JP2008532314A - 最適化されたフォトニッククリスタルエクストラクターを有する高性能な発光ダイオード（ｌｅｄ） - Google Patents

Abstract

高性能でそしてできれば指向性が高い最適化されたフォトニッククリスタルエクストラクター（６４）を有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）。上記ＬＥＤは、基板（２８）、基板上に成長されたバッファ層（３０）（そのような層が必要であれば）、発光種を含むアクティブ層（３２）、ＬＥＤ内の導波モード（４０）の構造を調整する１つ以上の光閉じ込め層、ならびに１つ以上の回折格子から構成されている。回折格子は、２次元のフォトニッククリスタルエクストラクターである。基板は除去され得、バッファ層、フォトニッククリスタル、およびアクティブ層の上に、金属層が堆積され得る。金属層（４２）は、ミラー、電気的接触、および／または効率的な回折格子として機能し得る。

Description

（関連出願の引用）
本出願は、同一出願人による以下の同時継続出願に関連する：
米国特許出願第１１／０６７，９１０号、２００５年２月２８日出願、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＳＩＮＧＬＥ ＯＲ ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ ＨＩＧＨ ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ） ＢＹ ＧＲＯＷＴＨ ＯＶＥＲ Ａ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、代理人管理番号第３０７９４．１２２−ＵＳ−０１（２００４−１４５−１）号；
米国特許出願第１１／０６７，９５７号、２００５年２月２８日出願、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、題名「ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬ ＥＭＩＴＴＩＮＧ、ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＥＭＩＴＴＩＮＧ、ＢＥＡＭ ＳＨＡＰＥＤ、ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ ＦＥＥＤＢＡＣＫ（ＤＦＢ） ＬＡＳＥＲＳ ＢＹ ＧＲＯＷＴＨ ＯＶＥＲ Ａ ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」、代理人管理番号第３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１４４−１）号；ならびに
米国特許出願第１０／９３８，７０４号、２００４年９月１０日出願、Ｃａｒｏｌｅ Ｓｃｈｗａｃｈ、Ｃｌａｕｄｅ Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｈｅｎｒｉ Ｂｅｎｉｓｔｙ、およびＳｈｕｊｉ Ｎａｋａｍｕｒａ、題名「ＷＨＩＴＥ、ＳＩＮＧＬＥ ＯＲ ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ ＬＩＧＨＴ ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＩＯＤＥＳ ＢＹ ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ ＧＵＩＤＥＤ ＭＯＤＥＳ」、代理人管理番号第３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４−１）号
上記出願は、本明細書に参考のために援用される。

（委託研究開発に関する陳述）
本発明は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｓａｎｔａ Ｂａｒｂａｒａ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｃｅｎｔｅｒのメンバーカンパニーからの支援のもとでなされたものであり、上記メンバーカンパニーは、Ｓｔａｎｌｅｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．、Ｌｔｄ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．、Ｒｏｈｍ Ｃｏ．、Ｌｔｄ．、Ｃｒｅｅ、Ｉｎｃ．、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｏｒｋｓ、Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｏ．、およびＳｅｏｕｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｃｏ．、Ｌｔｄを含む。

（本発明の背景）
（１．本発明の分野）
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、最適化されたフォトニッククリスタルエクストラクター（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）を有する高性能なＬＥＤに関する。

（２．関連技術の記載）
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、順方向に電気的にバイアスされたときに、誘導放出するように光を放出する半導体デバイスである。この効果は、エレクトロルミネセンスの一形態である。

ＬＥＤは、不純物で含浸またはドープされた半導性材料のチップから構成され、ｐｎ接合と称される構造を形成する。順方向にバイアスされると、ｎ領域から接合に電子が射出され、ｐ領域からはホールが射出される。電子およびホールは、それらが再結合する際に、光子の形態で、エネルギーを解放する。光の波長、そしてその色は、ｐｎ接合を形成する材料のバンドギャップエネルギーに依存する。

半導体材料が改良されるにつれて、半導体デバイスの効率もまた改良されてきており、新しい波長範囲もまた、用いられるようになった。窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの発光体は、おそらく、様々な用途に対して最も有望である。ＧａＮは、例えば、可変濃度のインジウム（Ｉｎ）と混合されたときに、紫外線（ＵＶ）から黄色スペクトルまでの効率的な照射を提供する。

不都合にも、半導体ＬＥＤ材料内で発光された光は、半導体−空気の界面における全内反射が原因で、ほとんどが損失する。典型的な半導体材料は、高い屈折率を有しているので、Ｓｎｅｌｌの法則にしたがうと、光のほとんどは、材料内に捕獲され得、その結果、効率が低減される。ＬＥＤに対して適切な幾何学的配置を選択することにより、高い抽出効率が達成され得る。

図１は、同質な発光材料１０の断面図を示しており、これは、材料１４内部で発光された光の一部１２が、エスケープコーン１６内に存在し、材料１０から逃げ得る一方で、発光された光の大部分１８が、材料１０内に捕獲され、反射されることを示している。この状況において、反射された光１８は、導波光モード（ｇｕｉｄｅｄ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｅ）または導波モード（ｇｕｉｄｅｄ ｍｏｄｅ）と称される。なぜならば、この光１８は、デバイス１０内に閉じ込められ、材料１０内において横方向にガイドされるからである。全内反射の影響を低減させるための１つの方法は、デバイスの表面のランダムなテクスチャを介して光の散乱または再分配を形成することであり、これは、デバイスの半導体−空気の界面における、複数の可変角度の入射を引き起こす。このアプローチは、高い内部効率と低い内部損失の結果として、発光効率を９〜３０％向上させることが示されており、これは、光がデバイスから逃げる前に多数の光の経路を与える。

図２は、このコンセプトを示す半導体ＬＥＤ２０の断面図であり、ＬＥＤ２０の上面２２は、テクスチャ加工されており、ＬＥＤ２０の底面２４は、反射体を備えており、空気は、屈折率ｎ＝１を有しており、ＬＥＤ２０の半導体材料は、屈折率ｎ＝３．５を有している。ＬＥＤ２０のテクスチャ加工された上面２２は、幾何光学的アプローチで光の軌道をランダム化するために用いられる。

捕獲される光の割合を低減させるための別の方法は、共振キャビティＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）またはマイクロキャビティＬＥＤ（ＭＣＬＥＤ）を用いることである。ＭＣＬＥＤは、「伝統的な」ＬＥＤを用いる既存のシステムよりも高い効率を有する固体発光システムを形成する機会を提供する。共振キャビティ内に利得媒体を組み込む結果として、ＭＣＬＥＤは、非常にコンパクトで指向性の光線を発光する。これらのデバイスの比較的高い抽出効率と比較的強い明るさは、従来のＬＥＤに対するこれらの技術の主要な利点である。

抽出効率とは、特定のシステムによって生成された光子が「有用」な照射としてシステムから実際に出る能力を意味する。しかしながら、マイクロキャビティ構造はまた、導波モードおよび漏れモードへの非常に有効な放出にもつながるので、この比較的高い抽出効率は、４０％の範囲に制限される。したがって、これらの導波モードが抽出され得るならば、有用であり得る。

上述のように、導波モードは、構造層の間の屈折率の違いに起因してデバイス平面内にガイドされるモードである。漏れモードは、例えばＤＢＲを介することにより、層を介して、空気または基板へと放射される。漏れモードは、それらのエネルギーが様々な損失機構（例えば、金属ミラー損失、自由キャリア吸収、再放射によってエネルギーをリサイクルするアクティブ層による再吸収等であるが、一部の損失を伴う）によって消散されるまでに、通常、界面において複数の全内反射を経て、デバイス内であちらこちらに動く際に、損失する。

図３は、放射モード、導波モード、漏れモードを示す半導体ＬＥＤ２６の断面図であり、ＬＥＤ２６は、基板２８、バッファ層３０、およびアクティブ層３２を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸（ＱＷ）３４を含んでいる。放出された光の一部は、空気に向けて抽出３６され、放射モード３６を形成し、放出された光の一部は、デバイス２６の様々な層を介することにより、基板２８に漏れ３８、漏れモード３８を形成し、放出された光の一部は、アクティブ層３２（またはアクティブ層３２およびバッファ層３０の両方）において反射され４０、導波モード４０を形成する。

高性能なＬＥＤを得るためには、構造の外への直接モード放射３６を最適化し、漏れモード放出を最小化することが必要であり、そのようなモードが存在し３８、そして可能であれば、導波モード放出４０を再放出することが必要である。本発明は、容易に製造できる構造により、この目的を満たすことを目標とする。

図４Ａ〜図４Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｂは、マイクロキャビティ放出の構造（図４Ａおよび図５Ａ）およびシミュレーション（図４Ｂおよび図５Ｂ）を、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、示している。図４Ｂおよび図５Ｂは、半導体内部の対数目盛りの角放出図（ａｎｇｕｌａｒ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ）であり、図４Ｂは、図４Ａの構造の放出を示しており、図５Ｂは、図５Ａの構造の放出を示している。図４Ｂおよび図５Ｂの両方に対し、図の左半分は、ＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）放出を示しており、右半分は、ＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏向放出を示している。平面内のモノクロのダイポールのみが仮定されている。

図４Ａにおいて、構造は、金属ミラー４２およびアクティブ層４４を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸４６を含んでおり、上記構造は、３λ／４のキャビティであり、量子井戸４６は、金属ミラー４２のλ／４（４８）に配置されている。図４Ｂにおいて、矢印５０は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印５２は、基板に向けての放出を示している。また、図４Ｂにおいて、ブレース３６は、抽出された光を示しており、ブレース４０は、導波モードを示している。

図５Ａにおいて、構造は、バッファ５４、７周期ＤＢＲミラー５６、およびアクティブ層５８を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸６０を含んでいる。ここで、構造は、λのキャビティであり、量子井戸６０は、７周期ＤＢＲミラー５６のλ／２（６２）に配置されている。図５Ｂにおいて、矢印６４は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印６６は、基板に向けての放出を示している。また、図５Ｂにおいて、ブレース３６は、抽出された光を示しており、ブレース３８は、漏れモードを示しており、ブレース４０は、導波モードを示している。

これらの構造からの抽出効率は、それぞれ、図４Ａにおいて、空中で３１％および２４％であり、図５Ａにおいて、エポキシ内で４４％および２７％である。

ＬＥＤのマイクロキャビティ抽出に関し、大幅な改善を得ようと試みるときに、ほとんどの材料システムでは、困難に直面する。図４Ｂおよび図５Ｂは、放出図を示しており、最適化されたＧａＮマイクロキャビティＬＥＤの期待される効率がこれらから抽出されるが、以下の問題点を示している：
（ｉ）エピタキシャルに成長された材料に対する屈折率コントラストは、特に、非常に重要な窒化物材料に対し、かなり制限されている。これは、図５ＡのＤＢＲミラー５６の構造において多数の漏れモードへの放出が見られるからであり、これは、図５ＡのＤＢＲミラー５６の構造の効率を、図４Ａの金属ミラー４２の効率よりも低くする。
（ｉｉ）表示された効率は、非常に薄い構造が考えられ、下位キャビティ（以下では、参照番号１０で記載されている）をもたらすからこそ可能である。そのような薄いアクティブ層を得ることは、困難である。例えば、通常は、アクティブ層のための良い品質の材料を成長させる前に、窒化物の薄い（数ミクロンの）バッファ層を基板上に成長させる必要がある。窒化物材料（バッファ層およびアクティブ層）を基板からリフトオフすることは、既にデリケートな操作であるが、それに加え、図４Ａに示されている薄い金属ミラー構造の優れた性能をもたらし得る良好な金属ミラーによって囲まれた薄い層を得ることが（すなわちバッファ層の一部または全部をさらに除去することが）、極めて困難だからである。

したがって、当該技術においては、増大された光抽出効率を提供する改良されたＬＥＤ構造を提供することに対する必要性が存在する。加えて、従来技術においては、構造の外への直接放出を最適化し、漏れモード放出を最小化し、導波モード放出を再放出する、改良されたＬＥＤ構造に対する必要性が存在する。さらに、そのような改良されたＬＥＤを提供する一方で、そのような構造を容易に製造できるようにするために、平面状の構造を維持することに対する必要性が存在する。本発明は、特に、多数の導波モードをサポートするＬＥＤ（例えば、容易にはその厚さが唯１つまたは数個のモードをサポートするのに十分薄くされ得ないＬＥＤ）の場合に、これらの必要性および目的を満たす。最後に、本発明は、光放出の指向性を向上させ得る。これは、例えばＬＣＤディスプレイのような一部のアプリケーションに対しては、非常に望ましい性質である。

（本発明の概要）
本発明は、高性能でそしてできれば指向性が高い最適化されたクリスタルエクストラクターを有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）を開示している。上記ＬＥＤは、基板、基板上に成長されたバッファ層（そのような層が必要であれば）、１つ以上の光学的閉じ込め層、放出種を含むアクティブ層、および１つ以上の回折格子から構成されており、回折格子は、２次元の光クリスタルエクストラクターである。基板は除去され得、バッファ層およびアクティブ層の上に金属層が堆積され得、上記金属層は、ミラー、電気的接触、および／または回折格子として、機能し得る。

（本発明の詳細な説明）
好適な実施形態に関する以下の記載では、本明細書の一部を形成する添付の図面に対する参照がなされる。図中では、例示のために、本発明が実施され得る特定の実施形態が示されている。その他の実施形態もまた用いられ得、本発明の範囲から逸れることなしに、構造の変更がなされ得ることが、理解されるべきである。

（概説）
本発明は、新しいＬＥＤ構造を記載し、上記新しいＬＥＤは、平面構造を維持しながらも、増加された光抽出効率を提供する。新しいＬＥＤ構造は、構造外部への直接放出を提供し、加えて、回折格子を用いることにより、導波光を抽出光に変換する。この格子はアクティブ層の電流注入領域に配置され得るか、あるいは電流が格子領域に注入され得る。さらに、回折格子は、ホールの配列から構成され、上記ホールは、アクティブ層の放出種の中へと貫通され得るか、あるいはＬＥＤのその他の層のみに貫通され得る。回折格子は、２次元のフォトニッククリスタルエクストラクターであり、本発明は、フォトニッククリスタルエクストラクターの従来のインプリメンテーションに対する改良を提供する。

ＬＥＤは、基板、基板上に成長されたバッファ層（そのような層が必要であれば）、放出種を含むアクティブ層、１つ以上の光閉じ込め層（ＬＥＤ内の導波モードの構造を調整する）、１つ以上の回折格子から構成されており、回折格子は、２次元のフォトニッククリスタルエクストラクターである。基板は除去され得、１つ以上の追加的な層（例えば、金属またはＤＢＲ）が、ＬＥＤの片側または両側に（例えば、バッファ層、フォトニッククリスタルおよびアクティブ層の上に）堆積され得る。ここで、追加的な層は、ミラー、電気的接触、および／または回折格子として機能し得る。

フォトニッククリスタルによって抽出され得るモードを効率的に励起するために、１つ以上の光閉じ込め層が、アクティブ層の周囲に配置される。新しいＬＥＤ構造の効率性は、導波光がフォトニッククリスタルと相互作用する導波モードのみにおいて放出され（あるいは導波光のほとんどが導波モードにおいて放出され）、通常は損失され得る多くの導波モードがデバイスの外に回折されるという事実による。これは、多数の導波モードをサポートするＬＥＤの場合、例えば、窒化物材料をベースとしたＬＥＤ（これは、通常は、材料の成長を考慮して、数ミクロンの厚さでなければならない）の場合に、特に重要である。新しいＬＥＤ構造は、平面状の単層構造を維持するので、低コストで容易に製造することができる。

一部の構成において、新しいＬＥＤ構造はまた、高い指向性の光放出を示す。

（技術的記載）
図６および図７は、それぞれフォトニッククリスタルエクストラクター６４の上面図および断面図であり、これは、そのようなエクストラクター６４の動作の原理を示している。フォトニッククリスタルエクストラクター６４は、アクティブ層または励起領域６６と、２次元のフォトニッククリスタル６８を含んでおり、２次元のフォトニッククリスタル６８は、複数のホール７０を有している。このエクストラクター６４において、導波モード７４の光抽出７２は、２次元のフォトニッククリスタル６８を用いた回折によって、実行される。

通常直面する問題は、良好な抽出効率を得るためには、良好な光閉じ込めを有する非常に薄いアクティブ層を用いる必要があるということである。これにより、わずか数モードのみが、励起領域６６における発光種（典型的には、これは半導体の量子井戸であるが、例えば量子ドット、ポリマー、金属クラスタ等のその他の種でもあり得る）によって、励起される。その後、光は主に、フォトニッククリスタル６８と強く相互作用するモードに放出される。それらは、フォトニッククリスタルと良好なオーバーラップを有するので、通常損失される導波モードは、ＬＥＤの外側に回折される。このことは、それらの材料を直接的に成長させることによって達成することが、特に困難であり、薄いバッファ層が、デバイスの高品質な材料（例えば、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、紫外（ＵＶ）ＬＥＤに広く用いられている窒化物材料）の成長を達成させるために必要とされる。

その場合、光学的構造のマルチモード特性に由来する低減された抽出性能に対抗するために、いくつかのオリジナルな測定が必要とされる。これらの測定は、フォトニッククリスタルによって光が十分に抽出されるモードに、光が優先的に放出されることを保証することを目的としている。特に、マルチモード構造においては、通常、多数のモード（大きな実効屈折率を有する）が、フォトニッククリスタルとの小さなオーバーラップを有しているので、それらは弱く抽出される。

図８は、構造７６を示す断面図であり、上記構造は、基板７８、バッファ層８０、光閉じ込め層８２、アクティブ層８４から構成されており、上記アクティブ層は、発光種８６と、上部の金属的接触８８、ならびに２次元のフォトニッククリスタル６８を含んでおり、上記２次元のフォトニッククリスタル６８は、複数のホール７０を有している。構造は、様々な光学的モード９０、９２および９４をサポートしている。モード９０は、アクティブ層８４の領域に局所化（ｌｏｃａｌｉｚｅ）された導波モードを含んでおり、モード９２は、バッファ層８０の領域に局所化された導波モードを含んでおり、モード９４は、非局所化（ｄｅｌｏｃａｌｉｚｅ）された導波モードを含んでいる。この実施形態において、光閉じ込め層８２（例えば、ＧａＮにおけるＡｌＧａＮ）の使用は、以下の助けになる：（１）光閉じ込め層８２上で主に局所化されたモード（モード９０およびモード９４）のみを励起すること；（２）光閉じ込め層８２の上で完全には局所化されていないが、それでもなお、光閉じ込め層８２の上でかなり局所化されているモード（モード９４）を励起すること。ここで、光閉じ込め層８２は、ＬＥＤを形成している材料の光学的インデックスよりも小さな光学的インデックスを有し得る。光閉じ込め層８２は、同質な材料またはヘテロ構造（例えば、超格子またはＤＢＲでさえもある）を含み得る。

基板７８を有する構造において、その他の一部のモードが、基板７８の界面と光閉じ込め層８２との間の構造にさらにガイドされるが、それらの放出種８６とのオーバーラップは小さいので、弱く励起されるだけであり得る（例えば、モード９２）。したがって、それらは、放出された光のほんの一部分を運ぶ。フォトニッククリスタル６８によるそれらの抽出効率が極めて乏しいことを考慮すると、これは良い事実である。

典型的に、放出種８６の上のアクティブ層８４の一部分は、モード９０のようなモードをサポートする導波管から、光路長１個〜数個ぶんの厚さであり得る（ここで光路長は、アクティブ層８４の材料内の波長である）。このことは、層８２にわたるこれらのモードのトンネリングが弱いということを意味している。フォトニッククリスタル６８は、放出種８６に十分近くなければならない。例えば、フォトニッククリスタル６８は、アクティブ層８４における発光種８６と交差するか、フォトニッククリスタル６８は、アクティブ層８４における発光種８６から光路長１個〜数個ぶんの範囲内に配置されていなければならない。そうすることにより、放出された光のほとんどを受信するモードが、フォトニッククリスタル６８によって、強く抽出されるようになる。

ホール７０のパターンおよびサイズに依存して、さらには基板７６の上部または底部に配置されたミラー層（金属またはＤＢＲのいずれか）の使用に依存して、デバイスの上部または底部に放出が起こり得る。フォトニッククリスタル６８上における金属の堆積もまた、シンプルな誘電フォトニッククリスタルに関して、その回折特性を顕著に向上させ得る。

あるいは、図９に示されている構造９６にあるように、電流注入されるアクティブ層の領域８４は、フォトニッククリスタル６８の領域と一致するかオーバーラップし得る。この場合は、光生成領域がフォトニッククリスタル６８と一致するかオーバーラップするという利点を提供する。その結果、導波光は、フォトニッククリスタル６８に適合されたモードにおいて直接的に放出されるか、フォトニッククリスタル６８の領域の界面において、反射または散乱を被らなくなる。

フォトニッククリスタル６８の穿孔に関して、様々な幾何学的形状が用いられ得る。最も単純な幾何学的形状は、正方形または長方形の配列であり、それぞれは、図１０において９８および１００として示されている。図１０において１０２として示されているアルキメデスタイリングのような、より複雑な幾何学的形状もまた、より効率的な光抽出をもたらし得る。最後に、波長に近い特性相関長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）を有するいくぶんランダムなパターンもまた、効率的な光散乱体として機能し得る。格子の性能指数は、広い範囲の入射方向（理想的には、全ての方向）に光を回折させ得る指数である。フォトニッククリスタル格子の選択は、この目的を満たすことに役立ち得る。

図８に示されているようなＬＥＤの電流注入されるアクティブ層８４の領域がフォトニッククリスタル６８によって貫通されていない場合では、励起領域において放出された導波光を、抽出を行うフォトニッククリスタル６８に最適に結合させるように、フォトニッククリスタル６８のエクストラクターを設計することもまた、望ましい。穿孔されていない領域に再び入る光は、再び吸収される傾向があるので、光の反射は回避される。したがって、フォトニッククリスタル６８は、可変のホールの並び（ｈｏｌｅ ｌｉｎｅ）から構成されるテーパー（ｔａｐｅｒ）を含み得、これは、抽出を行うフォトニッククリスタル６８の領域の前面に配置され、遷移をスムースにし得る。図１１に示されているように、テーパーは、１つ以上の周期の改変されたホールから構成されており、改変されたホールは、多様なホールの深度を有している。図１１は、導波モード７４に効果的なテーパーの断面の側面図であり、導波モードは、フォトニッククリスタルエクストラクター６８の開始におけるホール７０、または可変ホール７０の周期、または可変ホール７０の直径（エアフィリングファクター（ａｉｒ ｆｉｌｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ））の段階的な増加によって達成される。

ホール７０のパラメータを調節することは、必要に応じ、デバイスが構造の上部または底部に向けて優先的に放出することを可能にする。加えて、デバイスの１つ以上の側に反射体が配置されることにより、デバイスが側方向から光を放出できないようにし、所望の方向に向けて光が放出されるようにし得る。

本発明の可能な改変は、以下を含む：
・放出種の位置は、構造内部で（光路長と比較して小さな長さのスケールで）精密に合わせられ得る。その結果、その放出特性（例えば指向性、スペクトルの線の形状、放射モードまたは導波モードにおいて放出される光の一部分など）が、正確に制御される。
・例えば、適切な材料層を用いることにより、電気的注入に関し、追加的な最適化が達成され得る。本発明は、光学的特性の向上のみを記載しており、適切な電気的特性の設計については、詳細に記載していない。
・構造にしたがって、フォトニッククリスタルの特徴は、変動し得る。それにより、フォトニッククリスタルの放出特性を局所的に変化させ得る。例えば、波長および抽出特性は、必要に応じて調整され得る。
・構造の上部に追加的な層が追加され得、その層に含まれる蛍光色素分子によるエネルギー変換により、マルチカラー放出または白色放出が達成される。このことは、上述で引用された出願において記載されている。
・いくつかの光閉じ込め層が追加され得、ＬＥＤの導波モードの構造をさらに調整し得る。これらの層は、ＬＥＤを形成する主な材料の光学的インデックスよりも小さいまたは大きい光学的インデックスを有し得る。上述のように、小さなインデックスは、ＬＥＤにおける分離した光学的領域を定義し得るが、高いインデックスは、放出種の放出パターンを改変し得る（このことは、以下に述べられる文献１４に記載されている）。

実験結果が、図１２および図１３に示されている。図１２は、角度分解されたフォトルミネセンスの実験を示しており、これは、多数の導波モードをサポートする導波管に形成されたフォトニッククリスタルエクストラクターの帯域構造を示している。図１３は、シミュレーション（例えば、図１３上のドット）との比較を示しており、これは、フォトニッククリスタルの一部の帯域が抽出されない（それらは、測定に現れない）ということを示している。本発明によって示された構造を用いると、これらの帯域において、わずかな光が放出される。

図１２および図１３に見ることができるように、回折の線の幅から、フォトニッククリスタルの回折は、所与のモードおよび波長に対し、非常に指向性がある。したがって、放出種の放出の線の形状が十分に狭い場合、導波モードの構造の適切な調整により、所与の範囲の方向において、フォトニッククリスタルによる光の回折が生じ得る。それにより、高い指向性の光源を形成し得る。

最後に、図１４は、本発明の好適な実施形態にしたがって実効される製造ステップのフローチャートを示している。

ブロック１０４は、基板上にバッファ層を形成するステップを示している。

ブロック１０６は、バッファ層上にアクティブ層を形成するステップを示しており、アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる。

ブロック１０８は、アクティブ層の下または周囲に１つ以上の光閉じ込め層を形成するステップを示しており、光閉じ込め層は、ＬＥＤ内の導波モードの構造を調整する。

ブロック１１０は、光閉じ込め層上に１つ以上の回折格子を形成するステップを示しており、各回折格子は、２次元のフォトニッククリスタルであり、回折格子は、ＬＥＤの外部に放出を配向し、導波モードを抽出光に変換する。光閉じ込め層は、フォトニッククリスタルによる光の抽出を向上させ、光閉じ込め層の上で局所化されたモードを励起することを助ける。

ブロック１１２は、基板を除去する（オプションの）ステップを示している。

ブロック１１４は、バッファ層および／またはアクティブ層上に金属層を堆積する（オプションの）ステップを示しており、金属層は、ミラーおよび／または電気的接触の両方として機能し得る。

これらのステップの最終結果は、最適化されたフォトニッククリスタルエクストラクターを有する高性能なＬＥＤである。

（文献）
以下の文献は、参考のために本明細書に援用される。

１．米国特許第６，５３８，３７１号、２００３年３月２５日公布、Ｄｕｇｇａｌ他、題名「Ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｌｏｒ ｏｕｔｐｕｔ」
２．米国特許第６，５２５，４６４号、２００３年２月２５日公布、Ｃｈｉｎ、題名「Ｓｔａｃｋｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｍｉｘｉｎｇ ＬＥＤ」
３．米国特許第６，５０４，１８０号、２００３年１月７日公布、Ｈｅｒｅｍａｎｓ他、題名「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｅｄ ｈｉｇｈ−ｅｆｆｅｃｉｅｎｃｙ ｒａｄｉａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅｒｅｆｒｏｍ」
４．米国特許第６，１６３，０３８号、２０００年１２月１９日公布、Ｃｈｅｎ他、題名「Ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ」
５．米国特許第５，７７９，９２４号、１９９８年７月１４日公布、Ｋｒａｍｅｓ他、題名「Ｏｒｄｅｒｅｄ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｅｘｔｕｒｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ」
６．米国特許第５，３６２，９７７号、１９９４年１１月８日公布、Ｈｕｎｔ他、題名「Ｓｉｎｇｌｅ ｍｉｒｒｏｒ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ」
７．米国特許第５，２２６，０５３号、１９９３年７月６日公布、Ｃｈｏ他、題名「Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ」
８．Ｓｈｎｉｔｚｅｒ他、「３０％ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｆｒｏｍ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｘｔｕｒｅｄ、Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ６３、ｐｐ．２１７４−２１７６、１９９３
９．Ｍ．Ｂｏｒｏｄｉｔｓｋｙ、Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ、「Ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｆｒｏｍ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ−Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、３００２、ｐｐ．１１９−１２２、１９９７
１０．Ｈ．Ｂｅｎｓｉｔｙ、Ｈ．Ｄ．Ｎｅｖｅ、およびＣ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、「Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｐｌａｎａｒ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ／Ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｔｒｅｎｄｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｖｏｌ．３４、ｐ．１６１２（１９９８）
１１．Ｄ．Ｄｅｌｂｅｋｅ、Ｒ．Ｂｏｃｋｓｔａｅｌｅ、Ｐ．Ｂｉｅｎｓｔｍａｎ、Ｒ．Ｂａｅｔｓ、およびＨ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、「Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅｓｏｎａｎｔ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ：Ａ Ｒｅｖｉｅｗ」、ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｎ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、ｖｏｌ．８、ｎｏ．２、ｐ．１８９、２００２
１２．Ｍ．Ｒａｔｔｉｅｒ、Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、Ｅ．Ｓｃｈｗｏｏｂ、Ｃ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｔ．Ｋｒａｕｓｓ、Ｃ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｒ．Ｈｏｕｄｒｅ、およびＵ．Ｏｅｓｔｅｒｌｅ、「Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔ ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ａｒｃｈｉｍｅｄｅａｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｌａｔｔｉｃｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３、１２８３、２００３
１３．Ｍ．Ｒａｔｔｉｅｒ、Ｈ．Ｂｅｎｉｓｔｙ、Ｒ．Ｓｔａｎｌｅｙ、Ｊ．Ｆ．Ｃａｒｌｉｎ、Ｒ．Ｈｏｕｄｒｅ、Ｕ．Ｏｅｓｔｅｒｌｅ、Ｃ．Ｊ．Ｍ．Ｓｍｉｔｈ、Ｃ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、およびＴ．Ｋｒａｕｓｓ、ＩＥＥＥ Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒ．８、２３８、２００２
１４．Ｗ．Ｌｕｋｏｓｚ、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｐｃ．Ａｍ．７１、７４４、１９８１
（結論）
本発明の好適な実施形態の記載を終了する。本発明の１つ以上の実施形態に関する上述の記載は、例示および記載を目的として、示されてきた。網羅的であること、あるいは本発明を開示された形に限定することは、意図されていない。上述の教示を踏まえると、多くの改変およびバリエーションが可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなくむしろ、本明細書に添付された請求の範囲によって限定されることが、意図されている。

ここで図面を参照すると、図中では、複数の図面を通して、同様の参照番号は、対応する部分を表している。
図１は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。 図２は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。 図３は、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。 図４Ａ〜図４Ｂは、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティ放出の構造（図４Ａ）およびシミュレーション（図４Ｂ）を示している。 図５Ａ〜図５Ｂは、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティ放出の構造（図５Ａ）およびシミュレーション（図５Ｂ）を示している。 図６は、本発明の好適な実施形態にしたがう、フォトニッククリスタルエクストラクターの上面図である。 図７は、本発明の好適な実施形態にしたがう、フォトニッククリスタルエクストラクターの断面図である。 図８は、本発明の好適な実施形態にしたがう、光閉じ込め層とフォトニッククリスタル領域外の電流注入とを有している構造を示す断面の側面図であり、サポートされている様々な導波モードの性質を示している。 図９は、本発明の好適な実施形態にしたがう、光閉じ込め層とフォトニッククリスタル領域内の電流注入とを有している構造を示す断面の側面図である。 図１０は、本発明の好適な実施形態にしたがう、フォトニッククリスタルにおけるパターンとして用いられ得る様々な幾何学的形状を示している。 図１１は、本発明の好適な実施形態にしたがう、１つ以上の周期の改変されたホールから構成されているテーパー効果の断面の側面図である。 図１２は、角度分解されたフォトルミネセンスの実験を示しており、これは、フォトニッククリスタルエクストラクターの帯域構造を示している。 図１３は、シミュレーションとの比較を示しており、これは、フォトニッククリスタルの帯域の一部が抽出されないということを示している。 図１４は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される、製造ステップを示すフローチャートである。

Claims (33)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
   （ａ）基板と、
   （ｂ）該基板上に形成されたアクティブ層であって、該アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、アクティブ層と、
   （ｃ）該アクティブ層の下または周囲に形成された１つ以上の光閉じ込め層であって、該光閉じ込め層は、該ＬＥＤ内の導波モードの構造を調整する、光閉じ込め層と、
   （ｄ）該光閉じ込め層上に形成された１つ以上の回折格子であって、該回折格子は、該ＬＥＤから光を抽出する２次元のフォトニッククリスタルである、回折格子と
   を備える、ＬＥＤ。
2. 前記基板上に形成されたバッファ層をさらに備えており、前記アクティブ層は、該バッファ層上に形成されている、請求項１に記載のＬＥＤ。
3. 前記回折格子は、前記ＬＥＤの外に放出を配向し、導波モードを抽出光に変換する、請求項１に記載のＬＥＤ。
4. 前記ＬＥＤの１つの側または両側の上に堆積された１つ以上の層をさらに備えており、該層は、ミラー、電気的接触、および／または回折格子として機能する、請求項１に記載のＬＥＤ。
5. 前記光閉じ込め層は、前記フォトニッククリスタルによる光抽出を向上させる、請求項１に記載のＬＥＤ。
6. 前記光閉じ込め層は、該光閉じ込め層の上に局所化された前記モードを励起することを助ける、請求項５に記載のＬＥＤ。
7. 光は主に、前記フォトニッククリスタルと相互作用するモードに放出され、その結果、通常は損失される導波モードは、前記ＬＥＤの外に回折される、請求項１に記載のＬＥＤ。
8. 前記フォトニッククリスタルは、前記アクティブ層における前記発光種と交差する、請求項１に記載のＬＥＤ。
9. 前記フォトニッククリスタルは、前記アクティブ層における前記発光種から、光路長１個〜数個ぶんの範囲内に配置されている、請求項１に記載のＬＥＤ。
10. 前記ＬＥＤは、平面状の単層構造を維持している、請求項１に記載のＬＥＤ。
11. 前記フォトニッククリスタルは、可変のホールの並びから構成されたテーパーを含んでいる、請求項１に記載のＬＥＤ。
12. 前記テーパーは、１つ以上の周期の改変されたホールを備えており、該改変されたホールは、可変のホールの深度、可変のホールの周期、または可変のホールの直径を有している、請求項１１に記載のＬＥＤ。
13. 前記フォトニッククリスタルの特徴は、その構造にしたがって変動し、その結果、該フォトニッククリスタルの特性を改変する、請求項１に記載のＬＥＤ。
14. 光生成領域が、前記フォトニッククリスタルと一致するかまたはオーバーラップし、その結果、導波光は、フォトニッククリスタル領域の界面において、反射または散乱を受けない、請求項１に記載のＬＥＤ。
15. 前記発光種の位置は、精密に合わせられ、その結果、その放出特性を正確に制御する、請求項１に記載のＬＥＤ。
16. 導波モードの構造を適切に調整することにより、前記フォトニッククリスタルによる光の回折が、所与の範囲の方向で発生し、その結果、高い指向性の光源を形成する、請求項１に記載のＬＥＤ。
17. 発光ダイオード（ＬＥＤ）を製造する方法であって、
    （ａ）基板上にアクティブ層を形成することであって、該アクティブ層は、１つ以上の発光種を含んでいる、ことと、
    （ｂ）該アクティブ層の下または周囲に１つ以上の光閉じ込め層を形成することであって、該光閉じ込め層は、該ＬＥＤ内の導波モードの構造を調整する、ことと、
    （ｃ）該光閉じ込め層上に１つ以上の回折格子を形成することであって、該回折格子は、該ＬＥＤから光を抽出する２次元のフォトニッククリスタルである、ことと
    を包含する、方法。
18. 前記基板上にバッファ層を形成することをさらに包含し、前記アクティブ層は、該バッファ層上に形成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記回折格子は、前記ＬＥＤの外に放出を配向し、導波モードを抽出光に変換する、請求項１７に記載の方法。
20. 前記ＬＥＤの１つの側または両側の上に１つ以上の層を堆積することをさらに包含し、該層は、ミラー、電気的接触、および／または回折格子として機能する、請求項１７に記載の方法。
21. 前記光閉じ込め層は、前記フォトニッククリスタルによる光抽出を向上させる、請求項１７に記載の方法。
22. 前記光閉じ込め層は、該光閉じ込め層の上に局所化された前記モードを励起することを助ける、請求項２１に記載の方法。
23. 光は主に、前記フォトニッククリスタルと相互作用するモードに放出され、その結果、通常は損失される導波モードは、前記ＬＥＤの外に回折される、請求項１７に記載の方法。
24. 前記フォトニッククリスタルは、前記アクティブ層における前記発光種と交差する、請求項１７に記載の方法。
25. 前記フォトニッククリスタルは、前記アクティブ層における前記発光種から、光路長１個〜数個ぶんの範囲内に配置されている、請求項１７に記載の方法。
26. 前記ＬＥＤは、平面状の単層構造を維持している、請求項１７に記載の方法。
27. 前記フォトニッククリスタルは、可変のホールの並びから構成されたテーパーを含んでいる、請求項１７に記載の方法。
28. 前記テーパーは、１つ以上の周期の改変されたホールを備えており、該改変されたホールは、可変のホールの深度、可変のホールの周期、または可変のホールの直径を有している、請求項２７に記載の方法。
29. 前記フォトニッククリスタルの特徴は、その構造にしたがって変動し、その結果、該フォトニッククリスタルの特性を改変する、請求項１７に記載の方法。
30. 光生成領域が、前記フォトニッククリスタルと一致するかまたはオーバーラップし、その結果、導波光は、フォトニッククリスタル領域の界面において、反射または散乱を受けない、請求項１７に記載の方法。
31. 前記発光種の位置は、精密に合わせられ、その結果、その放出特性を正確に制御する、請求項１７に記載の方法。
32. 導波モードの構造を適切に調整することにより、前記フォトニッククリスタルによる光の回折が、所与の範囲の方向で発生し、その結果、高い指向性の光源を形成する、請求項１７に記載の方法。
33. 請求項１７に記載の方法にしたがって製造されたデバイス。

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