JP2011086853A - フォトニック結晶発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る2次元フォトニック結晶発光ダイオードでは、活性層を、短波長側の光を発する第1活性層12と、長波長側の光を発する第2活性層13の2層構造にし、第2活性層13とその上に積層された第2半導体層14に対して2次元フォトニック結晶構造を形成している。このような構造を採ることにより、第1活性層12では発光効率が低下しない。一方、第2活性層13では、空孔18を設けることにより光取り出し効率が向上するものの、非発光再結合が増加し、発光効率が低下する。しかしながら、第1活性層12から放射された発光効率の高い光が第2活性層13で吸収され、光励起が生じることにより、第2活性層13で光が高効率で再発光される。その結果、発光効率の高い長波長光が、空孔18から高効率で放出される。
【選択図】図1
Description
一方、回折格子型2次元フォトニック結晶発光ダイオードでは、空孔の周期を発光波長よりも大きく設定し、発光体内部と外部との面内波数ベクトル保存則制限をフォトニック結晶による逆格子ベクトルを含めた保存則に置き換えることにより全反射条件を緩めて光取り出し効率を向上、つまり外部量子効率を向上させている。
前記第2活性層が、前記第1活性層より長波長の光を発光する層であり、
前記第2半導体層及び前記第2活性層を貫通する空孔が、フォトニック結晶構造を形成するように2次元周期的に配置されている
ことを特徴とする。
第2半導体層14の上には透明電極層15が積層され、透明電極層15の上面の一部には第2電極(p型電極)16が形成されている。また、これらの積層構造の一部を取り除くことで第1半導体層11を露出させており、この露出した第1半導体層の上に第1電極(n型電極)17が形成されている。
本実施例の2次元フォトニック結晶発光ダイオードでは、第1活性層12及び第2活性層13の局在準位領域において、第2電極16(又は透明電極層15)及び第1電極17から注入された電子及び正孔が再結合することにより、短波長光20及び長波長光21がそれぞれ放出される。ここで、長波長光21の発光効率は、第1活性層12に設けられた空孔18により低下している。しかしながら、短波長光20が第1活性層12に吸収され、光励起が生じることにより、長波長光21Aが第1活性層12で再発光される。従って、本来の発光過程で生じた長波長光21と再発光により生じた長波長光21Aとが、空孔18より外部に放出され、その結果、発光効率と光取り出し効率の高い2次元フォトニック結晶発光ダイオードを得ることができる。
vdiff ∝ D = D0 exp(-εL / (kB T))
τ-1 nr (hole) = (vdiff σ Nt) × A / V
vS = vdiff σ Nt
ただし、D、D0、vdiff、τ-1 nr (hole)、σ、Nt、vSはそれぞれキャリア拡散係数、拡散係数のpre-factor、キャリア拡散速度、孔側面での非発光緩和時間の逆数、非発光欠陥捕獲断面積、非発光欠陥密度、表面再結合速度である。これらの式及び図5のグラフから、表面再結合速度vSは発光中心波長が大きくなるに従って小さくなることが分かる。実際、発光波長中心が470nmである青色光ではvS=3×103cm/s、発光波長中心が520nmである緑色光ではvS=0.3×103cm/sの表面再結合速度となることが実験により示された。表面再結合速度vSが小さくなるということは、表面再結合が生じにくくなるということであるため、短波長光を発するInGaN活性層よりも長波長光を発するInGaN活性層の方が、活性層に空孔を設けることによる表面再結合の増加を抑えることができることになる。
11…第1半導体層
12…第1活性層
13…第2活性層
14…第2半導体層
15…透明電極層
16…第2電極
17…第1電極
18…空孔
20、20A…短波長光
21、21A…長波長光
Claims (7)
- 第1半導体層、第1活性層、第2活性層、第2半導体層の4層がこの順に積層され、第1電極が該第1半導体層に、第2電極が該第2半導体層に、それぞれ電気的に接続された構造を有する発光ダイオードにおいて、
前記第2活性層が、前記第1活性層より長波長の光を発光する層であり、
前記第2半導体層及び前記第2活性層を貫通する空孔が、フォトニック結晶構造を形成するように2次元周期的に配置されている
ことを特徴とする発光ダイオード。 - 前記第1活性層及び第2活性層が、それぞれ組成比の異なるInGaN系量子井戸構造から成ることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード。
- 前記第1活性層のInGaN系量子井戸構造の発光中心波長が500nm未満であり、前記第2活性層のInGaN系量子井戸構造の発光中心波長が500nm以上であることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオード。
- 前記第2半導体層に設けられた空孔の深さ、前記第1半導体層における量子井戸の層数、及び第2半導体層における量子井戸の層数の一部又は全てを調整することを特徴とする請求項2又は3に記載の発光ダイオード。
- 前記第1活性層で発光した光の全てが前記第2活性層で吸収されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 前記第1活性層で発光した光の一部が外部に放出されることにより、該外部に放出された第1活性層の光と前記第2活性層で発光した光とが混色されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の発光ダイオード。
- 前記第1活性層で発光した光の発光中心波長が450〜500nmの青色光であり、前記第2活性層で発光した光の発光中心波長が560〜670nmの黄色光であることを特徴とする請求項6に記載の発光ダイオード。
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