JP2011252965A

JP2011252965A - Refractive index modulation structure and led device

Info

Publication number: JP2011252965A
Application number: JP2010124956A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kamiyama; 智上山; Motoaki Iwatani; 素顕岩谷; Tetsuya Takeuchi; 哲也竹内; Atsushi Suzuki; 敦志鈴木; Fumiharu Teramae; 文晴寺前
Original assignee: Meijo University
Current assignee: Meijo University
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: JP5632655B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a refractive index modulation structure and an LED device that can improve a light modulation rate.SOLUTION: A refractive index modulation structure comprises a moth-eye structure that includes a material on which surface recesses or protrusions are formed periodically; and an electric-field regulating section that generates an electric field in the material thereby varies the refractive index of the material. The transmission condition of diffraction is varied by the variation in the refractive index of the moth-eye structure.

Description

本発明は、屈折率変調構造及びＬＥＤ素子に関する。 The present invention relates to a refractive index modulation structure and an LED element.

近年、窒化物半導体による短波長のＬＥＤ素子と蛍光体の組み合わせによる白色ＬＥＤが実用化され、白色ＬＥＤは今後の照明用光源として期待されている。白色ＬＥＤは、従来の照明光源である白熱電球や蛍光灯とは異なり、比較的高速での光の変調が可能であり、この特徴を生かした可視光通信への応用が見込まれている。照明装置からの１〜１０Ｍｂｐｓの可視光通信によって、インターネットをはじめとするオフィス、家庭内の情報通信網を構築することを目指した研究プロジェクトが国内外で活発に推進されている。 In recent years, a white LED using a combination of a short wavelength LED element made of a nitride semiconductor and a phosphor has been put into practical use, and the white LED is expected as a light source for future illumination. Unlike incandescent bulbs and fluorescent lamps, which are conventional illumination light sources, white LEDs can modulate light at a relatively high speed, and are expected to be applied to visible light communication utilizing this feature. Research projects aiming to construct information communication networks in offices and homes such as the Internet through visible light communication of 1 to 10 Mbps from lighting devices are being actively promoted in Japan and overseas.

また、この種の可視光通信用装置として、送信データに基づいて生成された駆動電流信号に基づいて青色光励起型白色ＬＥＤを駆動し、可視光信号を受信機に対して出力するものが提案されている。特許文献１には、この可視光通信用装置は、送信データの立ち上がり時に立ち上がりパルスを付加するとともに、送信データの立ち下がり時に立ち下がりパルスを付加して、多階調の駆動電流信号を生成する多階調駆動手段を備えると記載されている。 Also, as this type of visible light communication device, a device that drives a blue light excitation type white LED based on a drive current signal generated based on transmission data and outputs a visible light signal to a receiver is proposed. ing. In Patent Document 1, this visible light communication device generates a multi-tone drive current signal by adding a rising pulse at the rising edge of transmission data and adding a falling pulse at the falling edge of transmission data. It is described that a multi-tone drive means is provided.

特開２０１０−１０３９７９号公報JP 2010-103979 A

しかしながら、現在の光ファイバーなどによるブロードバンド通信は、１０００Ｍｂｐｓにも達しており、これと比較すると、従来のＬＥＤや白熱電球の光の変調速度は十分とは言い難い。 However, the broadband communication by the present optical fiber etc. has reached 1000 Mbps, and compared with this, the modulation speed of the light of the conventional LED and the incandescent bulb is not sufficient.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光の変調速度を向上させることのできる屈折率変調構造及びＬＥＤ素子を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The place made into the objective is to provide the refractive index modulation structure and LED element which can improve the modulation speed of light.

本発明では、表面に凹部又は凸部が周期的に形成された材料を含むモスアイ構造体と、前記材料に電界を生じさせ、当該材料の屈折率を変化させる電界調整部と、を有する屈折率変調構造が提供される。 In the present invention, a refractive index having a moth-eye structure including a material having concave or convex portions periodically formed on the surface, and an electric field adjusting unit that generates an electric field in the material and changes the refractive index of the material. A modulation structure is provided.

上記屈折率変調構造において、前記電界調整部は、前記モスアイ構造体の前記材料に電圧を印加する一対の屈折率変化用電極を有してもよい。 In the refractive index modulation structure, the electric field adjustment unit may include a pair of refractive index changing electrodes that apply a voltage to the material of the moth-eye structure.

上記屈折率変調構造において、前記モスアイ構造体の前記材料は、圧電性を有する等方性結晶であってもよい。 In the refractive index modulation structure, the material of the moth-eye structure may be an isotropic crystal having piezoelectricity.

また、本発明では、上記屈折率変調構造を備え、前記屈折率変化用電極の少なくとも一方は、アノード電極又はカソード電極であるＬＥＤ素子が提供される。 In the present invention, there is provided an LED element comprising the above refractive index modulation structure, wherein at least one of the refractive index changing electrodes is an anode electrode or a cathode electrode.

上記ＬＥＤ素子において、前記モスアイ構造体は、支持基板と発光層の間に介在してもよい。 In the LED element, the moth-eye structure may be interposed between the support substrate and the light emitting layer.

上記ＬＥＤ素子において、前記モスアイ構造体は、支持基板について発光層と反対側に設けられてもよい。 In the LED element, the moth-eye structure may be provided on the opposite side of the light emitting layer with respect to the support substrate.

本発明のＬＥＤ素子によれば、光の変調速度を向上させることができる。 According to the LED element of the present invention, the light modulation speed can be improved.

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a first embodiment of the present invention. 図２は、異なる屈折率の界面における光の回折作用を示す説明図であり、（ａ）は界面にて反射する状態を示し、（ｂ）は界面を透過する状態を示す。2A and 2B are explanatory diagrams showing the diffraction action of light at the interface having different refractive indexes, where FIG. 2A shows a state of reflection at the interface, and FIG. 図３は、III属窒化物半導体層からサファイア基板へ入射する光の回折作用を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing the diffraction action of light incident on the sapphire substrate from the group III nitride semiconductor layer. 図４は、変形例を示すＬＥＤ素子の拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of an LED element showing a modification. 図５は、本発明の第２の実施形態を示す屈折率変調器の模式断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a refractive index modulator showing a second embodiment of the present invention. 図６は、本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an LED element showing a third embodiment of the present invention.

図１から図３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図１はＬＥＤ素子の模式断面図である。 1 to 3 show a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a schematic sectional view of an LED element.

図１に示すように、ＬＥＤ素子１００は、サファイア基板１０２上に、第１電極層１０４、モスアイ構造層１０６、第２電極層１０８、及び、III族窒化物半導体層からなる半導体積層部１１９がこの順で形成されたものである。本実施形態においては、モスアイ構造層１０６は、サファイア基板１０２と活性層１１４の間に介在している。半導体積層部１１９は、バッファ層１１０、ｎ型ＧａＮ層１１２、多重量子井戸活性層１１４、電子ブロック層１１６、ｐ型ＧａＮ層１１８を第２電極層１０８側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層１１８上にはｐ側電極１２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層１１２上にはｎ側電極１２４が形成されている。また、モスアイ構造層１０６には、屈折率変調用電極１２６が形成されている。このＬＥＤ素子１００は、フリップチップ型であり、サファイア基板１０２の裏面（図１中は上面）から主として光が取り出される。 As shown in FIG. 1, the LED element 100 includes a semiconductor stacked portion 119 made of a first electrode layer 104, a moth-eye structure layer 106, a second electrode layer 108, and a group III nitride semiconductor layer on a sapphire substrate 102. They are formed in this order. In the present embodiment, the moth-eye structure layer 106 is interposed between the sapphire substrate 102 and the active layer 114. The semiconductor stacked unit 119 includes a buffer layer 110, an n-type GaN layer 112, a multiple quantum well active layer 114, an electron block layer 116, and a p-type GaN layer 118 in this order from the second electrode layer 108 side. A p-side electrode 120 is formed on the p-type GaN layer 118 and an n-side electrode 124 is formed on the n-type GaN layer 112. The moth-eye structure layer 106 is formed with a refractive index modulation electrode 126. The LED element 100 is of a flip chip type, and light is mainly extracted from the back surface (upper surface in FIG. 1) of the sapphire substrate 102.

第１電極層１０４は、サファイア基板１０２の表面に全面的に形成される。本実施形態においては、第１電極層１０４は、ＡｌＮモル分率が０．２以下のｎ^＋−ＡｌＧａＮ層からなる。尚、第１電極層１０４は、モスアイ構造層１０６よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。 The first electrode layer 104 is entirely formed on the surface of the sapphire substrate 102. In the present embodiment, the first electrode layer 104 is composed of an n ⁺ -AlGaN layer having an AlN molar fraction of 0.2 or less. The first electrode layer 104 may be made of other materials as long as the sheet resistance is lower than that of the moth-eye structure layer 106.

モスアイ構造層１０６は、第１電極層１０４上に形成され、半導体積層部１１９側へ突出する凸部１０７が周期的に形成される。本実施形態においては、各凸部１０７は、平面視にて、中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部１０７の周期は、半導体積層部１１９の多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。尚、ここでいう周期とは、隣接する凸部１０７における深さのピーク位置の距離をいう。また、光学波長とは、実際の波長を屈折率で除した値を意味する。さらに、コヒーレント長とは、所定のスペクトル幅のフォトン群の個々の波長の違いによって、波の周期的振動が互いに打ち消され、可干渉性が消失するまでの距離に相当する。コヒーレント長ｌｃは、光の波長をλ、当該光の半値幅をΔλとすると、おおよそｌｃ＝（λ^２／Δλ）の関係にある。ここで、各凸部１０７の周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光の光学波長の２倍より大きいことが好ましい。また、各凸部１０７の周期は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光のコヒーレント長の半分以下であることが好ましい。尚、第１電極層１０４上の一部領域には、後述する屈折率変調用電極１２６を設けるために、モスアイ構造層１０６が形成されていない。 The moth-eye structure layer 106 is formed on the first electrode layer 104, and convex portions 107 protruding to the semiconductor stacked portion 119 side are periodically formed. In the present embodiment, each convex portion 107 is formed in alignment with the intersection of the virtual triangular lattice at a predetermined cycle so that the center is the position of the vertex of the regular triangle in plan view. The period of each convex portion 107 is larger than the optical wavelength of the light emitted from the multiple quantum well active layer 114 of the semiconductor stacked portion 119 and smaller than the coherent length of the light. Here, the period refers to the distance between the peak positions of the depths of the adjacent convex portions 107. The optical wavelength means a value obtained by dividing the actual wavelength by the refractive index. Furthermore, the coherent length corresponds to a distance until the periodic vibrations of the waves cancel each other and the coherence disappears due to the difference in the individual wavelengths of the photon group having a predetermined spectral width. The coherent length lc is approximately lc = (λ ² / Δλ), where λ is the wavelength of light and Δλ is the half width of the light. Here, the period of each convex portion 107 is preferably larger than twice the optical wavelength of the light emitted from the multiple quantum well active layer 114. Moreover, it is preferable that the period of each convex part 107 is half or less of the coherent length of the light emitted from the multiple quantum well active layer 114. Note that the moth-eye structure layer 106 is not formed in a partial region on the first electrode layer 104 in order to provide a refractive index modulation electrode 126 described later.

本実施形態においては、各凸部１０７の周期は、５００ｎｍである。活性層１１４から発せられる光の波長は４５０ｎｍであり、III族窒化物半導体層の屈折率が２．４であることから、その光学波長は１８７．５ｎｍである。また、活性層１１４から発せられる光の半値幅は６３ｎｍであることから、当該光のコヒーレント長は、３２１４ｎｍである。すなわち、各凸部１０７の周期は、活性層１１４の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。 In this embodiment, the period of each convex part 107 is 500 nm. Since the wavelength of light emitted from the active layer 114 is 450 nm and the refractive index of the group III nitride semiconductor layer is 2.4, the optical wavelength is 187.5 nm. Further, since the half width of the light emitted from the active layer 114 is 63 nm, the coherent length of the light is 3214 nm. That is, the period of each convex portion 107 is greater than twice the optical wavelength of the active layer 114 and less than or equal to half the coherent length.

また、本実施形態においては、各凸部１０７は、円錐状に形成される。具体的に、各凸部１０７は、基端部の直径が２００ｎｍであり、深さは２５０ｎｍとなっている。モスアイ構造層１０６の表面は、各凸部１０７の他は平坦となっており、半導体積層部１１９の横方向成長が助長されるようになっている。 Moreover, in this embodiment, each convex part 107 is formed in a cone shape. Specifically, each convex portion 107 has a base end portion with a diameter of 200 nm and a depth of 250 nm. The surface of the moth-eye structure layer 106 is flat except for the convex portions 107 so that the lateral growth of the semiconductor stacked portion 119 is promoted.

モスアイ構造体としてのモスアイ構造層１０６は、ポッケルス効果の大きい材料が好ましい。具体的には、圧電性を有することが好ましく、等方性結晶であることがより好ましい。モスアイ構造層１０６は、例えばＳｉＯ_２、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ_３、ＺｎＯ、ＩＴＯ等から形成することができ、本実施形態においてはＡｌＮから形成される。各凸部１０７の形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部１０７により、光の回折作用を得ることができる。 The moth-eye structure layer 106 as the moth-eye structure is preferably made of a material having a large Pockels effect. Specifically, it is preferable to have piezoelectricity, and more preferably an isotropic crystal. The moth-eye structure layer 106 can be formed from, for example, SiO ₂ , AlN, LiNbO ₃ , ZnO, ITO, or the like, and is formed from AlN in this embodiment. The shape of each convex part 107 can be a shape such as a cone or a polygonal pyramid. In the present embodiment, a light diffraction effect can be obtained by the convex portions 107 arranged periodically.

第２電極層１０８は、モスアイ構造層１０６の表面に沿って形成される。本実施形態においては、第２電極層１０８は、ＡｌＮモル分率が０．２以下のｎ^＋−ＡｌＧａＮ層からなる。尚、第２極層１０８は、モスアイ構造層１０６よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。 The second electrode layer 108 is formed along the surface of the moth-eye structure layer 106. In the present embodiment, the second electrode layer 108 is composed of an n ⁺ -AlGaN layer having an AlN molar fraction of 0.2 or less. The second electrode layer 108 may be made of other materials as long as the sheet resistance is smaller than that of the moth-eye structure layer 106.

バッファ層１１０は、第２電極層１０８上に形成され、ＧａＮで構成されている。本実施形態においては、バッファ層１１０は、後述するｎ型ＧａＮ層１１２等よりも低温にて成長されている。また、バッファ層１１０は、各凸部１０７に沿って周期的に形成される複数の錘状の凹部を第２電極層１０８側に有している。第１導電型層としてのｎ型ＧａＮ層１１２は、バッファ層１１０上に形成され、ｎ−ＧａＮで構成されている。発光層としての多重量子井戸活性層１１４は、ｎ型ＧａＮ層１１２上に形成され、ＧａｌｎＮ／ＧａＮで構成され、電子及び正孔の再結合により青色光を発する。ここで、青色光とは、例えば、ピーク波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の光をいうものとする。本実施形態においては、多重量子井戸活性層１１４の発光のピーク波長は４５０ｎｍである。 The buffer layer 110 is formed on the second electrode layer 108 and is made of GaN. In the present embodiment, the buffer layer 110 is grown at a lower temperature than an n-type GaN layer 112 and the like which will be described later. Further, the buffer layer 110 has a plurality of weight-shaped concave portions that are periodically formed along the convex portions 107 on the second electrode layer 108 side. The n-type GaN layer 112 as the first conductivity type layer is formed on the buffer layer 110 and is made of n-GaN. The multiple quantum well active layer 114 as a light emitting layer is formed on the n-type GaN layer 112, is composed of GalnN / GaN, and emits blue light by recombination of electrons and holes. Here, blue light refers to light having a peak wavelength of 430 nm or more and 480 nm or less, for example. In the present embodiment, the peak wavelength of light emission of the multiple quantum well active layer 114 is 450 nm.

電子ブロック層１１６は、多重量子井戸活性層１１４上に形成され、ｐ―ＡＩＧａＮで構成されている。第２導電型層としてのｐ型ＧａＮ層１１８は、電子ブロック層１１６上に形成され、ｐ−ＧａＮで構成されている。第１電極層１０４からｐ型ＧａＮ層１１８までは、III族窒化物半導体のエピタキシャル成長により形成される。ここで、第２電極層１０８にモスアイ構造層１０６の凸部１０７に起因して凹凸が形成されているが、III族窒化物半導体の横方向成長による平坦化が図られる。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。 The electron block layer 116 is formed on the multiple quantum well active layer 114 and is made of p-AIGaN. The p-type GaN layer 118 as the second conductivity type layer is formed on the electron block layer 116 and is made of p-GaN. The first electrode layer 104 to the p-type GaN layer 118 are formed by epitaxial growth of a group III nitride semiconductor. Here, irregularities are formed in the second electrode layer 108 due to the convex portions 107 of the moth-eye structure layer 106, but planarization is achieved by lateral growth of the group III nitride semiconductor. In addition, when a voltage is applied to the first conductive type layer and the second conductive type layer at least including the first conductive type layer, the active layer, and the second conductive type layer, the active layer is formed by recombination of electrons and holes. The layer structure of the semiconductor layer is arbitrary as long as it emits light.

アノード電極としてのｐ側電極１２０は、ｐ型ＧａＮ層１１８上に形成され、ｐ側ＧａＮ層１１８側の面が反射面１２２をなしている。ｐ側電極１２０は、多重量子井戸活性層１１４から発せられる光に対して高い反射率を有する。ｐ側電極１２０は、活性層１１４から発せられる光に対して８０％以上の反射率を有することが好ましい。本実施形態においては、ｐ側電極１２０は、例えばＡｇ系、Ｒｈ系の材料からなり、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。 The p-side electrode 120 as the anode electrode is formed on the p-type GaN layer 118, and the surface on the p-side GaN layer 118 side forms a reflection surface 122. The p-side electrode 120 has a high reflectance with respect to light emitted from the multiple quantum well active layer 114. The p-side electrode 120 preferably has a reflectance of 80% or more with respect to light emitted from the active layer 114. In the present embodiment, the p-side electrode 120 is made of, for example, an Ag-based or Rh-based material, and is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, or the like.

カソード電極としてのｎ側電極１２４は、ｐ型ＧａＮ層１１８からｎ型ＧａＮ層１１２をエッチングして、露出したｎ型ＧａＮ層１１２上に形成される。ｎ側電極１２４は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。 The n-side electrode 124 as a cathode electrode is formed on the exposed n-type GaN layer 112 by etching the n-type GaN layer 112 from the p-type GaN layer 118. The n-side electrode 124 is made of, for example, Ti / Al / Ti / Au, and is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like.

屈折率変調用電極１２６は、ｐ型ＧａＮ層１１８からモスアイ構造層１０６をエッチングして、露出した第１電極層１０４上に形成される。屈折率変調用電極１２６は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。 The refractive index modulation electrode 126 is formed on the exposed first electrode layer 104 by etching the moth-eye structure layer 106 from the p-type GaN layer 118. The refractive index modulation electrode 126 is made of, for example, Ti / Al / Ti / Au, and is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like.

以上のように構成されたＬＥＤ素子１００は、ｐ側電極１２０とｎ側電極１２４に順方向の電圧を印加すると、活性層１１４から青色光が発せられる。青色光のうち、ｐ側電極１２０側へ向かう光は、反射面１２２にて反射してモスアイ構造層１０６側へ向かう。活性層１１４から発せられた青色光は、その殆どがモスアイ構造層１０６へ直接的又は間接的に入射する。 The LED element 100 configured as described above emits blue light from the active layer 114 when a forward voltage is applied to the p-side electrode 120 and the n-side electrode 124. Of the blue light, the light traveling toward the p-side electrode 120 is reflected by the reflecting surface 122 and travels toward the moth-eye structure layer 106. Most of the blue light emitted from the active layer 114 directly or indirectly enters the moth-eye structure layer 106.

ここで、図２（ａ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０６の界面にて光が反射する場合において、入射角θ_ｉｎに対して反射角θ_ｒｅｆが満たすべき条件は、
ｄ・ｎ１・（ｓｉｎθ_ｉｎ−ｓｉｎθ_ｒｅｆ）＝ｍ・λ・・・（１）
である。ここで、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、λは入射する光の波長、ｍは整数である。本実施形態では、ｎ１は、バッファ層１１０の屈折率となる。 Here, as shown in FIG. 2A, from the Bragg diffraction condition, when light is reflected at the interface of the moth-eye structure layer 106, the condition that the reflection angle θ _ref should satisfy with respect to the incident angle θ _in is ,
d · n1 · (sin θ _in −sin θ _ref ) = m · λ (1)
It is. Here, n1 is the refractive index of the medium on the incident side, λ is the wavelength of the incident light, and m is an integer. In the present embodiment, n1 is the refractive index of the buffer layer 110.

一方、図２（ｂ）に示すように、ブラッグの回折条件から、モスアイ構造層１０６の界面にて光が透過する場合において、入射角θ_ｉｎに対して透過角θ_ｏｕｔが満たすべき条件は、
ｄ・（ｎ１・ｓｉｎθ_ｉｎ−ｎ２・ｓｉｎθ_ｏｕｔ）＝ｍ’・λ・・・（２）
である。ここで、ｎ２は出射側の媒質の屈折率であり、ｍ’は整数である。本実施形態では、ｎ２は、モスアイ構造層１０６の屈折率となる。すなわち、モスアイ構造層１０６の屈折率が変化すると、光の透過条件が変化する。 On the other hand, as shown in FIG. 2B, from the Bragg diffraction condition, when light is transmitted at the interface of the moth-eye structure layer 106, the condition that the transmission angle θ _out should satisfy with respect to the incident angle θ _in is
d · (n1 · sin θ _in −n2 · sin θ _out ) = m ′ · λ (2)
It is. Here, n2 is the refractive index of the medium on the exit side, and m ′ is an integer. In the present embodiment, n2 is the refractive index of the moth-eye structure layer 106. That is, when the refractive index of the moth-eye structure layer 106 changes, the light transmission condition changes.

上記（１）式及び（２）式の回折条件を満たす反射角θ_ｒｅｆ及び透過角θ_ｏｕｔが存在するためには、各凸部１０７の周期は、素子内部の光学波長である（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも大きくなければならない。一般的に知られているモスアイ構造は、周期が（λ／ｎ１）や（λ／ｎ２）よりも小さく設定されており、回折光は存在しない。そして、各凸部１０７の周期は、光が波としての性質を維持できるコヒーレント長より小さくなければならず、コヒーレント長の半分以下とすることが好ましい。コヒーレント長の半分以下とすることにより、回折による反射光及び透過光の強度を確保することができる。 In order for the reflection angle θ _ref and the transmission angle θ _out that satisfy the diffraction conditions of the above expressions (1) and (2) to exist, the period of each convex portion 107 is the optical wavelength inside the element (λ / n 1 ) Or (λ / n2). The generally known moth-eye structure has a period set smaller than (λ / n1) or (λ / n2), and there is no diffracted light. And the period of each convex part 107 must be smaller than the coherent length which light can maintain the property as a wave, and it is preferable to set it as the half or less of coherent length. By setting it to half or less of the coherent length, the intensity of reflected light and transmitted light by diffraction can be secured.

図３に示すように、ＬＥＤ素子１００において活性層１１４から等方的に放出される光のうち、モスアイ構造層１０６へ入射角θ_ｉｎで入射する光は、上記（１）式を満たす反射角θ_ｒｅｆで反射するとともに、上記（２）式を満たす透過角θ_ｏｕｔで透過する。ここで、全反射臨界角以上の入射角θ_ｉｎでは、強い反射光強度となる。反射光は、ｐ側電極１２０の反射面１２２にて反射して、再びモスアイ面１０２ａへ入射するが先に入射したときの入射角θ_ｉｎと異なる入射角θ_ｉｎで入射するため、先の入射条件とは異なる透過特性となる。 As shown in FIG. 3, among the light isotropically emitted from the active layer 114 in the LED element 100, the light incident on the moth-eye structure layer 106 at the incident angle θ _in is a reflection angle that satisfies the above equation (1). The light is reflected by θ _ref and transmitted at a transmission angle θ _out that satisfies the above equation (2). Here, when the incident angle θ _in is greater than the total reflection critical angle, the intensity of the reflected light is strong. The reflected light is reflected by the reflection surface 122 of the p-side electrode 120 and is incident on the moth-eye surface 102a again, but is incident at an incident angle θ _{in that} is different from the incident angle θ _{in when} it is incident first. The transmission characteristics are different from the conditions.

このように、活性層１１４から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さい周期で凸部１０７が形成され、各凸部１０７が形成されたモスアイ構造層１０６の回折面にて反射した光を反射して回折面へ再入射させる反射面１２０と、を備えることにより、全反射臨界角を超える角度で入射する光についても回折作用を利用して素子外部へ光を取り出すことができる。 In this way, the convex portions 107 are formed with a period larger than the optical wavelength of the light emitted from the active layer 114 and smaller than the coherent length of the light, and on the diffraction surface of the moth-eye structure layer 106 in which each convex portion 107 is formed. By providing the reflecting surface 120 that reflects the reflected light and re-enters the diffraction surface, the light that is incident at an angle exceeding the total reflection critical angle can be extracted to the outside of the element using the diffraction action. it can.

そして、ｎ側電極１２４と屈折率変調用電極１２６に電圧を印可して、モスアイ構造層１０６に電界を生じさせると、モスアイ構造層１０６の材料の屈折率が変化する。本実施形態においては、モスアイ構造層１０６は、圧電性を有することから、ポッケルス効果を利用して効率よく屈折率を変化させることができる。モスアイ構造層１０６の屈折率が変化すると、上記（２）式のｎ２が変化して回折の透過条件が変化する。これにより、ＬＥＤ素子１００の発光時、屈折率変調用電極１２６の電位を変化させて、ＬＥＤ素子１００から取り出される光量を変化させることができる。 When a voltage is applied to the n-side electrode 124 and the refractive index modulation electrode 126 to generate an electric field in the moth-eye structure layer 106, the refractive index of the material of the moth-eye structure layer 106 changes. In this embodiment, since the moth-eye structure layer 106 has piezoelectricity, the refractive index can be changed efficiently using the Pockels effect. When the refractive index of the moth-eye structure layer 106 changes, n2 in the above equation (2) changes and the diffraction transmission condition changes. Accordingly, when the LED element 100 emits light, the potential of the refractive index modulation electrode 126 can be changed to change the amount of light extracted from the LED element 100.

従って、モスアイ構造層１０６にて生じる電界に応じて光を変調させることができ、ｎ側電極１２４及びｐ側電極１２６から注入される電子と正孔の量を調整して変調する従来の方式よりも、格段に変調速度を向上させることができる。 Therefore, light can be modulated in accordance with the electric field generated in the moth-eye structure layer 106, and the conventional method of adjusting and modulating the amount of electrons and holes injected from the n-side electrode 124 and the p-side electrode 126 is used. However, the modulation speed can be remarkably improved.

また、モスアイ構造層１０６に電圧を印加するための一対の電極のうち、一方についてはｎ側電極１２４を利用するようにしたので、ＬＥＤ素子１００に設けられる電極の数を少なくすることができる。尚、ＬＥＤ素子１００の形態に応じて、ｎ側電極１２４でなくｐ側電極１２０を利用してもよいことは勿論であるし、アノード電極及びカソード電極とは別個に屈折率変調用に一対の電極を設けても良い。 Moreover, since the n-side electrode 124 is used for one of the pair of electrodes for applying a voltage to the moth-eye structure layer 106, the number of electrodes provided in the LED element 100 can be reduced. Of course, the p-side electrode 120 may be used instead of the n-side electrode 124 in accordance with the form of the LED element 100, and a pair of refractive index modulators are used separately for the anode electrode and the cathode electrode. An electrode may be provided.

また、モスアイ構造層１０６を、モスアイ構造層１０６よりもシート抵抗の小さな一対の層で挟むようにしたので、モスアイ構造層１０６に確実に電界を生じさせることができる。さらに、本実施形態においては、第１電極層１０４、モスアイ構造層１０６及び第２電極層１０８を、半導体積層部１１９と同じIII属窒化物半導体で構成したので、素子の作製が比較的容易である。 Further, since the moth-eye structure layer 106 is sandwiched between a pair of layers having a sheet resistance smaller than that of the moth-eye structure layer 106, an electric field can be reliably generated in the moth-eye structure layer 106. Furthermore, in the present embodiment, since the first electrode layer 104, the moth-eye structure layer 106, and the second electrode layer 108 are made of the same group III nitride semiconductor as that of the semiconductor stacked portion 119, the device can be manufactured relatively easily. is there.

尚、前記実施形態においては、ｐ側電極１２０が反射面１２２をなすものを示したが、反射面１２２として機能しなかったり、反射面１２２が存在しない場合であっても、モスアイ構造層１０６に生じる電界により、ＬＥＤ素子１００からの光取り出し量が変化する。要は、モスアイ構造層１０６と、モスアイ構造層１０６の材料に電界を生じさせて屈折率を変化させる電界調整部とを備えていればよい。 In the above-described embodiment, the p-side electrode 120 forms the reflective surface 122. However, even if the reflective surface 122 does not function or the reflective surface 122 does not exist, the moth-eye structure layer 106 is not formed. The amount of light extracted from the LED element 100 changes due to the generated electric field. In short, the moth-eye structure layer 106 and an electric field adjusting unit that changes the refractive index by generating an electric field in the material of the moth-eye structure layer 106 may be provided.

また、前記実施形態においては、モスアイ構造層１０６をＡｌＮから形成したものを示したが、例えば図４に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０６ｂとＡｌＮ層１０６ａを交互に積層して形成してもよい。この場合、各ＡｌＮ層１０６ａに生じる電界が強くなるため、モスアイ構造層１０６の屈折率変化を大きくすることができる。尚、光の変調には、ポッケルス効果を利用してモスアイ構造層１０６の屈折率を変えることが好ましいが、ポッケルス効果より屈折率の変化量は小さいものの、カー効果を利用して屈折率を変えることもできる。 In the above-described embodiment, the moth-eye structure layer 106 is formed from AlN. For example, as shown in FIG. 4, n-type GaN layers 106b and AlN layers 106a may be alternately stacked. Good. In this case, since the electric field generated in each AlN layer 106a becomes strong, the refractive index change of the moth-eye structure layer 106 can be increased. For light modulation, it is preferable to change the refractive index of the moth-eye structure layer 106 using the Pockels effect. However, although the amount of change in the refractive index is smaller than the Pockels effect, the refractive index is changed using the Kerr effect. You can also.

また、前記実施形態においては、屈折率変調構造をＬＥＤ素子１００に設けたものを示したが、例えば図５に示すように、活性層１１４等を省略して屈折率変調器２００とすることもできる。この屈折率変調器２００は、屈折率変調器２００を透過する光の変調を行うことができ、例えば、白熱電球等の発光体と組み合わせ使用することで、発光体から発せられる光の変調が可能となる。 In the above embodiment, the LED element 100 is provided with the refractive index modulation structure. However, as shown in FIG. 5, for example, the active layer 114 may be omitted to form the refractive index modulator 200. it can. The refractive index modulator 200 can modulate light transmitted through the refractive index modulator 200. For example, the refractive index modulator 200 can be used in combination with a light emitter such as an incandescent light bulb to modulate light emitted from the light emitter. It becomes.

図６は本発明の第３の実施形態を示すものであり、図６はＬＥＤ素子の模式断面図である。 FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic sectional view of an LED element.

図６に示すように、ＬＥＤ素子３００は、ＳｉＣ基板３０２と、ＳｉＣ基板３０２上に形成される半導体積層部３１９と、を備えている。半導体積層部３１９は、バッファ層３１０、ｎ型ＧａＮ層３１２、多重量子井戸活性層３１４、電子ブロック層３１６、ｐ型ＧａＮ層３１８をＳｉＣ基板３０２側からこの順に有している。ｐ型ＧａＮ層３１８上にはｐ側電極３２０が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ層３１２上にはｎ側電極３２４が形成されている。多重量子井戸活性層３１４から発せられる光が紫外光である点を除いては、半導体積層部３１９、ｐ側電極３２０及びｎ側電極３２４は、第１の実施形態と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。 As shown in FIG. 6, the LED element 300 includes a SiC substrate 302 and a semiconductor stacked portion 319 formed on the SiC substrate 302. The semiconductor stacked unit 319 includes a buffer layer 310, an n-type GaN layer 312, a multiple quantum well active layer 314, an electron block layer 316, and a p-type GaN layer 318 in this order from the SiC substrate 302 side. A p-side electrode 320 is formed on the p-type GaN layer 318, and an n-side electrode 324 is formed on the n-type GaN layer 312. Except that the light emitted from the multiple quantum well active layer 314 is ultraviolet light, the semiconductor stacked portion 319, the p-side electrode 320, and the n-side electrode 324 have the same configuration as in the first embodiment. The description is omitted here.

このＬＥＤ素子３００は、フリップチップ型であり、ＳｉＣ基板３０２の裏面（図５中は上面）から主として光が取り出される。ＳｉＣ基板３０２の裏面には、モスアイ構造層３０６、電極層３０８がこの順に形成される。本実施形態においては、モスアイ構造層３０６は、ＳｉＣ基板３０２について活性層３１４と反対側に設けられている。電極層３０８上には、屈折率変調用のパッド電極３２６が形成される。 This LED element 300 is of a flip chip type, and light is mainly extracted from the back surface (upper surface in FIG. 5) of SiC substrate 302. On the back surface of the SiC substrate 302, a moth-eye structure layer 306 and an electrode layer 308 are formed in this order. In the present embodiment, the moth-eye structure layer 306 is provided on the side opposite to the active layer 314 with respect to the SiC substrate 302. On the electrode layer 308, a pad electrode 326 for refractive index modulation is formed.

ＳｉＣ基板３０２は、Ｎ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣからなり、紫外光により励起されると、ドナー・アクセプタ・ペア発光により、電球色の可視光を発する。ＳｉＣ基板３０２は、例えば、５００ｎｍ〜６５０ｎｍにピークを有する５００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長の光を発する。本実施形態においては、ＳｉＣ基板３０２は、ピーク波長が５８０ｎｍの光を発するよう調整されている。ＳｉＣ基板３０２におけるＢ及びＮのドーピング濃度は、１０^１５／ｃｍ^３〜１０^１９／ｃｍ^３である。ここで、ＳｉＣ基板３０２は、４０８ｎｍ以下の光により励起可能である。 The SiC substrate 302 is made of single crystal 6H-type SiC to which N and B are added. When excited by ultraviolet light, the substrate 302 emits light bulb-colored visible light by donor-acceptor pair emission. The SiC substrate 302 emits light with a wavelength of 500 nm to 750 nm having a peak at 500 nm to 650 nm, for example. In the present embodiment, the SiC substrate 302 is adjusted to emit light having a peak wavelength of 580 nm. The doping concentration of B and N in SiC substrate 302 is 10 ¹⁵ / cm ³ to 10 ¹⁹ / cm ³ . Here, SiC substrate 302 can be excited by light of 408 nm or less.

モスアイ構造層３０６は、ＳｉＣ基板３０２の光取り出し面側に形成され、凸部３０７が周期的に形成される。本実施形態においては、モスアイ構造層３０６は、ＳｉＣ基板３０２に直接設けられていることから、ＳｉＣ基板３０２よりシート抵抗が小さな材料を選択する必要がある。また、モスアイ構造層３０６は、圧電体からなり、例えば、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４：potassium titanyl phosphate）、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３等の可視光に対して透明な材料を用いることが好ましい。各凸部３０７の形状は、円錐、多角錘等の形状とすることができる。本実施形態においては、周期的に配置される各凸部３０７により、光の回折作用を得ることができる。 The moth-eye structure layer 306 is formed on the light extraction surface side of the SiC substrate 302, and the convex portions 307 are periodically formed. In the present embodiment, since the moth-eye structure layer 306 is directly provided on the SiC substrate 302, it is necessary to select a material having a sheet resistance smaller than that of the SiC substrate 302. The moth-eye structure layer 306 is made of a piezoelectric material, and it is preferable to use a material that is transparent to visible light, such as KTP (KTiOPO ₄ : potassium titanyl phosphate), LiNbO ₃ , LiNbO ₃ . The shape of each convex part 307 can be a shape such as a cone or a polygonal pyramid. In the present embodiment, the diffraction effect of light can be obtained by the convex portions 307 arranged periodically.

本実施形態においては、各凸部３０７は、平面視にて、中心が正三角形の頂点の位置となるように、所定の周期で仮想の三角格子の交点に整列して形成される。各凸部３０７の周期は、ＳｉＣ基板３０２から発せられる光の光学波長より大きく、当該光のコヒーレント長より小さくなっている。具体的に、各凸部３０７の周期は、ＳｉＣ基板３０２から発せられる光の光学波長の２倍より大きく、かつ、コヒーレント長の半分以下となっている。 In the present embodiment, each convex portion 307 is formed in alignment with the intersection of the virtual triangular lattice at a predetermined cycle so that the center is the position of the apex of the regular triangle in plan view. The period of each convex part 307 is larger than the optical wavelength of the light emitted from the SiC substrate 302 and smaller than the coherent length of the light. Specifically, the period of each convex portion 307 is greater than twice the optical wavelength of light emitted from the SiC substrate 302 and less than or equal to half the coherent length.

また、モスアイ構造層３０６におけるＳｉＣ基板３０２の反対側の表面には、電極層３０８が全面的に設けられる。電極層３０８は、ＳｉＣ基板３０２から発せられる光に対して透明であることが好ましく、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。尚、電極層３０８は、モスアイ構造層３０６よりもシート抵抗が小さい材料であれば、他の材料を用いてもよい。 An electrode layer 308 is provided on the entire surface of the moth-eye structure layer 306 on the opposite side of the SiC substrate 302. The electrode layer 308 is preferably transparent to light emitted from the SiC substrate 302. For example, ITO (Indium Tin Oxide) can be used. Note that other materials may be used for the electrode layer 308 as long as the sheet resistance is lower than that of the moth-eye structure layer 306.

電極層３０８上には、屈折率調整用のパッド電極３２６が設けられる。パッド電極３２６は、例えばＴｉ／Ａｕから構成することができ、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成される。 A pad electrode 326 for adjusting the refractive index is provided on the electrode layer 308. The pad electrode 326 can be made of, for example, Ti / Au, and is formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like.

以上のように構成されたＬＥＤ素子３００は、ｐ側電極３２０とｎ側電極３２４に順方向の電圧を印加すると、活性層３１４から紫外光が発せられる。紫外光のうち、ｐ側電極３２０側へ向かう光は、反射面３２２にて反射してＳｉＣ基板３０２へ向かう。活性層３１４から発せられた紫外光は、その殆どがＳｉＣ基板３０２へ直接的又は間接的に入射する。 The LED element 300 configured as described above emits ultraviolet light from the active layer 314 when a forward voltage is applied to the p-side electrode 320 and the n-side electrode 324. Of the ultraviolet light, the light traveling toward the p-side electrode 320 is reflected by the reflecting surface 322 and travels toward the SiC substrate 302. Most of the ultraviolet light emitted from the active layer 314 directly or indirectly enters the SiC substrate 302.

ＳｉＣ基板３０２は、紫外光により励起されると、電球色の可視光を発する。そして、ｎ側電極３２４と屈折率変調用電極としてのパッド３２６に電圧を印可して、モスアイ構造層３０６に電界を生じさせると、モスアイ構造層３０６の材料の屈折率が変化する。これにより、ＬＥＤ素子３００の発光時、パッド３２６の電位を変化させて、ＬＥＤ素子３００から取り出される光量を変化させることができる。従って、モスアイ構造層１０６にて生じる電界に応じて光を変調させることができ、ｎ側電極３２４及びｐ側電極３２０から注入される電子と正孔の量を調整して変調する従来の方式よりも、格段に変調速度を向上させることができる。 SiC substrate 302 emits light bulb-colored visible light when excited by ultraviolet light. When a voltage is applied to the n-side electrode 324 and the pad 326 serving as a refractive index modulation electrode to generate an electric field in the moth-eye structure layer 306, the refractive index of the material of the moth-eye structure layer 306 changes. Accordingly, when the LED element 300 emits light, the potential of the pad 326 can be changed to change the amount of light extracted from the LED element 300. Therefore, the light can be modulated according to the electric field generated in the moth-eye structure layer 106, and the conventional method of adjusting and modulating the amount of electrons and holes injected from the n-side electrode 324 and the p-side electrode 320 is used. However, the modulation speed can be remarkably improved.

尚、第２の実施形態においては、ＳｉＣ基板３０２をＮ及びＢが添加された単結晶６Ｈ型ＳｉＣとして電球色を発するようにしたものを示したが、例えばＡｌ、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとして白色光を発するようにしたり、Ｎ及びＢが添加された６Ｈ型ＳｉＣとＮ及びＡｌが添加された６Ｈ型ＳｉＣの２層構造として白色光を発するようにしてもよい。 In the second embodiment, the SiC substrate 302 is shown as a single-crystal 6H type SiC to which N and B are added so as to emit a light bulb color. For example, Al, N and B are added. White light may be emitted as 6H type SiC, or white light may be emitted as a two-layer structure of 6H type SiC to which N and B are added and 6H type SiC to which N and Al are added.

また、第１及び第２の実施形態においては、ＬＥＤ素子１００，３００がフリップチップ型であるものを示したが、フェイスアップ型としてもよいことは勿論である。また、モスアイ構造層１０６，３０６に周期的に凸部１０７，３０７が形成されたものを示したが、周期的に凹部を形成してもよい。また、例えば、凸部又は凹部を角柱状とし、所定の周期で仮想の正方格子の交点に整列して形成してもよい。さらに、凸部又は凹部を三角錐状、四角錐状のような多角錘状としてもよく、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは勿論である。 In the first and second embodiments, the LED elements 100 and 300 are of the flip chip type, but it is needless to say that the LED elements 100 and 300 may be of a face up type. Moreover, although the moth-eye structure layers 106 and 306 are shown in which the convex portions 107 and 307 are periodically formed, the concave portions may be periodically formed. Further, for example, the convex portion or the concave portion may be formed in a prismatic shape and aligned with the intersection of the virtual square lattice at a predetermined period. Furthermore, the convex portion or the concave portion may be a polygonal pyramid shape such as a triangular pyramid shape or a quadrangular pyramid shape, and it is needless to say that a specific detailed structure or the like can be appropriately changed.

１００ＬＥＤ素子
１０２サファイア基板
１０４第１電極層
１０６モスアイ構造層
１０７凸部
１０８第２電極層
１１０バッファ層
１１２ｎ型ＧａＮ層
１１４多重量子井戸活性層
１１６電子ブロック層
１１８ｐ型ＧａＮ層
１１９半導体積層部
１２０ｐ側電極
１２２反射面
１２４ｎ側電極
１２６屈折率変調用電極
２００ＬＥＤ素子
２０５シード結晶層
２０６モスアイ構造層
２０８第２電極層
３００ＬＥＤ素子
３０２ＳｉＣ基板
３０６モスアイ構造層
３０７凸部
３０８第２電極層
３１０バッファ層
３１２ｎ型ＧａＮ層
３１４多重量子井戸活性層
３１６電子ブロック層
３１８ｐ型ＧａＮ層
３２０ｐ側電極
３２４ｎ側電極
３２６パッド電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 LED element 102 Sapphire substrate 104 1st electrode layer 106 Moss eye structure layer 107 Convex part 108 2nd electrode layer 110 Buffer layer 112 n-type GaN layer 114 Multiple quantum well active layer 116 Electron block layer 118 p-type GaN layer 119 Semiconductor laminated part 120 p-side electrode 122 reflecting surface 124 n-side electrode 126 refractive index modulation electrode 200 LED element 205 seed crystal layer 206 moth-eye structure layer 208 second electrode layer 300 LED element 302 SiC substrate 306 moth-eye structure layer 307 convex part 308 second electrode Layer 310 buffer layer 312 n-type GaN layer 314 multiple quantum well active layer 316 electron block layer 318 p-type GaN layer 320 p-side electrode 324 n-side electrode 326 pad electrode

Claims

A moth-eye structure comprising a material having concave or convex portions formed periodically on the surface;
A refractive index modulation structure comprising: an electric field adjusting unit that generates an electric field in the material and changes a refractive index of the material.

2. The refractive index modulation structure according to claim 1, wherein the electric field adjustment unit includes a pair of refractive index changing electrodes for applying a voltage to the material of the moth-eye structure.

The refractive index modulation structure according to claim 2, wherein the material of the moth-eye structure is an isotropic crystal having piezoelectricity.

The refractive index modulation structure according to claim 2 or 3,
An LED element, wherein at least one of the refractive index changing electrodes is an anode electrode or a cathode electrode.

The LED device according to claim 4, wherein the moth-eye structure is interposed between a support substrate and a light emitting layer.

The LED device according to claim 4, wherein the moth-eye structure is provided on the opposite side of the light emitting layer with respect to the support substrate.