JP2009033181A - 光子結晶発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光取り出し効果の向上が期待できる光子結晶発光素子を提供すること。
【解決手段】基板と、上記基板上に相互離隔され形成され、第１導電型半導体層、活性層及び第２導電型半導体層が順次に形成されてなる複数のナノロッド発光構造物及び上記第１及び第２導電型半導体層に夫々電気的に連結された第１及び第２電極を含み、上記複数のナノロッド発光構造物は上記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期で配列され光子結晶構造をなすことを特徴とする光子結晶発光素子を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光子結晶発光素子に関するもので、より詳細には、ナノロッド発光構造物を光子結晶をなすように配置することにより光取り出し効果の向上が期待できる光子結晶発光素子に関するものである。

半導体発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）は、電流が加わるとｐ、ｎ型半導体の貼り合せ部分での電子と正孔の再結合により、多様な色の光を発生させることができる半導体装置である。このようなＬＥＤは、フィラメントに基づく発光素子に比べ長い寿命、低い電源、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗及び反復的な電源断続に対する高い公差等の様々な長所を有するため、その需要が継続的に増加しており、特に、最近では、青色系列の短波長の領域で発光が可能なＩＩＩ族窒化物半導体が脚光を浴びている。

このような半導体発光素子では、活性層で発生した光は空気／ＧａＮ界面に入射時、入射角に応じて、反射される程度が異なる。理論的には入射角が約２６°以上である場合、活性層で発生した光は全て内部全反射され、全反射された光は素子の側面を通じて出るか、内部で吸収または減衰され発光効率の低下の主な原因となる。

このような問題を最小化し外部光取り出し効果を向上させるための方法のうちの一つとして、光が外部に出射される面に凹凸パターンを形成する技術が知られている。

このように凹凸パターンを通じて光の全反射を減らす技術は、ある程度の外部光取り出し効果の向上には寄与できるが、より向上した発光効率のための構造が求められている。特に、ｐ型半導体層上に凹凸パターンを形成するために、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）などのドライエッチングを行う場合、電気的作動のための半導体結晶構造（特に、活性層辺りの結晶構造）に深刻な損傷が引き起こされる。さらに、この場合、ｐ型ドーピングされた部分にｎ型ドナーが生じ、ｐ型半導体層のドーピング濃度を減少させるが、このような現象は極所的にのみ生じることではなく、縦的及び横的に伝播される。これにより、半導体発光素子は電気駆動素子としての機能自体が失われることもある。

本発明は、上記の従来技術の問題を解決するために案出されたもので、ナノロッド発光構造物を光子結晶をなすように配置することにより光取り出し効果の向上が期待できる光子結晶発光素子を提供する。

基板と、該基板上に相互離隔され形成され、第１導電型の第１半導体層、活性層及び第２導電型の第２半導体層が順に形成されてなる複数のナノロッド発光構造物及び上記第１半導体層及び第２半導体層に夫々電気的に連結された第１電極及び第２電極を含み、上記複数のナノロッド発光構造物は上記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期で配列され光子結晶構造をなすことを特徴とする光子結晶発光素子を提供する。

上記複数のナノロッド発光構造物の間を埋め、上記ナノロッド発光構造物をなす物質の光屈折率と異なる光屈折率を有する物質がさらに含まれてもよい。上記複数のナノロッド発光構造物の間を埋める物質はＳｉＯ₂であることが好ましい。

光子結晶構造の形成のための側面で、上記複数のナノロッド発光構造物の底面の形状は円形でもよく、その半径ｒと配列周期ａは次の条件、０.０１≦ｒ／ａ≦０.５を満たすことが好ましい。また、上記複数のナノロッド発光構造物の底面の形状は円形または四角形でもよい。

本発明の好ましい実施形態において、上記複数のナノロッド発光構造物上に上記複数のナノロッド発光構造物を覆うように形成された上記第２導電型の第３半導体層がさらに含まれてもよい。

また、上記複数のナノロッド発光構造物上に上記複数のナノロッド発光構造物を覆うように形成されたオーム接触層がさらに含まれてもよい。

また、上記基板と複数のナノ発光構造物の間に形成された上記第１導電型の第３半導体層がさらに含まれてもよい。

一方、上記第１半導体層及び第２半導体層は夫々ｎ型半導体層及びｐ型半導体層であることが好ましい。また、好ましくは、上記第１半導体層、活性層及び第２半導体層は窒化物からなる。

好ましくは、上記複数のナノロッド発光構造物の大きさは上記活性層から放出された光の波長より小さいか同じである。

上述のように、本発明によれば、ナノロッド発光構造物を光子結晶をなすように配置することにより光取り出し効果の向上が期待できる光子結晶発光素子を得ることができる。さらに、ナノロッド構造により発光構造物の結晶性が優れるようになり素子の特性向上に寄与することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさ等は明確な説明のために誇張されることができ、図面上に同じ符号で表示される要素は同じ要素である。

図１は、本発明の一実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。図１を参照すると、本実施形態による光子結晶発光素子１０は、サファイア基板１１、ｎ型半導体層１２、複数のナノロッド発光構造物Ｎ、ｐ型半導体層１６、ｎ側電極１７a及びｐ側電極１７ｂを備えて構成される。

サファイア基板１１は、半導体単結晶成長用基板として提供され、六角−菱型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）の対称性を有する結晶体で、ｃ軸方向の格子定数が１３．００１Å、ａ軸方向には４．７６５Åの格子間距離を有する。このようなサファイア基板１１のＣ面では、比較的に窒化物薄膜の成長が容易であり、高温下でも安定であるために窒化物成長用の基板として主に用いられる。但し、本発明で採用されることができる半導体単結晶成長用基板はサファイア基板１１に制限されず、単結晶成長用として一般的に用いることができるＳｉＣ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ₂及びＬｉＧａＯ₂等からなる基板も用いることができる。

サファイア基板１１上に形成されるｎ型半導体層１２は、発光構造としての機能と言うよりもむしろその上に形成されるナノロッド構造のためのバッファ層と電極の連結部として機能する。ここで、ｎ型半導体層１２は、窒化物半導体からなることが好ましい。本明細書において「窒化物半導体」とは、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される２成分系（ｂｉａｎａｒｙ）、３成分系（ｔｅｒｎａｒｙ）または４成分系（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）の化合物半導体を意味する。即ち、ｎ型半導体層１２はＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を有するｎ型不純物がドーピングされた半導体物質からなることができ、代表的にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮがある。上記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＴｅまたはＣ等を用いることができる。

一方、ｎ型半導体層１２は、半導体単結晶の成長工程、特に、窒化物単結晶の成長工程として公知の有機金属気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム成長法（ＭＢＥ）及びハイブリッド気相蒸着法（ＨＶＰＥ）等の方法で成長させることができる。このような成長方法は、ｎ型半導体層１２の上の他の窒化物半導体層の作成にも適用することができる。但し、ｎ型半導体層１２を形成せず、基板上に直にナノロッド構造を形成してもよい。

ナノロッド発光構造物Ｎは、ｎ型半導体層１３、活性層１４及びｐ型半導体層１５が順に積層された構造であり、電力が供給された際に、電子と正孔との再結合によって光を放出する。

本明細書で使用される「ナノロッド」は直径が数ｎｍから数十ｎｍの棒形状の物質を示す用語で、ナノロッドより長くて線形状を示すものは「ナノワイヤ」とする。

本実施形態のように、上記ナノロッド構造を発光構造に採用することにより、量子効果と共に全体的な発光面積を増加させることができ、これにより、発光効率の大きな向上を期待することができる。さらに、ナノロッド構造により発光構造物の結晶性が優れるようになり素子の特性向上に寄与することができる。

また、本実施形態で、ナノロッド発光構造物Ｎは、ｎ型半導体層１２上に複数配列されて光子結晶（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ）構造をなすことを特徴とする。

光子結晶構造は、屈折率が異なる周期的な格子構造を人為的に作り、電磁気波の伝達及び発生を制御する構造をいう。屈折率が異なる周期的な格子構造内では光子結晶の影響で伝播モードが存在できない特定波長帯域が存在するようになる。このように伝播モードが存在できない領域を、電子状態が存在できないエネルギー領域と同様に、電磁気的バンドギャップ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ）或いは光子バンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｇａｐ）とし、このようなバンドギャップを有する構造を光子結晶とする。ここで、光子結晶の周期が光の波長と同等な大きさを有すると光子バンドギャップ構造を有するようになる。

このような光子結晶構造を活用すると、光の伝播を制御することが出来る上、自発放出の制御も可能であり、光素子の性能向上及び小型化に大きく寄与することができる。

即ち、特定のエネルギーを有する光子が光子バンドギャップ内にあるように光子結晶が形成されると光子が側面伝播されることが防がれ、略全ての光子が素子の外部に放出されることができるため、光取り出し効率が改善されることを期待することができる。

従って、本実施形態の場合、ナノロッド構造に光効率の向上と共に発光構造物自体が光子結晶構造を形成し外部光取り出し効率の向上も期待できる。

このような光子結晶構造をなすために、ナノロッド発光構造物Ｎは、所定の大きさと周期を有し、ｎ型半導体層１２上に２次元で配列される。ここで、ナノロッド発光構造物Ｎの大きさは発光構造物Ｎの底面の大きさ、特に、底面の形状が図２ａのように円形の場合は、半径であると理解することができる。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃは、ナノロッド発光構造物の断面形状を示したもので、図１のＡ−Ａ’線断面図に該当する。先ず、図２ａを参照すると、光子結晶構造のためにナノロッド発光構造物Ｎは、所定の周期ａを有するように形成され、その大きさ、即ち、半径はｒである（直径ｄ）。この場合、光子結晶構造をなすために周期ａは放出光の波長Λと略同一になるように決まり、周期ａ、波長Λ及び半径ｒ等が光子バンドギャップの形成に影響を及ぼす。これについては図３を用いて後述する。一般的に活性層から放出される光の波長を考慮すると、上記半径ｒは数十から十百ナノメートルになることができる。

一方、図２ｂに図示されたナノロッド発光構造物Ｎの配列構造は、第１列と第２列がずれているジグザグ配列構造で、図２ａに図示された配列構造と共に、代表的な構造の一つである。

また、ナノロッド発光構造物Ｎの底面は、一般的に採用されることができる円形の他、四角形等の他の形状でもよい。図２ｃに図示された実施形態は、図２ａの実施形態を多少変形した形態であり、発光構造物Ｎの底面の形状が四角形である。

発光効率をさらに向上させるために、上記ナノロッド発光構造物Ｎの間の空間は、わざと特定物質で埋めていない状態、即ち、空気が埋まっている状態であることができ、これと異なる実施形態では空気ではないＳｉＯ₂のような物質で埋まることができる。この場合、上記発光構造物Ｎの間の空間を埋める物質はＳｉＯ₂の他に発光構造物Ｎをなす物質と屈折率が異なる物質で、例えば、他の酸化物や無機物または有機物等が採用されることができる。

上記ナノロッド発光構造物Ｎをｎ型半導体層１２上に形成する工程は、先ず、上記ｎ型半導体層１２上にナノ大きさの触媒金属パターンを形成した後、一般的に知られている半導体形成工程で、適切な蒸着工程等を通じ上記触媒金属パターン上に半導体層を成長させる方法を用いることができる。ここで、上記触媒金属パターンはニッケル、クロムのような遷移金属からなり、上記ｎ型半導体層１２上面に塗布してから加熱しナノ大きさに凝集させることにより得ることができる。

但し、上記のように触媒を用いる工程の他にもナノロッドを形成することができる他の公知の工程、例えば、陽極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）をテンプレートとして使用する方法等でナノロッドを形成することもできる。

上記ナノロッド発光構造物の配列周期ａと底面の半径ｒ及び活性層から放出される光の波長Λとは、光子バンドギャップを形成することにおいて重要な影響を及ぼす。これについて、図３を参照して説明する。

図３は、光子結晶構造を形成するための光子バンドギャップを示すグラフで、半径ｒ／周期ａと周期ａ／波長Λに従って光子バンドギャップをシミュレーションしたものである。この場合、シミュレーションに用いられた発光構造物に含まれた活性層から放出された光の波長は４６０ｎｍである。

図３で、三角形、四角形、円で表示された図形のうち、二つの図形の間の線分形態で図示された部分が光子バンドギャップの大きさに該当する。この場合、三角形で表示されたものはＴＥモード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｄｅ）により形成される光子バンドギャップを示し、四角形で表示されたものはＴＭモード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｄｅ）で、円で表示されたものはＴＥモードとＴＭモードのジョイントモード（Ｊｏｉｎｔ ｍｏｄｅ）により形成される光子バンドギャップを示す。

上記で説明したように、特定のエネルギーを有する光子が光子バンドギャップ内にあるように光子結晶構造が形成されると光子が側面伝播されることが防がれ略全ての光子が素子の外部に放出されることができる。即ち、図３に図示された光子バンドギャップの範囲に光子のエネルギーが含まれる場合は、外部光取り出し効率の向上効果が期待できる。

従って、図３のシミュレーション結果を参照して上記ナノロッド発光構造物の配列周期ａと半径ｒ及び光の波長Λを調節することにより光子結晶構造を形成することができる。ここで、発光素子自体の特性で上記波長Λが決まることが一般的であるため（本実施形態の場合、Λは４３０ｎｍ）、これに従って上記周期ａと半径ｒを調整することが好ましい。

図４（ａ）は、従来構造での光取り出し効率を示すシミュレーショングラフであり、図４（ｂ）は、ナノロッド発光構造物を採用した場合の光取り出し効率を比較するためのシミュレーショングラフである。

また、図４（ａ）は、基板４１上にｎ型半導体層４２、活性層４３、ｐ型半導体層４４が順に積層された従来の構造を示し、ナノロッド構造及び光子結晶構造は含まれていない。図４（ｂ）は、基板４１上にｎ型半導体層４２、活性層４３、ｐ型半導体層４４を順に積層させた構造を示し、複数のナノロッドＮが配列された光子結晶構造を含む。

光子結晶構造は、活性層４３内部に円形の光源を二つ挿入したものに該当する。図４（ａ）と図４（ｂ）では、活性層４３内部に見える白色の領域をいう。

図４（ｂ）の右側のグラフのように、赤色の部分が光の強度が強い部分で、青色が光の強度が低い部分である。図４（ａ）と図４（ｂ）のように光は赤色または黄色と青色を帯びながら、波動を有し素子の外に放出されることをシミュレーション結果で確認することができる。これは活性層４３内部の二つの光源による光の補強干渉と相殺干渉によるものである。

次いで、シミュレーション結果を見ると、図４（ａ）に図示された従来構造の場合、活性層４３から放出された光が放射型に広がり界面での全反射等により光の強度が大分弱くなっていることが分かる。

これと比べ、図４（ｂ）に図示されたナノロッド構造の光子結晶の作用により活性層４３から放出された光がナノロッド構造により光の水平成分が垂直に転換されナノロッドに従って進むことが分かる。即ち、図４（ａ）に比べ光の強度が著しく強い赤色の領域がナノロッド構造に従って多く分布することが分かる。これにより、界面での全反射が大きく減り光取り出し効率が向上される。

再び図１を参照して説明すると、複数のナノロッド発光構造物Ｎを覆うように形成されたｐ型半導体層１６は、ｎ型半導体層１２と同様に窒化物半導体であることが好ましく、この場合、ｐ型不純物としてはＭｇ、ＺｎまたはＢｅ等を用いることができる。本実施形態のようにナノロッド発光構造物Ｎを覆うようにｐ型半導体層１６を形成する場合、図示はしていないが、その上に形成されるオーム接触層または反射金属層等を容易に形成することができる。

ｎ側電極１７ａ及びｐ側電極１７ｂは、素子の電気的連結のための電極層として機能する。この場合、上記ｎ側電極１７ａ及びｐ側電極１７ｂは一般的にＡｕまたはＡｕを含んだ合金からなる。このようなｎ側電極１７ａ及びｐ側電極１７ｂは通常の金属層成長方法である蒸着法またはスパッタリング工程により形成されることができる。

図５は、本発明の他の実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。本実施形態による光子結晶発光素子は、図１の実施形態を多少変形したものであり、ｐ型半導体層の代わりにオーム接触層５１が採用される。なお、図５中、図１と同一の符号で表示された構成要素は、図１の実施形態と同一のものである。

オーム接触層５１は、ｐ側電極１７ｂとナノロッドを構成するｐ型半導体層１５間にオーム接触機能を行い、本実施形態のように電極構造が水平構造である場合には光の進行を妨害しないことが好ましいため、透明な金属酸化物からなることが好ましい。具体的には、オーム接触層５１は、ＩＴＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＳｎＯ₂、ＭｇＯ、Ｇａ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ａｌ₂Ｏ₃等からなることができる。若し、電極構造が垂直構造である場合には上記オーム接触層の代わりに反射金属層を採用することができる。

本発明は上述の実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、上記の請求範囲により限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で当該字術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これも本発明の範囲に属する。

本発明の一実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。 ナノロッド発光構造物の断面形状の一例を示した図である。 ナノロッド発光構造物の断面形状の別の例を示した図である。 ナノロッド発光構造物の断面形状のさらに別の例を示した図である。 光子結晶構造を形成するための光子バンドギャップを示すグラフ図であり、半径ｒ／周期ａと周期ａ／波長Λに従って光子バンドギャップをシミュレーションした結果を示す図である。 従来構造の場合とナノロッド発光構造物を採用した場合の光取り出し効率を比較するためのシミュレーショングラフ図である。 本発明の他の実施形態による光子結晶発光素子を示す断面図である。

符号の説明

１１ サファイア基板
１２ ｎ型半導体層
Ｎ ナノロッド発光構造物
１３ ｎ型半導体層
１４ 活性層
１５ ｐ型半導体層
１６ ｐ型半導体層
１７ａ ｎ側電極
１７ｂ ｐ側電極
５１ オーム接触層

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に相互離隔されて形成され、第１導電型の第１半導体層、活性層及び第２導電型の第２半導体層が順に形成されてなる複数のナノロッド発光構造物と、
   前記第１半導体層及び前記第２半導体層に夫々電気的に連結された第１電極及び第２電極と、を含み、
   前記複数のナノロッド発光構造物は、前記活性層から放出された光に対して光子バンドギャップを形成することができる大きさと周期で配列され光子結晶構造をなすことを特徴とする光子結晶発光素子。
2. 前記複数のナノロッド発光構造物の間を埋め、前記発光構造物を物質の光屈折率と異なる光屈折率を有する物質をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
3. 前記複数のナノロッド発光構造物の間を埋める物質は、ＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項２に記載の光子結晶発光素子。
4. 前記複数のナノロッド発光構造物の底面の形状は円形で、その半径ｒと配列周期ａは次の条件、
   ０.０１≦ｒ／ａ≦０.５を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
5. 前記複数のナノロッド発光構造物の底面の形状は、円形または四角形であることを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
6. 前記複数のナノロッド発光構造物上に前記複数のナノロッド発光構造物を覆うよう形成された前記第２導電型の第３半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
7. 前記複数のナノロッド発光構造物上に前記複数のナノロッド発光構造物を覆うよう形成されたオーム接触層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
8. 前記基板と複数のナノ発光構造物の間に形成された前記第１導電型の第３半導体層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
9. 前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、夫々ｎ型半導体層及びｐ型半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
10. 前記第１半導体層、前記活性層及び前記第２半導体層は、窒化物からなることを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。
11. 前記複数のナノロッド発光構造物の大きさは、前記活性層から放出された光の波長より小さいか同じであることを特徴とする請求項１に記載の光子結晶発光素子。