JP2008513988A - 発光ダイオード構造体 - Google Patents

Abstract

本発明の一態様によれば、活性コア層と第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体は、当該構造体内に２次元フォトニック準結晶（ＰＱＣ）を備え、このフォトニック準結晶は、第２の屈折率を有する領域のアレイを備え、アレイは、長距離秩序を示すが短距離無秩序も示す。長距離秩序は構造体の回折特性に関連しており、ＬＥＤから一様な遠視野回折パターンを生じる。本発明は、望ましくない遠視野照明パターンを生じることなくＬＥＤからの光抽出の向上という利点を享受する。
【選択図】 図１１

Description

［発明の分野］

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に効率が向上したＬＥＤに関する。

［発明の背景］

ＬＥＤには、多くの潜在的な用途がある。たとえば、ＬＥＤを、ＬＣＤ等のディスプレイにおいて、且つ映写、娯楽、一般照明並びに高輝度且つ小型の照明が必要な自動車の用途において使用することができる。従来の白熱照明及びハロゲン照明に対するＬＥＤの利点は、高輝度、長寿命、瞬時動作、エネルギーの節約、環境への優しさ、耐久性及び小型性である。

それら利点にもかかわらず、従来のＬＥＤ内部で生成される光の大部分を、活性層から効率的に抽出することができない。ＬＥＤで生成される光のほぼ８０％が、構造体の脱出円錐（escape cone）の外側にある。光の大部分が、コア内に導かれたままであるか、又は高屈折率の基板層において完全に内部反射されたままである。

ＬＥＤの効率、特に光抽出効率を向上させる可能性は長く認識されてきた。たとえば、高屈折率基板の屈折率（ｎ〜３．５）とＬＥＤを封入するために使用されるエポキシの屈折率（ｎ〜１．５）との差は大きく、全内部反射における臨界角が比較的小さくなる。このため、内部量子効率に比較して外部量子効率が大幅に制限される。光学的に透明な導電層及び低屈折率のクラッディング並びに低屈折率の透過基板を使用することにより、光抽出効率が向上することが分かった。

図１は、ＬＥＤ構造体から放射される光の指向性を向上させるために使用されていた方法を示す。図１ａは、ＬＥＤの活性層からの６つの光脱出円錐を示す。図１ｂは、活性層の下に位置する、光を上方に戻し且つＬＥＤから出るように反射する分布型ブラッグ反射体１０４の使用を示す。分布型ブラッグ反射体を用いることにより、特定の角度のコーンにおいて出力を放射してより多くの光がＬＥＤ構造体の上部から出るように向けられる。この技術は、米国特許第６、０１５、７１９号に記載されている。

別法として又はさらに、ＬＥＤ構造体の上面に配置されるマイクロレンズアレイを使用することにより、抽出効率を向上させることができる。これについては、最初に米国特許第５、０８７、９４９号において提案された。S Moller他により、Journal of Applied Physics 91、3324において、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ガラス基板にマイクロレンズアレイを取り付けることにより、半導体ＬＥＤの場合に見られるものと同様の利益を提供することができるということも提案されており、そこでは、完全な観察半空間にわたる２．３倍の外部結合効率の向上が観測された。

ＬＥＤ構造体の表面にマイクロレンズアレイを使用する例を図２に示す。数字２０１は、光の面外結合を示す。マイクロレンズアレイ２０２が、従来のＬＥＤの活性層を覆うガラス基板２０３の上に配置される。

図３は、活性層に結合された光を構造体の上面から出るように優先的に反射するための角度付きファセットの使用を示す。活性層３０２及び上を覆うクラッド層は、テーパ状側壁３０５を有する。上面には金属接点３０３が示されている。活性層で生成される光は壁３０５に反射し、構造体の上部を出る。これは米国特許第６、０１５、７１９号に記載されている。

光学的に透明な高屈折率ポリマを使用することにより、半導体基板／空気界面における反射損を大幅に低減することができる。これを図４に示す。図４ａは、ＬＥＤ上の従来の低屈折率ゲル４０１を示す。活性層４０４からの脱出円錐角を４０２として示す。基本導波モード角４０３は脱出円錐の外側にある。図４ｂは、高屈折率ゲルの使用を示す。高屈折率ゲル４０６を使用することにより、屈折率のコントラストが低減され、このため、全内部反射する光に対し脱出円錐角４０７が大きくなる。この時、基本導波モード角４０５は脱出円錐内にある。１．４６から１．６０への屈折率の変化により、およそ２０％の光出力の増大を達成することができる。

ＬＥＤの抽出効率を向上させるためにとられる別の手法は、Schnitzer他によりApplied Physics Letters 63、2174(1993)において教示されている。この論文は、図５に示すような半導体ＬＥＤの表面のランダムな構造形成又は粗化の使用について述べている。図５を参照すると、ＬＥＤの表面の粗化５０３は複数の小領域に様々な脱出角を提供する。活性層５０２からの全内部反射光は、それら表面のうちの１つに入射する場合、完全に平坦な面に比較して、その表面の脱出角に入る確率が高くなる。これにより、抽出効率が向上する。この方法は、ＬＥＤ内の吸収性領域により複数の全内部反射している光を抽出する際に効率的であるが、光は急速に減衰し、そのため桁違いの光抽出及び改善はもたらさない。

米国特許第５、７７９、９２４号では、構造体の少なくとも１つの界面における周期的な構造の使用について記載され、且つ活性コア層６０３からの光の抽出を向上させるように提案されている。これを図６に示す。周期的な構造６０２は、構造体内部で光を全内部反射することなくより多くの光を構造体から出るように向けるが、光は大幅に減衰する。

向上する光抽出の同じ効果を達成するために、周期的な構造の代りにフォトニック結晶が使用された。これは、米国特許第５、９５５、７４９号において述べられている。

表面粗化、周期的な構造形成及び規則的フォトニック結晶はすべて、同じメカニズム、すなわち、表面に入射する活性層で発生する光が、表面に対しそれが構造体から脱出するのを可能にする角度で入射する確率を向上させるように、表面形状を変更するという機構を通して、ＬＥＤからの光の抽出を向上させる。

規則的フォトニック結晶（ＰＣ）はまた、別の機構を介して光抽出を増大させることも可能である。キャリアの表面再結合が増大するため、活性層内にエッチングすることは一般的に望ましくないことはよく知られている。それは、活性層の全フォトルミネセンス量子効率に影響を与える。それにも関わらず、ＰＣが活性層に近接している場合、パーセル効果を通して自然放出率を向上させることができる。パーセル効果では、バルク構造体に比較して、波長サイズのマイクロキャビティ内に配置される原子の自然放出を増大させることができることが示唆されている。図７に示すような規則的フォトニック結晶７０４は、活性層７０５における光学モードにもたらされる屈折率コントラストの効力により、「キャビティ」７０７に光学モードを閉じ込めることができる。放射される光を７０３として示す。

Erchak他は、App.Phys.Lett.Vol.78、 no.5、29 Jan 2001、 Pg.563-565において、ＬＥＤに埋め込まれたＰＣを使用することにより抽出及び放射効率が向上するために光が６倍増大することを報告した。

代替提案設計は、格子タイプＰＣ構造体を提案する。この設定では、光の５０％が高屈折率導波モードに閉じ込められるが、直接透過モードは総光子の２０％しか排出しない、ということが示唆される。高屈折率導波モードは、外部モードに非常に効率的に結合され、構造体から発射される。

しかしながら、規則的フォトニック結晶の回折性が高いため、図８に示すように、ＬＥＤ構造体の上部からの遠視野放射が、ブラッグスポットに局在化される（ＰＣ構造体の周期格子性に従う）。図８は、図７に示すような活性層８０４を有するＬＥＤ構造体における規則的フォトニック結晶８０２を断面で示す。構造体を上部からも示す。面外結合光８０１は、複数のブラッグスポットから構成される遠視野照明パターン８０５を形成する。ほとんどの用途では、遠視野においてより均一な照明を達成することが望ましい。

本発明の目的は、望ましい遠視野照明を得る一方でＬＥＤからの光抽出を向上させることである。

［発明の概要］

本発明の第１の態様によれば、活性コア層と第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体は、当該構造体内に２次元フォトニック準結晶（ＰＱＣ）を備え、このフォトニック準結晶は、第２の屈折率を有する領域のアレイを備え、アレイは、長距離秩序を示すが短距離無秩序も示す。長距離秩序は構造体の回折特性に関連する。

準結晶は、準周期性と呼ばれるタイプの長距離並進秩序を有する非周期構造体である。準結晶の詳細な論考は、Ron Lifshitz著「準結晶：定義の問題（Quasicrystals: A matter of definition）」（Foundations of Physics、 vol.33、 no.12、 December 2003）に記載されており、それは、準周期の数学的定義を含む。この明細書では、準結晶は、規則的周期構造体を除くすべての準周期構造体を含むものと解釈されるべきである。

アレイのフーリエ変換は、或る程度の回転対称性ｎを有し、ここで、ｎ＞６であることが好ましい。この種のフォトニック準結晶の対称性が高いことにより、高度な等方性を有するフォトニックバンドギャップがもたらされる。低屈折率コントラストであっても完全なバンドギャップを達成することができる。

バンドギャップを、ストップバンドがＬＥＤの活性層の放射スペクトルとオーバラップするように（最近傍領域間の間隔を、その領域の径、深さ及び屈折率と共に変更することにより）設計してもよい。このような規則的フォトニック結晶に対するバンドギャップの設計はよく知られている。バンドギャップは、全方向において且つ全偏光に対するものであることが好ましい。

本発明によるフォトニック準結晶を組み込んだＬＥＤは、従来のＬＥＤに対し且つ規則的フォトニック結晶を組み込んだＬＥＤに対し抽出効率が向上する。準結晶構造体は、複数の利点を提供する。たとえば、フォトニック準結晶で見られるより等方性のバンドギャップにより、モード閉じ込めが大きくなり、そのため抽出効率が向上する。通常のフォトニック結晶では、異なる伝播方向に対してオーバラップしない異方性バンドギャップがあり（高屈折率コントラストを除く）、そのため、光の単一波長をすべての方向において同じ貫通深さで閉じ込めない、ということに留意されたい。さらに、準結晶の特性である長距離秩序により、遠視野回折パターンがより一様になる。準結晶構造体で可能となる領域の稠密充填により、光子が構造体から出ることができる表面積が増大し、そのため抽出効率が向上する。

基板層は誘電体層であり、準結晶は、その層にわたって部分的に又は完全に延在する屈折率が変化した部分であることが好ましい。別法として、屈折率が異なるか又は金属から形成された追加の層を、基板層に、又はコア層と基板層との間に配置することができ、この追加の層は、準結晶構造で配置される領域のアレイを含む。

準結晶は、フィボナッチ螺旋パターンの形状であってもよい。別法として、アレイはペンローズタイリングパターンであってもよい。それはまた、非一様ユークリッドタイリングパターンであってもよい。

本発明によるＬＥＤは、２つ以上の層にフォトニック準結晶を有してもよい。たとえば、活性層を一対のフォトニック準結晶層の間に挟みこんでもよい。ＬＥＤは、複数の異なるフォトニック準結晶又はフォトニック準結晶と通常のフォトニック結晶との組合せを含んでもよい。

基板層は、周期的に繰り返されるフォトニック準結晶の部分を含んでもよい。

準結晶の領域は、任意の形状及びサイズであってもよく、アレイにわたって幾何学的特性又は材料特性が変化してもよい。準結晶は、調整可能な光出力を提供するために調整可能材料の領域を含んでもよい。

本発明の第２の態様によれば、活性コア層と第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体は、基板層に２次元フォトニックバンド構造体を具備し、当該フォトニックバンド構造体は、第２の屈折率を有する領域のアレイを備え、各領域は少なくとも１つの他の領域から所定の一定間隔を有し、各領域は、所定の最短距離だけ他のすべての領域から間隔が空けられるが、領域のアレイはアモルファスである。

本発明の第３の態様によれば、ＬＥＤ構造体から光を抽出する方法は、ＬＥＤ構造体に２次元フォトニック準結晶を提供するステップを含み、フォトニック準結晶は長距離秩序を示すが短距離無秩序も示す。

本発明の第４の態様によれば、ＬＥＤ構造体を製造する方法は、活性コア層を設けるステップと、少なくとも１つの基板層を設けるステップと、基板層にフォトニック準結晶を形成するステップとを含み、当該フォトニック準結晶は長距離秩序を示すが短距離無秩序も示す。

本発明の第５の態様によれば、ＬＥＤ構造体を製造する方法は、活性コア層を設けるステップと、第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層を設けるステップと、基板層にフォトニックバンド構造体を形成するステップとを含み、当該フォトニックバンド構造体は、第２の屈折率を有する領域のアレイを含み、各領域は少なくとも１つの他の領域から所定の一定間隔を有し、各領域は所定の最短距離だけ他のすべての領域から間隔が空けられるが、領域のアレイはアモルファスである。

本発明の第１又は第２の態様によるＬＥＤを、いくつか例を挙げると、自動車のヘッドランプ又はダッシュボードディスプレイ、映写システム又は信号機等の非常に多くの光学システムに組み込むことができる。

ここで、本発明の例を、添付図面を参照して詳細に説明する。

［詳細な説明］

正方形、三角形又は六角形を使用する、正多角形による３つのあり得る平面の一様なタイリングがある。１一様（1-uniform）タイリングでは、平面に１種類の頂点しかない。さらに、1-uniform（アルキメデス）タイリングを使用して空間を充填するためには１３の異なる向きがある。これらタイリングパターンは、本明細書において規則的２Ｄフォトニック結晶と呼ぶものの基礎を形成する。規則的２Ｄフォトニック結晶は、通常、誘電材料に形成され、屈折率の周期的変動、すなわち、平面の一様タイリングのうちの１つに基づいた周期性を有する領域のアレイを有する。この種のフォトニック結晶の最も単純な例は、誘電体スラブのホールのアレイであり、一様タイリングパターンの角頂点にエッチングされたエアロッド（air rod）が配置される。

フォトニック結晶は、光、及び電磁（ＥＭ）波の伝播を調整する一意の方法を提供する。結晶における電子から類推すると、誘電率が周期的に変調される構造体を伝播するＥＭ波は、フォトニックバンド構造体を形成するブロッホモードをもたらす。誘電率及び周期性のために、ＥＭ伝播が禁止されるフォトニックバンドギャップがもたらされる。

光抽出を向上させるようにＬＥＤで使用されるために、２次元フォトニック結晶が提案された。フォトニック結晶がＬＥＤからの光抽出を向上させることができる２つの機構がある。

（１）表面パターニングにより、全内部反射されＬＥＤの基板において減衰する前に光が構造体を脱出する可能性を増大させることができる。

（２）パーセル効果による活性層における自然放出の向上。

しかしながら、ＬＥＤにおける規則的２次元フォトニック結晶により、望ましくない遠視野回折パターンがもたらされることが多い。さらに、パーセル効果により、光閉じ込めが等方性でないため、ＬＥＤ構造体において規則的２次元フォトニック結晶を使用する効果が限られる。

本発明の一実施形態では、ＬＥＤ構造体の活性層以外の層に２次元準結晶を使用する。フォトニック準結晶（ＰＱＣ）は、短距離並進無秩序を示すが長距離準周期性秩序も示すフォトニックバンド構造体である。例は、Zoorob他によりNature 2000、 vol.404、 13 April 2000に記載されており、低屈折率材料においてさえも完全なバンドギャップを有する。フォトニック準結晶は、非常に等方性のバンドギャップを有する。準結晶は、それらが埋め込まれるＬＥＤによって生成される出力光パターンに関して、且つパーセル効果に関して利点を提供する。

フォトニック準結晶は、規則的フォトニック結晶と同様に形成される。２次元準結晶を、誘電材料のロッドのアレイ又は誘電材料の孔のアレイから構成することができる。一般に、２次元準結晶を、第１の屈折率の背景材料における第２の屈折率のロッドのアレイとして説明することができる。本発明では、フォトニック準結晶を、ＬＥＤの活性層の放射スペクトルとオーバラップするように、最近傍ロッド間の間隔と、ロッドの径、深さ及び屈折率とを選択することによって設計する。これにより、モードの閉じ込めが強化されると共に波長選択性が提供される。理想的には、バンドギャップは全方向であり且つ全偏光に対する。

ここで、パーセル効果について簡単に説明する。パーセル効果によって説明される自然放出増大係数は以下の式によって与えられる。

ここで、λ＝波長、ｎ＝屈折率、Ｖ＝キャビティの体積、Ｑ＝閉じ込め係数（光子がキャビティに閉じ込められる時間に比例する）である。

この式から、体積が小さいほど増大係数が大きくなることが明らかである。強固な光閉じ込めを有する好適に設計されたフォトニック準結晶構造体（理想的には活性層の放射スペクトルにオーバラップするバンドギャップを有する）を活性層の近くに配置することにより、欠陥の必要なく準結晶構造体を通して閉じ込め体積を小さくすることができる。フォトニックバンドギャップの付近で光が放出される場合、Ｑ係数が高いことにより、活性層に強固な局在効果がもたらされ、自然放出が劇的に増大することになる。フォトニック準結晶がこうした等方性バンドギャップを有するという事実により、閉じ込め、故に自然放出がさらに増大する。これに関して、規則的２次元フォトニック結晶は、全伝播方向に対してオーバラップせずしたがって全方向において十分に光を閉じ込めない異方性バンドギャップを有する、ということが留意されるべきである。

ＬＥＤ構造体において、フォトニック準結晶を複数の方法で層のうちの１つに提供することができる。準結晶を、ＬＥＤの層又は界面のうちの１つの高さの変化によって規定することができる。別法として、特定の領域の屈折率の変化により、準結晶における１つの要素の頂点を規定することができる。構造体の屈折率を、拡散により又はイオン注入により所望の領域にドープすることによって変更することができ、特定の層の高さを、特定の領域をエッチングすることによって規定することができる（イオン注入は既知の技法であり、Dearnaley、 G.、Freeman、 J.H.、Nelson、 R.S.、Stephen、 J.著「イオン注入（Ion Implantation）」（American Elsevier Publishing Co.、 New York、 1973; 802 pp.）に記載されている）。

図９は、本発明による４つの異なる例を示す。図９ａは、フォトニック準結晶９０１が表面にエッチングされたＬＥＤ構造体を概略的に示す。図９ｂは、ＬＥＤ構造体の１つの層９０３に埋め込まれたフォトニック準結晶９０２を示す。この種の構造体を、所望の層内にエッチングしその後被覆層を過成長させることによって形成することができる。図９ｃは、構造体の屈折率を局所的に変更するように所定の位置にドーパントを拡散することによって形成されるフォトニック準結晶９０４を示す。これは、リソグラフィによりマスクを規定し、その後それをエッチングしイオン注入又は拡散のためのテンプレートとして使用することによって達成することができる。電気接点９０５及び活性層９０６を図９ａ及び図９ｂと同様に示す。

図９ｄは、ＬＥＤ構造体における、活性層を貫通するフォトニック準結晶９０８を示す。これは、ＧａＮ材料系９０７等の低表面再結合材料系を使用することで可能である。それは、ＧａＮ材料系では、表面再結合効果はそれほど顕著ではなく、そのため、ＧａＡＳ等、他の既知のＬＥＤ材料系ほど自然放出に影響を及ぼさないためである。活性層にフォトニック準結晶を形成することにより、（活性層における有効な屈折率コントラストが増大するため）光学モードの閉じ込めがはるかに増大し、フォトニックバンド構造体との相互作用が強化する。このように閉じ込めが強化することにより、より小さいキャビティの形成とより高いＱ係数とが共に可能になる。これにより、パーセル効果が劇的に向上する。規則的フォトニック結晶を使用するＧａＮにおけるパーセル効果については、Shakya J.、Kim K.H.他著「III−窒化物ＵＶフォトニック結晶発光ダイオードにおける光抽出の向上（Enhanced light extraction in III-nitride UV Photonic Crystal light-emitting diodes）」（APL vol.85、 no.1、 5 July 2004、 Pg.142-144）において論じられている。

図１０は、約９６０ｎｍという波長で放出するＧａＡＳ材料系を使用する高効率マイクロキャビティＬＥＤに対する可能な設計を詳細に示す。この設計は、（IEEE J. Select Top. In Quan. Elect. Vol.8、 no.2、 Pg238-247、 Mar 2002）において提案されており、活性層１００２〜１８０８の下に高コントラストＤＢＲ構造体を組み込む。ＤＢＲの各段階（period）は、比較的低屈折率のＡＩＯ_ｘの層（ｎ〜１．７）と高屈折率のＧａＡＳの層（ｎ〜３．５）とから構成される。これにより、上方に反射される下方放射光の９２％をもたらす大きい誘電体コントラスト（dielectric contrast）の反射体が提供される。

ＤＢＲの上部に位置しているのは薄いｐ−ｎ接合である。ｐ−ｎ接合の間には、より小さい活性領域にキャリア及び光放出を閉じ込めるためにＧＲＩＮ−ＳＣＨ（傾斜屈折率型分離閉じ込めヘテロ構造体（Graded index separate confinement heterostructure））が押し込まれ、低放出閾値が生ずる。

層１０１９及び層１００９の上に、それぞれｐ電気接点１０２１及びｎ電気接点１０２２が堆積される。層１００２〜１０１９は、ＭＢＥ（分子線エピタキシ法）又はＭＯＣＶＤ（有機金属化学蒸着法）によって成長させられる。製作には、６つのフォトリソグラフィック段階が含まれる。深いトレンチを規定するための第１のフォトグラフィックプロセスが実行される。ウェットエッチング（高濃度Ｈ_３ＰＯ_４：Ｈ_２Ｏ_２を使用）を使用して、ＡｌＧａＡｓＤＢＲ層の酸化（４５０℃で２時間）の開始のための深いトレンチ１０２４が形成される。１０２２接点位置を規定するための第２のフォトリソグラフィックプロセスが施される。上部ＡｌＧａＡｓ層１０１６〜１０１８及び上部ＧａＡｓ１０１８〜１０１９を除去するための選択的ウェットエッチングが使用される。第３のフォトリソグラフィックプロセスを使用して、Ｎｉ（１０ｎｍ）−Ｇｅ（２５ｎｍ）−Ａｕ（５０ｎｍ）−Ｎｉ（２０ｎｍ）−Ａｕ（１００ｎｍ）から構成されるｎ−接点が蒸着される。不活性材料を深いトレンチ１８２４内に回しこむ第４のフォトリソグラフィックプロセスが実行される。最後に第５のフォトリソグラフィックプロセスを使用してＡｕ（２００ｎｍ）のｐ−接点が蒸着される。

層１０１１〜１０１７は、図１０では明確にするために拡大形態で示されている。以下の表Ａでは、図１０で参照した層をそれらの厚さ及び材料と共に記載した。

図１１は、本発明によるフォトニック準結晶ＬＥＤ設計の一例を、エアロッド１１０３の１２回対称フォトニック準結晶構成と共に詳細に示す。さまざまな層の厚さは、明確にするために同じ比例尺になっていない。図１１ａは、ＬＥＤの斜視図であり、図１１ｂは同じ構造体の断面図である。

以下の表Ｂは、図１１で参照したさまざまな層をそれらの厚さ及び材料タイプと共に示す。

図１１に示すＬＥＤを、図１０を参照して説明した方法と同様に形成することができる。フォトニック準結晶は、追加のフォトリソグラフィックエッチングを使用して形成される。エッチングされたホールを、後に、別の材料で充填してもよい。

ＬＥＤは、フォトニック準結晶領域の範囲にわたって光を放射する。ＬＥＤにおいて使用される実際の準結晶パターンは、用途によって決まる。上述したように、通常の２次元フォトニック結晶は、望ましくない遠視野回折パターンをもたらす。規則的な４回対称正方格子フォトニック結晶（ＰＣ）は、図８に示すように、遠視野において明るいブラッグスポットの規則的配置を有する。対称性が６回まで増大すると、三角格子ＰＣが、同様の格子パターンで遠視野放射を投影する。

パターン化されたフォトニックタイリングの刻印によるＬＥＤよって生成される遠視野放射パターンを迅速に予測するために、フォトニックタイリングの２次元光変換が計算される。変換によって形成されるブラッグピークの構成は、ＬＥＤ構造体の上部から投影される光が観察面上の遠視野に収集される場合に生成される明るいスポットを表す。

適当に一様な遠視野照明を得るためには、準結晶における領域のアレイのフーリエ変換が、６回を超える回転対称性を有することが好ましい。

フォトニック準結晶（ＰＱＣ）を、図１２に示すような１２回対称正方形−三角形タイリングＰＱＣ等の高対称構造体を有するように設計することができる。図１２ａは、断面図でのＬＥＤ構造体を示し、構造体からの光結合を示す矢印１２０１を含む。光は、活性層１２０２において生成され、フォトニック準結晶１２０３によって抽出される。ＬＥＤの脱出円錐角を１２０４として示す。図１２ｂは、図１２ａのＬＥＤの斜視図を示し、準結晶パターンをより明確に図示する。結果として生じる遠視野における回折パターンもまた示す。図１２ｃは、遠視野回折パターンの拡大図である。１２回対称構造体は、フーリエ空間において規則的フォトニック結晶より多くのブラッグピーク、すなわち図１２ｃに示す例の場合は中心ブラッグスポットの周囲に１２個の明るいピークを提供し、規則的なＰＣ格子によって生成される明るいブラッグスポットよりも多くの円形の回折パターンをもたらす。所与の面積においてより多くの遠視野スポットが生成されることにより、より一様な照明が提供される。

別法として、より円形且つ一様な照明を提供するために、ひまわり構造体等、代替的なより高次の対称構造体を使用することも可能である。

ひまわり構造体は、フィボナッチ螺旋パターンに基づく。デカルト座標系において、フィボナッチ螺旋パターンは、φ＝π（√５−１）であり、ｎがパターンの点に対する整数指数である場合、ｘ_ｎ＝ｃｏｓ（ｎφ）√ｎ及びｙ_ｎ＝ｓｉｎ（ｎφ）√ｎとして定義されることが好ましい。パターンを生成するために、点は、ｎの各値に対してプロットされる。それら値は、ｎ＝１、２、３、４、…等であってもよい。別法として、欠陥、リングパターン又はゾーンプレートを生成するためにｎのいくつかの値を選択的に省略してもよい。たとえば、ｎの奇数値を省略してｎ＝４、６、８、１０…等を残してもよい。フォトニック準結晶では、ロッドは生成された点の各々に配置される。

図１３は、ひまわり状フォトニック準結晶構造体からの結果として生じる遠視野放射を示す。ひまわりは、遠視野放射のような均一なリングを提供する。光は、フォトニック準結晶構造体の範囲にわたって放射される。円形対称バンド構造体及びバンドギャップは、光放出が大幅に増大される小型のマイクロキャビティを提供する。さらに、ひまわりパターンは、光抽出を増大させるロッドの最適な充填を提供する。各ロッドは、一定量の光抽出能力を有する。単位面積により多くのロッドを導入することにより、有効な充填率が増大し、そのため光抽出が増大する。

特定の遠視野放射円錐に対し抽出効率を向上させるために、種々のパラメータを変更することができる。（図１４及び図１５に示すように）隣接するフォトニック準結晶ロッド間の間隔、エッチング深さ、ロッド径及びロッド形状を変更することができる。図１４は、ＬＥＤにおけるフォトニック準結晶のロッド径及びロッドエッチング深さを変更する効果を示す。フォトニック準結晶１４０５を組み込んだＬＥＤ構造体から放射される光を１４０１として示す。放射光の角度依存性を、角度対強度の挿入プロット１４０２として示す。ロッド径の低減を矢印１４０４によって示す。変更された構造体から放射される光１４０３は、挿入グラフ１４０６によって示すように低減される。ロッドのエッチング深さの低減は、矢印１４０８によって示す。挿入グラフ１４０９において、エッチング深さを低減することによって光が放射される角度が低減されることが分かる。

図１５は、２つの異なるあり得るロッド形状を示す。図１５ａは、ＬＥＤの活性層１５０２の上方に位置する正方形断面のロッド１５０１を示す。ロッド１５０１は、被覆層によって覆われている。図１５ｂは、ロッド１５０５が活性層１５０６の上方に位置する、図１５ａに類似する構造体を示す。この例では、ロッドは円形断面である。

さらに、活性層（図１５において１５０４によって示す）に対するフォトニック準結晶層の位置もまた、調整を可能にするために変更することができる。フォトニック準結晶もまた、活性層の下に等しく配置することができる。これらは、異なる角度方向に対して異なる効率で光を抽出し、一方でまた遠視野放射プロファイルに影響を与えることにより放射特性を変更する。

活性層に対するフォトニック準結晶層の位置を、図１５に示すように１５０４によって強調表示する。この変化は、活性層からの自然放出の増大において特に重要である。フォトニック準結晶層が活性層に近いほど、放出光のフォトニック準結晶バンド構造体との相互作用が強くなる。最強の相互作用の場合、図９ｄを参照して論考したＧａＮ材料系等、表面再結合が重大ではない場合、フォトニック準結晶層は、間隔１５０４がゼロに設定されて活性領域の上方及び下方に、好ましくは同様に活性層に形成される。

いずれの場合でも、フォトニック準結晶は、活性層の光学モードのエバネッセント場がキャビティモードをもたらすようにフォトニック準結晶と相互作用するほど十分に活性層の近くでなければならない。キャビティモードでは、モードは、活性層の平面に閉じ込められ、最終的に平面から脱出する。

フォトニック準結晶を、金属の薄層（５０ｎｍの銀等）に形成することも可能である。この層を、活性コアの上部に堆積することができる。金属フォトニック準結晶（準周期表面プラズモンモードをもたらすことができる）と自然放出との相互作用により、光を活性層に非常に強固に閉じ込めることができ、自然放出が桁違いに増大する。

光抽出のためにＬＥＤにフォトニック準結晶タイリングを使用する重要な点は、明るいブラッグピークを排除する短距離秩序を回避すること、及び遠視野に平滑なリング状干渉を提供する長距離秩序の活用である。

別の構成では、ＬＥＤ構造体に、複数のロッド１６０３によって形成されるフォトニック準結晶の繰返し部分を使用することができる。準結晶体タイリングからの有限数の要素は、スーパーセル１６０２として選択される。そして、このスーパーセル１６０２が周期的に繰り返されることにより、図１６に示すように、高対称回折性を有する広い面積のフォトニックバンド構造体１６０１が提供される。

エッチングされたゾーンプレート構造体を使用することにより、円錐状の遠視野放射を生成することができる、ということが留意されるべきである。これらは、同心エッチングリングから構成され、そこでは、中心領域が活性であるように設計される。

本発明の構造体は、構造的理由及び光学的理由の両方によってゾーンプレートタイプ構造体より好ましい。構造的には、エッチングされる材料が少なく（製造がより迅速になり信頼性が高くなる）、パターンがより連続して構造的により頑強な設計が提供される。

光学的にも、利点は大きくなる。ゾーンプレートの場合、活性領域は構造体の中心に閉じ込められ、大きい放射面積がゾーンプレートによって包囲される。これにより、抽出能力のない広い中心領域がもたらされ、そのためこの領域では、光は狭い脱出円錐で放射され、また全内部反射することしかできない。全内部反射光は激しく減衰し、そのため、最低限の光抽出増大しか達成されない。これを図１７に示す。図１７ａは、ＬＥＤにおいてリング状放射１７０１をもたらすゾーンプレート構造体１７０２を示す。図１７ｂは、図１７ａの構造体を断面で示す。活性層１７０４からの光は、１７０３によって示すように、ゾーンプレートの中心で激しく減衰する。

この構造体は、中心ディスクの周囲でのみ対称であり、そのため、光は、ディスクの周囲において又はゾーンプレート間において放射される場合、同じ円錐角では抽出されず、そのため遠視野放射においてゴースト効果がもたらされる。

さらに、これら構造体は、活性層の内部にキャビティ又は局在モードをもたらさないため、パーセルタイプの増大から利益を得ない。

フォトニック準結晶の場合、高回折構造体は、放射対称構造体によって規定されず、そのため、光は、構造体の任意の場所で放射される場合、バンド構造体と相互作用して構造体から結合し、正確な遠視野放射円錐を生成する。これにより、広い領域が非常に適切に規定された円錐角で放射するという能力が提供される。

本発明の別の態様では、ＬＥＤ構造体にアモルファスフォトニックタイプ構造体を使用することにより、単一の中心ブラッグスポットが提供される。こうしたタイリングでは、ロッド間の間隔は一定であり、各ロッドの周囲のランダムな回転により、次のロッドの位置が確定される。これら構造体は、潜在的に、ロッドのミー散乱挙動によるバンドギャップを有する可能性がある。しかしながら、これら構造体は、特有の強固な光子局在化を有する。光学モードは、１つの散乱中心（この場合はロッド）から別の散乱中心まで構造体にわたってランダムに散乱することができ、最終的に非常に強固なアンダーソン局在をもたらす。局在によってもたらされるモードは、非常に高いＱ係数（〜１０、０００）を有することができる。

さらに、アモルファスパターン化により、図１８に示すように、遠視野においていかなる形状のコヒーレント干渉ももたらされず、一様な照明を見ることができる。ロッドのアモルファスパターンを１８０１によって示す。この種のパターンを組み込んだＬＥＤ構造体１８０２により、遠視野において予測可能に一様な照明１８０３がもたらされる。

ＬＥＤには、多数の用途、たとえば信号、ヘッドライト、検知のためのＩＲ放射物、映写及び家庭用照明がある。本発明は、これらすべての用途に対して、改善された効率を通して且つ光出力の形態を通して、改善されたＬＥＤを提供する。

本発明のさらなる態様では、ＬＥＤ構造体は、調整可能な材料で充填された、エッチングされたフォトニック準結晶ロッドを有することができる。これは、電気的調整可能材料又は液晶であってもよい。材料は、ロッドの屈折率を変更し、フォトニック準結晶のバンド構造体を変更することによって反応する。この構成では、絶対波長と共に光の閉じ込めのレベルを調整することができる。これにより、広い波長放射範囲を有することができるＬＥＤからわずかに異なる波長で又は異なる強度で優先的に放射することにより、放射特性を変更することができる。ＬＥＤがプロジェクタの光を生成するために使用される用途では、これは、異なる雰囲気設定（映画のための暖色、プレゼンテーションのための最大輝度）を提供する手段を提供することができる。この構成の一例を図１９に示す。活性層１９０６を有するＬＥＤ構造体が、上述したようなフォトニック準結晶構造体１９０５を有する領域の上面から光１９０４を放射する。フォトニック準結晶のロッドは、電界の印加によって調整することができる屈折率を有する材料で充填される。電界は、電源１９０７から構造体に印加される。構造体からの放射１９０４を、放射対波長のプロットであるプロット１９０２に示す。点線は、活性層１９０６の放射特性を示す。波長のバンドのわずかな部分が、フォトニック準結晶のフォトニックバンド構造体の結果として構造体の上部から放射される。ロッド１９０５の屈折率を調整することにより、放射される波長のバンドを選択することができる。

分布ブラッグ反射体を含むＬＥＤの概略図である。 一表面にマイクロレンズアレイを含むＬＥＤの概略図である。 テーパ状側壁を含むＬＥＤの概略図である。 ＬＥＤの表面における屈折率の異なるゲルの使用を示す図である。 粗化面を含むＬＥＤの概略図である。 一表面に格子構造体を含むＬＥＤの概略図である。 ＬＥＤの一層にフォトニック結晶構造体を含むＬＥＤの概略図である。 一層にフォトニック結晶を含むＬＥＤに対する遠視野放射パターンを示す図である。 本発明によるＬＥＤにおけるフォトニック準結晶に対する３つの異なる位置の断面を示す図である。 典型的なＬＥＤ設計を詳細に示す図である。 本発明によるＬＥＤ設計を示す図である。 構造体にエッチングされた１２回対称準結晶を含むＬＥＤの遠視野放射を示す図である。 フィボナッチ螺旋準結晶構造体を使用する遠視野放射を示す図である。 準結晶構造体の変形及び面外結合に対する影響を示す図である。 あり得る準結晶形状を示す図である。 ＬＥＤで使用される繰返し準結晶構造体の生成を示す図である。 本発明の方が利点を提供する、ＬＥＤにおけるゾーンプレート構造体を示す図である。 本発明によるＬＥＤで使用されるアモルファスフォトニックバンド構造体を示す図である。 本発明によるＬＥＤで使用される調整可能な準結晶を示す図である。

Claims (17)

1. 活性コア層と第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、前記基板層に２次元フォトニック準結晶を具備し、該フォトニック準結晶は、第２の屈折率を有する領域のアレイを備え、該アレイは、長距離秩序を示すが短距離無秩序も示すことを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
2. 前記アレイの前記フーリエ変換は、或る程度の回転対称性ｎを有し、ここで、ｎ＞６であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
3. 前記フォトニック準結晶は、前記ＬＥＤにおける前記活性層の放射スペクトルとオーバラップするバンドギャップを有するように設計されることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
4. 前記バンドギャップは、全方向において且つ全偏光に対して延在することを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
5. 前記基板層は誘電体層であり、前記準結晶は、該層にわたって部分的に又は完全に延在する屈折率が変化した部分であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
6. 前記基板層は、準結晶構造の金属層を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
7. 前記アレイは、フィボナッチ螺旋パターンの形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
8. 前記アレイはペンローズタイリングパターンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
9. 前記フォトニック準結晶は、前記発光ダイオードの光放射面層にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
10. 前記フォトニック準結晶は、前記活性層と光放射面との間にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
11. ２つ以上の層にフォトニック準結晶を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
12. 前記基板層は、周期的に繰り返されるフォトニック準結晶の部分を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
13. 前記フォトニック準結晶は、調整可能な光出力を提供する調整可能材料の領域を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
14. 活性コア層と第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層とを含む発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体であって、前記基板層に２次元フォトニックバンド構造体を具備し、該フォトニックバンド構造体は、第２の屈折率を有する領域のアレイを備え、各領域は少なくとも１つの他の領域から所定の一定間隔を有し、各領域は、所定の最短距離だけ他のすべての領域から間隔が空けられるが、前記領域のアレイはアモルファスであることを特徴とする発光ダイオード（ＬＥＤ）構造体。
15. ＬＥＤ構造体から光を抽出する方法であって、活性コア層以外の前記ＬＥＤ構造体の層にフォトニック準結晶を提供するステップを含み、該フォトニック準結晶は長距離秩序を示すが短距離無秩序も示すことを特徴とするＬＥＤ構造体から光を抽出する方法。
16. ＬＥＤ構造体を製造する方法であって、
    少なくとも１つの基板層を設けるステップと、
    活性コア層を設けるステップと、
    前記基板層にフォトニック準結晶を形成するステップと、
    を含み、該フォトニック準結晶は長距離秩序を示すが短距離無秩序も示すことを特徴とするＬＥＤ構造体を製造する方法。
17. ＬＥＤ構造体を製造する方法であって、
    第１の屈折率を有する少なくとも１つの基板層を設けるステップと、
    活性コア層を設けるステップと、
    前記基板層にフォトニックバンド構造体を形成するステップと、
    を含み、該フォトニックバンド構造体は、第２の屈折率を有する領域のアレイを含み、各領域は少なくとも１つの他の領域から所定の一定間隔を有し、各領域は所定の最短距離だけ他のすべての領域から間隔が空けられるが、前記領域のアレイはアモルファスであることを特徴とするＬＥＤ構造体を製造する方法。

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