層との距離dsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図7(g)〜図7(k)は、距離dsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、図7の発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。   FIGS. 7B to 7F show the case where the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the light emitting layer is 0.3λ to λ, and FIGS. 7G to 7B. (K) is a case of a thin configuration in which the distance ds is 0.1λ to 0.3λ. Further, the refractive index of air facing the light emitting surface in FIG.

はじめに、距離dsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図7(b)〜図7(f)を用いて説明する。   First, the case where the distance ds is a thick structure of 0.3λ to λ will be described with reference to FIGS. 7B to 7F.

図7(b)に示す単一層による構造では、第1の半導体層2、発光層3、及び第2の半導体層4の各屈折率は2.8とし、図6(b)の構造で得られる光の強度を基準“1.00”としたとき“1.72”となる。   In the structure with a single layer shown in FIG. 7B, the refractive index of each of the first semiconductor layer 2, the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer 4 is 2.8, and the light obtained by the structure of FIG. When the strength of the material is “1.00” as the standard, “1.72” is obtained.

図7(c)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“2.94”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 7C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “2.94” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG.

図7(d)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.84”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 7D, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.84” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図7(e)に示す多層構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“2.20”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 7E, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “2.20” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG.

また、図7(f)に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“3.62”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 7 (f), the light emitting surface having the structure of the single layer described above is covered with a resin having a refractive index of 1.45. The light extraction efficiency obtained by this structure is “3.62” with respect to the light intensity standard of the single layer structure of FIG.

次に、距離dsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図7(g)〜図7(k)を用いて説明する。   Next, the case where the distance ds is as thin as 0.1λ to 0.3λ will be described with reference to FIGS. 7 (g) to 7 (k).

図7(g)に示す単一層による構造では、前記図7(b)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.79”となる。   In the structure with a single layer shown in FIG. 7 (g), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 7 (b) is shown in FIG. 6 (b). It is “1.79” with respect to the light intensity standard obtained by the structure.

図7(h)に示す非対称構造では、前記図7(c)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“3.97”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 7 (h), the light extraction efficiency obtained by the configuration having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 7 (c) is the same as that in FIG. 6 (b). It is “3.97” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図7(i)に示す対称構造では、前記図7(d)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.24”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 7 (i), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 7 (d) is the structure of FIG. 6 (b). It is “2.24” with respect to the light intensity standard obtained.

図7(j)に示す多層構造では、前記図7(e)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“3.20”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 7 (j), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 7 (e) is the structure of FIG. 6 (b). It is “3.20” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図7(k)に示す対称構造では、前記図7(f)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“3.64”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 7 (k), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 7 (f) is the structure of FIG. 6 (b). “3.64” with respect to the intensity standard of the light obtained.

次に、図8は、円錐突起最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、単一層の構造(図8(b),図8(g))、屈折率を異ならせる非対称構造(図8(c),図8(h))、屈折率を等しくする対称構造(図8(d),図8(i))、第2の半導体層に中間層を備える多層構造(図8(e),図8(j))、発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造(図8(f),図8(k))の各構造における光の取り出し効率を比較する。   Next, FIG. 8 shows a case of a two-dimensional periodic structure having a conical protrusion close-packed arrangement, and a single-layer structure (FIGS. 8B and 8G) based on the light extraction efficiency of the planar structure, Asymmetric structure (FIGS. 8 (c) and 8 (h)) that varies the refractive index, symmetrical structure (FIGS. 8 (d) and 8 (i)) that equalizes the refractive index, and an intermediate layer on the second semiconductor layer The light extraction efficiency in each of the multi-layered structure (FIGS. 8E and 8J) and the resin-coated structure (FIGS. 8F and 8K) that covers the light emitting surface with a resin cover Compare.

なお、図8(b)〜図8(f)は、二次元周期構造の底部と発光層との距離dsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図8(g)〜図8(k)は、距離dsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、図8の発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。   8B to 8F show a thick structure in which the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the light emitting layer is set to 0.3λ to λ, and FIGS. (K) is a case of a thin configuration in which the distance ds is 0.1λ to 0.3λ. Further, the refractive index of air facing the light emitting surface in FIG.

はじめに、距離dsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図8(b)〜図8(f)を用いて説明する。   First, the case where the distance ds is a thick structure of 0.3λ to λ will be described with reference to FIGS. 8B to 8F.

図8(b)に示す単一層による構造では、第1の半導体層2、発光層3、及び第2の半導体層4の各屈折率は2.8とし、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.11”となる。   In the structure with a single layer shown in FIG. 8B, the refractive index of each of the first semiconductor layer 2, the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer 4 is 2.8, and the light obtained by the structure of FIG. It is “2.11” for the strength standard.

図8(c)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“3.61”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 8C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “3.61” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG.

図8(d)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“2.24”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 8D, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “2.24” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図8(e)に示す多層構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“2.50”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 8E, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “2.50” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

また、図8(f)に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の単一層による構造の光強度基準に対して“3.62”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 8 (f), the light emitting surface having the structure of the single layer described above is covered with a resin having a refractive index of 1.45. The light extraction efficiency obtained by this structure is “3.62” with respect to the light intensity standard of the single layer structure of FIG.

次に、距離dsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図8(g)〜図8(k)を用いて説明する。   Next, the case where the distance ds is a thin configuration of 0.1λ to 0.3λ will be described with reference to FIGS. 8 (g) to 8 (k).

図8(g)に示す単一層による構造では、前記図8(b)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.19”となる。   In the structure with a single layer shown in FIG. 8 (g), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 8 (b) is shown in FIG. 6 (b). It is “2.19” against the light intensity standard obtained by the structure.

図8(h)に示す非対称構造では、前記図8(c)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“4.22”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 8 (h), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 8 (c) is the same as that in FIG. 6 (b). It is “4.22” with respect to the intensity standard of the light obtained.

図8(i)に示す対称構造では、前記図8(d)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“3.47”となる。   In the symmetric structure shown in FIG. 8 (i), the light extraction efficiency obtained by the structure in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 8 (d) is the structure shown in FIG. 6 (b). It is “3.47” with respect to the light intensity standard obtained.

図8(j)に示す多層構造では、前記図8(e)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“4.20”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 8 (j), the light extraction efficiency obtained by the structure in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 8 (e) is the structure shown in FIG. 6 (b). It is “4.20” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図8(k)に示す対称構造では、前記図8(f)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図6(b)の構造で得られる光の強度基準に対して“3.67”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 8 (k), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 8 (f) is the structure of FIG. 6 (b). It is "3.67" with respect to the intensity standard of the light obtained.

上記図6,7,8に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表1となる。   The simulation results shown in FIGS. 6, 7, and 8 are summarized in Table 1 below.

Figure 2008311687
Figure 2008311687

なお、上記表において、( )内の数字は、各構造において二次元周期構造を備えない平面構造を基準“1.00”としたときの比率を示している。   In the table above, the numbers in () indicate the ratio when each structure has a plane structure that does not have a two-dimensional periodic structure as a reference “1.00”.

これらのシミュレーション結果によれば、樹脂カバーの層が設けられる場合には、単一層の場合と比較して、2.74倍に向上される。したがって、樹脂カバーの層が設けられる場合における二次元周期構造の効果は、せいぜい1.3倍程度である。各層を調整することでF=1.5とすることができるが、樹脂カバーの層の場合にはF>>2にすぎない。   According to these simulation results, when the resin cover layer is provided, the improvement is 2.74 times as compared with the case of the single layer. Therefore, the effect of the two-dimensional periodic structure when the resin cover layer is provided is about 1.3 times at most. F = 1.5 can be adjusted by adjusting each layer, but in the case of the resin cover layer, only F >> 2.

以下、二次元周期構造を備えず樹脂カバー等の層で被覆した平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率を、単一層の構造における光強度を基準として3次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図9の側面図を用いて示す。   Hereinafter, the light extraction efficiency of each structure of a self-luminous device having a planar structure that is not provided with a two-dimensional periodic structure and is covered with a layer such as a resin cover was obtained by a three-dimensional light wave simulation based on the light intensity in the structure of a single layer. A result is shown using the side view of FIG.

なお、図9(a)は単一層の構造の側面図である。図9(b)は屈折率を異ならせる非対称構造、図9(c)は屈折率を等しくする対称構造、図9(d)は第2の半導体層に中間層を備える多層構造、図9(e),図9(f)は発光層の下方に屈折率層を備える構造であり、図9(e)は単一層内に低屈折率層20を挟む構造を示し、図9(f)は第1の層2の下方に低屈折率層20を設ける構造を示すと共に、単一層の構造における光強度を基準“1.00”としたときの光の取り出し効率Fを示している。なお、図9では、樹脂カバーの屈折率を1.45としている。   FIG. 9A is a side view of a single layer structure. 9B is an asymmetric structure in which the refractive index is varied, FIG. 9C is a symmetrical structure in which the refractive index is equalized, FIG. 9D is a multilayer structure in which an intermediate layer is provided in the second semiconductor layer, and FIG. e) and FIG. 9 (f) are structures having a refractive index layer below the light emitting layer, FIG. 9 (e) shows a structure in which the low refractive index layer 20 is sandwiched in a single layer, and FIG. A structure in which the low refractive index layer 20 is provided below the first layer 2 is shown, and the light extraction efficiency F is shown when the light intensity in the single-layer structure is set to be “1.00”. In FIG. 9, the refractive index of the resin cover is 1.45.

図9(a)に示す単一層による構造では、第1の半導体層2、発光層3、及び第2の半導体層4の各屈折率は2.8とし、樹脂カバーの屈折率を1.45とし、このときに得られる光の強度を“1.00”とし、強度基準とする。   In the single-layer structure shown in FIG. 9A, the refractive index of each of the first semiconductor layer 2, the light emitting layer 3, and the second semiconductor layer 4 is 2.8, and the refractive index of the resin cover is 1.45. The intensity of the light obtained in the above is “1.00”, which is the intensity standard.

図9(b)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“0.99”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 9B, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “0.99” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図9(c)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“0.99”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 9C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “0.99” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図9(d)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“0.98”となる。   In the symmetric structure shown in FIG. 9D, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “0.98” with respect to the light intensity standard of the single layer structure of FIG. 9A.

図9(e)に示す対称構造では、屈折率を2.8とした単一層の第1の半導体層2内に、屈折率が2.8以下の低屈折率層20を挟む。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“0.94”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 9E, a low refractive index layer 20 having a refractive index of 2.8 or less is sandwiched in a single first semiconductor layer 2 having a refractive index of 2.8. The light extraction efficiency obtained by this structure is “0.94” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

図9(f)に示す対称構造では、屈折率を2.8とした第1の半導体層2の下方に屈折率が2.8以下の低屈折率層20を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“0.95”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 9F, a low refractive index layer 20 having a refractive index of 2.8 or less is provided below the first semiconductor layer 2 having a refractive index of 2.8. The light extraction efficiency obtained by this structure is “0.95” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

なお、図9(a)に示すに単一層による構造の光強度は、図6(b)の樹脂カバーの被覆を備えない自発光デバイスによる構造の光強度を基準とした場合には、図6(f)で示したように“2.74”となるため、前記した図9(a)〜図9(f)の各構造による光強度は、前記した数値を“2.74”倍した強度となる。   In addition, the light intensity of the structure with a single layer shown in FIG. 9A is shown in FIG. 6 when the light intensity of the structure with the self-luminous device without the resin cover coating of FIG. Since it becomes “2.74” as shown in (f), the light intensity by each of the structures shown in FIGS. 9A to 9F is an intensity obtained by multiplying the above numerical value by “2.74”.

次に、図10,11を用いて、二次元周期構造を備え、かつ被覆構造とした自発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率を、前記図9で示した二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの場合を基準として示す。   Next, referring to FIGS. 10 and 11, the light extraction efficiency of each structure of a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure and having a covering structure is shown in the plane not having the two-dimensional periodic structure shown in FIG. A case of a self-luminous device having a structure is shown as a reference.

ここでは、3次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスでは、a=1.5λ、2r=0.6a,dh=λとし、円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスではa=0.5λ、θ=63°とした3次元光波シミュレーション結果である。   Here, based on the optimum parameter range obtained as a result of the three-dimensional light wave simulation, in a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure with a close-packed circular hole array, a = 1.5λ, 2r = 0.6a, dh = In a self-luminous device having a two-dimensional periodic structure with a conical protrusion close-packed array, λ is a three-dimensional light wave simulation result with a = 0.5λ and θ = 63 °.

図10は、円孔最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、屈折率を異ならせる非対称構造(図10(a),図10(f))、屈折率を等しくする対称構造(図10(b),図10(g))、第2の半導体層に中間層を備える多層構造(図10(c),図10(h))、単一層内に低屈折率層20を挟む構造(図10(d),図10(i))、発光層の下方に屈折率層を備える構造(図10(e),図10(j))の各構造における光の取り出し効率を比較する。   FIG. 10 shows a case of a two-dimensional periodic structure with a close-packed circular hole arrangement, and an asymmetric structure (FIG. 10 (a), FIG. 10 (f)) in which the refractive index is varied based on the light extraction efficiency of the planar structure. Symmetric structure (FIGS. 10B and 10G) having the same refractive index, multilayer structure including an intermediate layer in the second semiconductor layer (FIGS. 10C and 10H), in a single layer Each of a structure having a low refractive index layer 20 sandwiched between them (FIGS. 10D and 10I) and a structure having a refractive index layer below the light emitting layer (FIGS. 10E and 10J) Compare the light extraction efficiency at.

なお、図10(a)〜図10(e)は、二次元周期構造の底部と発光層との距離dsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図10(f)〜図10(j)は、距離dsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、樹脂カバーの屈折率は1.45とする。   FIGS. 10A to 10E show a thick structure in which the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the light emitting layer is 0.3λ to λ. FIGS. (J) is a thin configuration in which the distance ds is 0.1λ to 0.3λ. The refractive index of the resin cover is 1.45.

はじめに、距離dsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図10(a)〜図10(e)を用いて説明する。   First, the case where the distance ds is a thick structure of 0.3λ to λ will be described with reference to FIGS. 10 (a) to 10 (e).

図10(a)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.69”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 10A, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.69” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

図10(b)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.24”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 10B, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.24” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

図10(c)に示す多層構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.37”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 10C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.37” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

また、図10(d)に示す低屈折率層の構造では、第1の半導体層2内に、発光層3の屈折率(2.8)よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層20を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.73”となる。   Further, in the structure of the low refractive index layer shown in FIG. 10D, the first semiconductor layer 2 has a refractive index lower than the refractive index (2.8) of the light emitting layer 3 and equal to the refractive index of the other layers. A low refractive index layer 20 having a low refractive index is provided. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.73” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

また、図10(e)に示す低屈折率層の構造では、発光層3の下方に、発光層3の屈折率(2.8)よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層20を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.73”となる。   In the structure of the low refractive index layer shown in FIG. 10E, the refractive index below the light emitting layer 3 is lower than the refractive index (2.8) of the light emitting layer 3 and is equal to or lower than the refractive index of the other layers. A low refractive index layer 20 is provided. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.73” with respect to the light intensity standard of the single-layer structure of FIG. 9A.

次に、距離dsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図10(f)〜図10(j)を用いて説明する。   Next, the case where the distance ds is a thin configuration of 0.1λ to 0.3λ will be described with reference to FIGS. 10 (f) to 10 (j).

図10(f)に示す非対称構造では、前記図10(a)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.27”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 10 (f), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 10 (a) is the same as that in FIG. 9 (a). It is “2.27” with respect to the light intensity standard obtained.

図10(g)に示す対称構造では、前記図10(b)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.60”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 10 (g), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 10 (b) is the structure of FIG. 9 (a). It is “1.60” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図10(h)に示す多層構造では、前記図10(c)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.83”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 10 (h), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 10 (c) is the structure of FIG. 9 (a). It is “1.83” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図10(i)に示す低屈折率層構造では、前記図10(d)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.91”となる。   In the low refractive index layer structure shown in FIG. 10 (i), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 10 (d) is shown in FIG. 9 (a). It is “1.91” with respect to the intensity standard of light obtained with the structure.

図10(j)に示す低屈折率層構造では、前記図10(e)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.88”となる。   In the low refractive index layer structure shown in FIG. 10 (j), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 10 (e) is shown in FIG. 9 (a). It is “1.88” with respect to the intensity standard of light obtained with the structure.

次に、図11は、円錐突起最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、屈折率を異ならせる非対称構造(図11(a),図11(f))、屈折率を等しくする対称構造(図11(b),図11(g))、第2の半導体層に中間層を備える多層構造(図11(c),図11(h))、単一層内に低屈折率層20を挟む構造(図11(d),図11(i))、発光層の下方に屈折率層を備える構造(図11(e),図11(j))の各構造における光の取り出し効率を比較する。   Next, FIG. 11 shows a case of a two-dimensional periodic structure having a conical projection close-packed arrangement, and an asymmetric structure (FIGS. 11A and 11F) in which the refractive index is varied based on the light extraction efficiency of the planar structure. )), A symmetrical structure (FIGS. 11 (b) and 11 (g)) having the same refractive index, a multilayer structure (FIG. 11 (c), FIG. 11 (h)) having an intermediate layer in the second semiconductor layer, A structure in which the low refractive index layer 20 is sandwiched in a single layer (FIGS. 11D and 11I), and a structure having a refractive index layer below the light emitting layer (FIGS. 11E and 11J) The light extraction efficiency in each of the structures is compared.

なお、図11(a)〜図11(e)は、二次元周期構造の底部と発光層との距離dsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図11(f)〜図11(j)は、距離dsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、樹脂カバーの屈折率は1.45とする。   FIGS. 11A to 11E show a thick structure in which the distance ds between the bottom of the two-dimensional periodic structure and the light emitting layer is 0.3λ to λ, and FIGS. (J) is a thin configuration in which the distance ds is 0.1λ to 0.3λ. The refractive index of the resin cover is 1.45.

はじめに、距離dsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図11(a)〜図11(e)を用いて説明する。   First, the case where the distance ds is a thick structure of 0.3λ to λ will be described with reference to FIGS. 11 (a) to 11 (e).

図11(a)に示す非対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.96”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 11A, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.78. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.96” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図11(b)に示す対称構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.47”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 11B, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, and the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.47” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

図11(c)に示す多層構造では、第1の半導体層2の屈折率を2.5、発光層3の屈折率を2.8、第2の半導体層4の屈折率を2.5、第2の半導体層4内に設けた中間層5の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.58”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 11C, the refractive index of the first semiconductor layer 2 is 2.5, the refractive index of the light emitting layer 3 is 2.8, the refractive index of the second semiconductor layer 4 is 2.5, and the second semiconductor layer 4 The refractive index of the intermediate layer 5 provided inside is 2.5. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.58” with respect to the light intensity standard of the single layer structure of FIG. 9A.

また、図11(d)に示す低屈折率層の構造では、第1の半導体層2内に、発光層3の屈折率(2.8)よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層20を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.99”となる。   In the structure of the low refractive index layer shown in FIG. 11D, the first semiconductor layer 2 has a refractive index lower than the refractive index (2.8) of the light emitting layer 3 and equal to the refractive index of the other layers. A low refractive index layer 20 having a low refractive index is provided. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.99” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

また、図11(e)に示す低屈折率層の構造では、発光層3の下方に、発光層3の屈折率(2.8)よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層20を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の単一層による構造の光強度基準に対して“1.97”となる。   In the structure of the low refractive index layer shown in FIG. 11 (e), the refractive index is lower than the refractive index (2.8) of the light emitting layer 3 below the light emitting layer 3 and is equal to or lower than the refractive index of the other layers. A low refractive index layer 20 is provided. The light extraction efficiency obtained by this structure is “1.97” with respect to the light intensity standard of the structure of the single layer in FIG.

次に、距離dsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図11(f)〜図11(j)を用いて説明する。   Next, the case where the distance ds is a thin configuration of 0.1λ to 0.3λ will be described with reference to FIGS. 11 (f) to 11 (j).

図11(f)に示す非対称構造では、前記図11(a)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.37”となる。   In the asymmetric structure shown in FIG. 11 (f), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 11 (a) is the same as that in FIG. 9 (a). It is “2.37” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図11(g)に示す対称構造では、前記図11(b)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“1.95”となる。   In the symmetrical structure shown in FIG. 11 (g), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 11 (b) is the structure of FIG. 9 (a). It is “1.95” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図11(h)に示す多層構造では、前記図11(c)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.1”となる。   In the multilayer structure shown in FIG. 11 (h), the light extraction efficiency obtained by the structure having ds of 0.1λ to 0.3λ in the same structure as in FIG. 11 (c) is the structure of FIG. 9 (a). It is “2.1” with respect to the intensity standard of the obtained light.

図11(i)に示す低屈折率層構造では、前記図11(d)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.21”となる。   In the low refractive index layer structure shown in FIG. 11 (i), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 11 (d) is shown in FIG. 9 (a). It is “2.21” with respect to the light intensity standard obtained with this structure.

図11(j)に示す低屈折率層構造では、前記図11(e)と同様の構成において、dsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図9(a)の構造で得られる光の強度基準に対して“2.13”となる。   In the low refractive index layer structure shown in FIG. 11 (j), the light extraction efficiency obtained by the configuration in which ds is 0.1λ to 0.3λ in the same configuration as in FIG. 11 (e) is shown in FIG. 9 (a). It is “2.13” with respect to the intensity standard of light obtained with the structure.

上記図9,10,11に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表2となる。   The simulation results shown in FIGS. 9, 10, and 11 are summarized in Table 2 below.

Figure 2008311687
Figure 2008311687

なお、上記表において、( )内の数字は、各構造において二次元周期構造を備えない平面構造を基準“1.00”としたときの比率を示している。   In the table above, the numbers in () indicate the ratio when each structure has a plane structure that does not have a two-dimensional periodic structure as a reference “1.00”.

これらのシミュレーション結果によれば、発光層の下方に低屈折率層を設けるという簡易な構成であっても、光の取り出し効率を1.73倍〜2.13倍に向上する。   According to these simulation results, the light extraction efficiency is improved by 1.73 times to 2.13 times even with a simple configuration in which a low refractive index layer is provided below the light emitting layer.

図12は、前記した図6〜図11をまとめて一つの図で示している。図12において、上段の左側の1列は図6を示し、上段の左側から第2,3列は図7を示し、上段の右側の2列は図8を示している。また、下段の左側の1列は図9を示し、上段の左側から第2,3列は図10を示し、上段の右側の2列は図11を示している。   FIG. 12 shows the above-described FIGS. 6 to 11 together in one figure. 12, one column on the left side of the upper stage shows FIG. 6, second and third columns from the left side of the upper stage show FIG. 7, and two columns on the right side of the upper stage show FIG. In addition, one column on the left side of the lower stage shows FIG. 9, second and third columns from the left side of the upper stage show FIG. 10, and two columns on the right side of the upper stage show FIG.

前記図9〜図11及び図12の下段は、波長λ=400μmで発光層の屈折率を2.8としたときのシミュレーション結果である。これに対して、図13は波長λ=400μmで発光層の屈折率を2.4としたときのシミュレーション結果である。屈折率が2.4の場合の光の取り出し効率は、屈折率が2.8の場合よりも低くなるが同様に傾向を示すことが観察される。   The lower part of FIG. 9 to FIG. 11 and FIG. 12 shows the simulation results when the wavelength λ = 400 μm and the refractive index of the light emitting layer is 2.8. On the other hand, FIG. 13 shows simulation results when the wavelength λ = 400 μm and the refractive index of the light emitting layer is 2.4. It is observed that the light extraction efficiency when the refractive index is 2.4 is lower than that when the refractive index is 2.8, but shows a similar tendency.

次に、本発明の自発光デバイスの第4の態様の構成例、及び形成方法について図14、図15を用いて説明する。   Next, a configuration example and a forming method of the fourth aspect of the self-luminous device of the present invention will be described with reference to FIGS.

図14(a)は、自発光デバイスの第4の態様の第1の構成例である。この構成例は、発光層3aの上方に二次元周期構造の第2の層10aを備え、発光層3aの下方に層31を挟んで第1の層の低屈折率層20aを備える。発光層3aは例えばInGaNで形成され、第1の層の低屈折率層20aは例えば、AlGaN、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)等で形成することができる。また、第2の層10aはn-GaNとし、層31はp-GaNとすることができ、それぞれ、AlGaNのAlの組成を変えることで形成することができる。 FIG. 14A is a first configuration example of the fourth aspect of the self-luminous device. In this configuration example, the second layer 10a having a two-dimensional periodic structure is provided above the light emitting layer 3a, and the first low refractive index layer 20a is provided below the light emitting layer 3a with the layer 31 interposed therebetween. The light emitting layer 3a is made of, for example, InGaN, and the first low-refractive index layer 20a can be made of, for example, AlGaN, Al 2 O 3 (sapphire), AlN (aluminum nitride), or the like. The second layer 10a can be n-GaN, and the layer 31 can be p-GaN, which can be formed by changing the Al composition of AlGaN.

発光層3aへの電流供給は、第2の層10aに設けた電極32と、層31に設けた電極33によって行うことができる。   The current supply to the light emitting layer 3 a can be performed by the electrode 32 provided on the second layer 10 a and the electrode 33 provided on the layer 31.

なお、n-GaNは厚く形成することができるため、第2の層10aに用いることで、二次元周期構造を切削で形成した際に、下方の発光層3aへの損傷を低減させることができる。また、p-GaNはn-GaNよりも電気抵抗が低いため、発光層3aの面状への電流供給が容易となる。   Since n-GaN can be formed thick, use of the second layer 10a can reduce damage to the lower light emitting layer 3a when the two-dimensional periodic structure is formed by cutting. . Further, since p-GaN has a lower electrical resistance than n-GaN, it is easy to supply current to the surface of the light emitting layer 3a.

図14(b)は、自発光デバイスの第4の態様の第2の構成例である。この構成例は、発光層3aの上方に二次元周期構造の第2の層10aを備え、発光層3aの下方の第1の層10bと10cとの間に低屈折率層20aを挟んで備える。   FIG. 14B is a second configuration example of the fourth aspect of the self-luminous device. In this configuration example, a second layer 10a having a two-dimensional periodic structure is provided above the light emitting layer 3a, and a low refractive index layer 20a is provided between the first layers 10b and 10c below the light emitting layer 3a. .

発光層3aは例えばInGaNで形成され、第1の層の低屈折率層20aは例えば、AlGaN、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)等で形成することができる。また、第1の層10b、10c、及び第2の層10aはn-GaNで形成することができる。 The light emitting layer 3a is made of, for example, InGaN, and the first low-refractive index layer 20a can be made of, for example, AlGaN, Al 2 O 3 (sapphire), AlN (aluminum nitride), or the like. The first layers 10b and 10c and the second layer 10a can be formed of n-GaN.

発光層3aへの電流供給は、第2の層10aに設けた電極32と、第1の層10bに設けた電極33によって行うことができる。   The current supply to the light emitting layer 3a can be performed by the electrode 32 provided on the second layer 10a and the electrode 33 provided on the first layer 10b.

図14(c)は、自発光デバイスの第4の態様の第3の構成例である。この構成例は、発光層3aの上方に二次元周期構造の第2の層10aを備え、発光層3aの下方に第1の層10bと低屈折率層20aを備える。   FIG. 14C is a third configuration example of the fourth aspect of the self-luminous device. In this configuration example, a second layer 10a having a two-dimensional periodic structure is provided above the light emitting layer 3a, and a first layer 10b and a low refractive index layer 20a are provided below the light emitting layer 3a.

発光層3aは例えばInGaNで形成され、第1の層の低屈折率層20aは例えば、AlGaN、AlO(サファイア)、AlN(窒化アルミ)等で形成することができる。また、第1の層10b、及び第2の層10aはn-GaNで形成することができる。 The light emitting layer 3a is made of, for example, InGaN, and the first low-refractive index layer 20a can be made of, for example, AlGaN, Al 2 O 3 (sapphire), AlN (aluminum nitride), or the like. The first layer 10b and the second layer 10a can be formed of n-GaN.

発光層3aへの電流供給は、第2の層10aに設けた電極32と、第1の層10bに設けた電極33によって行うことができる。   The current supply to the light emitting layer 3a can be performed by the electrode 32 provided on the second layer 10a and the electrode 33 provided on the first layer 10b.

図15は、本発明の自発光デバイスの第4の態様を形成する手順例を示す図であり、図14(a)の構成例を例として示している。   FIG. 15 is a diagram showing a procedure example for forming the fourth aspect of the self-luminous device of the present invention, and shows a configuration example of FIG.

はじめに、n-GaNの層の上に発光層となるInGaNの層を形成し、さらにInGaNの層に上方にp-GaNの層、AlO層(サファイア)を形成する。なお、n-GaNの層、p-GaNの層はAlGaNのAlの組成を変えることで形成することができる(図15(a))。 First, an InGaN layer serving as a light emitting layer is formed on an n-GaN layer, and a p-GaN layer and an Al 2 O 3 layer (sapphire) are formed above the InGaN layer. Note that the n-GaN layer and the p-GaN layer can be formed by changing the Al composition of AlGaN (FIG. 15A).

図15(a)で形成した積層を反転させ、下方から、AlO層(サファイア)、p-GaNの層、InGaNの層、n-GaNの層とする(図15(b))。 The stack formed in FIG. 15A is inverted, and from below, an Al 2 O 3 layer (sapphire), a p-GaN layer, an InGaN layer, and an n-GaN layer are formed (FIG. 15B).

図15(a)で反転させた積層を上方から切削し、n-GaNの層に二次元周期構造と電極用の平面を形成させ、p-GaNの層の一部を露出させる(図15(c))。   15A is cut from above to form a two-dimensional periodic structure and a plane for the electrode in the n-GaN layer, and a part of the p-GaN layer is exposed (FIG. 15 ( c)).

図15(a)で形成したn-GaNの層上の平面に電極32を形成し、p-GaNの層の露出面に電極33を形成する。   An electrode 32 is formed on a plane on the n-GaN layer formed in FIG. 15A, and an electrode 33 is formed on the exposed surface of the p-GaN layer.

自発光デバイスの発光波長が紫外線の領域である場合には、この紫外線によって樹脂カバーが分解されてしまうため、樹脂カバーを備えた構成は適当でない。したがって、樹脂カバーを備えた構成において、光の取り出し効率を向上させるには、二次元周期構造を備えた構成が有効である。   When the emission wavelength of the self-light-emitting device is in the ultraviolet region, the resin cover is decomposed by the ultraviolet light, so that the configuration with the resin cover is not appropriate. Therefore, in the configuration provided with the resin cover, the configuration provided with the two-dimensional periodic structure is effective for improving the light extraction efficiency.

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.

シミュレーション結果によれば、円錐突起周期構造において、自発光デバイスのサイズが固定であり、格子定数aが6λまで可変である場合には、光の取り出し効率は最大値の半分まで低下する。このことは、各要素での光散乱、及びフォトニック結晶の周期性による光の回折は、光の取り出し効率に対して同程度に寄与していることを表している。   According to the simulation result, when the size of the self-luminous device is fixed and the lattice constant a is variable up to 6λ in the conical protrusion periodic structure, the light extraction efficiency decreases to half of the maximum value. This indicates that light scattering at each element and light diffraction due to the periodicity of the photonic crystal contribute to the same extent on the light extraction efficiency.

また、格子常数aの依存性が小さいことから、フォトニック結晶は光の取り出し効率に大きく寄与している。また、要素のサイズと最密配列の程度が、構造がローカルで周期的で最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。   In addition, since the dependence of the lattice constant a is small, the photonic crystal greatly contributes to the light extraction efficiency. In addition, if the size of elements and the degree of close-packed arrangement are optimized to such an extent that the structure is local, periodic, and not significantly deviated from the optimal close-packed arrangement, the same effect can be obtained with other surface structures. You can expect to get

上記説明では、自発光デバイスを構成する各層を半導体層とする例を用いて説明しているが、本発明は、有機ELのように、半導体層に限らずガラス基板等の他の組成による構成の自発光デバイスに対しても適用することができる。   In the above description, each layer constituting the self-luminous device is described as an example using a semiconductor layer. However, the present invention is not limited to the semiconductor layer, but is configured by another composition such as a glass substrate, such as an organic EL. It can also be applied to the self-luminous device.

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.

本発明の第1の態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st aspect of this invention. 本発明の第2の態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd aspect of this invention. 二次元周期構造の周期性と出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the periodicity of a two-dimensional periodic structure, and an output. 本発明の第3の態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 3rd aspect of this invention. 本発明の第4の態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 4th aspect of this invention. 本発明の二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the light extraction efficiency of each structure of the self-light-emitting device of the planar structure which is not provided with the two-dimensional periodic structure of this invention. 本発明の円孔最密配列の二次元周期構造を備えた自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the light extraction efficiency of each structure of the self-light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure of the circular hole close-packed arrangement of this invention. 本発明の円錐突起最密配列の二次元周期構造を備えた自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the light extraction efficiency of each structure of the self-light-emitting device provided with the two-dimensional periodic structure of the conical protrusion close-packed array of this invention. 本発明の樹脂カバーで被覆した平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率シミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the light extraction efficiency simulation result of each structure of the self-light-emitting device of the planar structure coat | covered with the resin cover of this invention. 本発明の円孔最密配列の二次元周期構造を備えかつ被覆構造とした自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the light extraction efficiency of each structure of the self-light-emitting device which was provided with the two-dimensional periodic structure of the circular hole close-packed arrangement of this invention, and was made into the covering structure. 本発明の円錐突起最密配列の二次元周期構造を備えかつ被覆構造とした自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the light extraction efficiency of each structure of the self-light-emitting device which was provided with the two-dimensional periodic structure of the conical protrusion close-packed arrangement | sequence of this invention, and was made into the covering structure. 本発明の自発光デバイスのシミュレーション結果の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list of the simulation result of the self-light-emitting device of this invention. 本発明の自発光デバイスのシミュレーション結果の一覧を示す図である。It is a figure which shows the list of the simulation result of the self-light-emitting device of this invention. 本発明の自発光デバイスの第4の態様の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the 4th aspect of the self-light-emitting device of this invention. 本発明の自発光デバイスの第4の態様の構成例の形成方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the formation method of the structural example of the 4th aspect of the self-light-emitting device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…自発光デバイス
2…第1の半導体層
3,3a…発光層
4…第2の半導体層
5…中間層
6…樹脂カバー
10…二次元周期構造
10a…第2の層
10b、10c…第1の層
11…円孔
12…底部
13…円錐突起
14…底部
20,20a…低屈折率層
30…単一層
31…層
32,33…電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Self-light-emitting device 2 ... 1st semiconductor layer 3, 3a ... Light emitting layer 4 ... 2nd semiconductor layer 5 ... Intermediate | middle layer 6 ... Resin cover 10 ... Two-dimensional periodic structure 10a ... 2nd layer 10b, 10c ... 1st 1 layer 11 ... circular hole 12 ... bottom 13 ... conical protrusion 14 ... bottom 20, 20a ... low refractive index layer 30 ... single layer 31 ... layer 32, 33 ... electrode

Claims (9)

第1の層と、
前記第1の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第2の層と、
前記第2の層内の中間層とを備え、
前記中間層の屈折率は前記第1の層及び第2の層の屈折率よりも高く、
前記第2の層の表面、又は当該第2の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有し、
前記中間層は前記二次元周期構造内に設け、前記発光層の上部と前記二次元周期構造の底部との距離が0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λ(λは真空中波長)であることを特徴とする自発光デバイス。
A first layer;
A light emitting layer overlying the first layer;
A second layer overlying the light emitting layer;
An intermediate layer in the second layer,
The refractive index of the intermediate layer is higher than the refractive index of the first layer and the second layer,
The surface of the second layer or the surface of the layer overlapping on the second layer has a two-dimensional periodic structure,
The intermediate layer is provided in the two-dimensional periodic structure, and the distance between the top of the light emitting layer and the bottom of the two-dimensional periodic structure is 0.1λ to 0.3λ, or 0.3λ to λ (λ is a wavelength in a vacuum). A self-luminous device characterized by that.
前記中間層の厚さは0.5λ以上(λは真空中波長)であることを特徴とする請求項1に記載の自発光デバイス。   The self-luminous device according to claim 1, wherein the thickness of the intermediate layer is 0.5λ or more (λ is a wavelength in a vacuum). 前記第1の層、第2の層、及び中間層はAlGaNであり、中間層のAlの組成率は前記第1の層及び第2の層のAlの組成率よりも低いことを特徴とする請求項1又は2に記載の自発光デバイス。   The first layer, the second layer, and the intermediate layer are AlGaN, and the composition ratio of Al in the intermediate layer is lower than the composition ratio of Al in the first layer and the second layer. The self-luminous device according to claim 1 or 2. 前記二次元周期構造は、円孔最密配列又は錘状突起最密配列であることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載の自発光デバイス。   The self-luminous device according to any one of claims 1 to 3, wherein the two-dimensional periodic structure is a close-packed array of circular holes or a close-packed array of conical protrusions. 前記二次元周期構造は、フォトニック結晶により形成することを特徴とする、請求項1から4の何れか一つに記載の自発光デバイス。   The self-luminous device according to any one of claims 1 to 4, wherein the two-dimensional periodic structure is formed of a photonic crystal. 前記二次元周期構造は、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フォトニック準結晶により形成することを特徴とする、請求項1から4の何れか一つに記載の自発光デバイス。   2. The two-dimensional periodic structure is formed of a photonic quasicrystal having a refractive index quasi-periodic structure having a long-range order and a rotational symmetry without having a translational symmetry with respect to a refractive index. The self-luminous device according to any one of 4 to 4. 前記第1の層はn-GaNであり、前記発光層はIn GaNであり、前記第2の層はp-GaNであることを特徴とする請求項1から6の何れか一つに記載の自発光デバイス。   The first layer is n-GaN, the light emitting layer is In GaN, and the second layer is p-GaN. Self-luminous device. 前記第2の層上に重なる樹脂層を備えることを特徴とする請求項1から7の何れか一つに記載の自発光デバイス。   The self-luminous device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a resin layer overlapping the second layer. 前記二次元周期構造の周期性は、1/2周期〜2周期の周期範囲を備えることを特徴とする、請求項1から8の何れか一つに記載の自発光デバイス。   The self-luminous device according to claim 1, wherein the periodicity of the two-dimensional periodic structure has a period range of ½ period to 2 periods.
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