JP2011507302A - フォトニック結晶ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

半導体発光ダイオード１、ＬＥＤは、光の生成のために活性領域４の両端に電圧を印加するための第１及び第２電極４０、１１と、光放射面６と、複数のフォトニック結晶１０１、１０２とを有する更に、第１及び第２タイプの少なくとも２つのフォトニック結晶１０１、１０２は、前記活性領域４から光を抽出するよう適合させられ、少なくとも１つの格子定数に関して互いに異なる。前記少なくとも２つのフォトニック結晶１０１、１０２の各々は、各々の遠方場パターンと関連し、前記複数のフォトニック結晶１０１、１０２の配列は、前記少なくとも２つのフォトニック結晶１０１、１０２を配設するよう設けられる。このようにして、前記少なくとも２つのフォトニック結晶１０１、１０２の各々と関連する前記各々の遠方場パターンを組み合わせることによって、遠方場パターンが作成される。

Description

本発明は、フォトニック結晶を有する発光ダイオードに関する。

今日の現代社会においては、可視光を放射する発光ダイオードの使用が、広く普及している。発光ダイオードの用途は、出口標識又は非常用標識などの発光標識、ブレーキ灯などの乗り物用の照明、大きさの大きいビデオディスプレイ用のバックライト照明、及び棚などの家具用の照明システムを含む。しかしながら、一般的な発光ダイオードの放射角度は広いという事実のため、投影光源又は自動車のヘッドライトのような用途に対する発光ダイオードの使用は、あまり急速には増えていない。これらの用途には、非常にコリメートされた光を持つ光源を用いることが望ましい。

多くの発光ダイオード（ＬＥＤ）には、抽出効率が低い、即ち、発光ダイオード（ＬＥＤ）から出る光の量が、ＬＥＤにおいて生成される光と比べて、少ないという欠点がある。ＬＥＤによくある問題は、ＬＥＤ材料における光の全内部反射により、光がＬＥＤ内に閉じ込められ、従って、ＬＥＤから光が出ないことである。全内部反射の原因の１つは、発光材料と空気との間で屈折率において大きな差があることである。ＬＥＤ内に閉じ込められた光は、最終的には、吸収され、失われるであろう。全内部反射によって閉じ込められる光の量を減らすため、抽出効率を高める方法が提案されている。前記方法は、ＬＥＤの光放射面に粗くした領域を設けることによって改善された抽出効率を達成している。その上、ＬＥＤ材料に周期的な構造を設けることによって、抽出効率の更なる改善が達成されている。周期的な構造の例は、フォトニック結晶（ＰＣ）である。ＬＥＤの活性領域の近くにフォトニック結晶を配設することによって、抽出効率の改善が達成される。フォトニック結晶は、或る角度において光を回折させるギャップ（又は空隙）を形成する。理論上のモデル化の目的のため、ＬＥＤの光の放射（照射野）は、フォトニック結晶構造及び活性層の近くの電場を含む近接場と、ＬＥＤから（より遠く離れて）観察される実際の光の放射に対応する遠方場とに分けられる。フォトニック結晶構造を持つ多くの発光ダイオードの問題は、ＬＥＤの遠方場放射が、より明るい及び／又はより暗い斑点、点又は同様のものの規則的なパターンを示すことである。

米国特許出願公開第2005/0173714 A1号には、固体照明システムのエピタキシャル構造が開示されている。前記固体照明システムは、層に注入される電流に応じて光を放射する活性層と、前記活性層に隣接する第１構造であって、前記構造及び前記活性層が、前記活性層によって生成された前記光を閉じ込め、前記光を前記活性層に対して平行に案内するよう配設される第１構造と、前記第１構造によって閉じ込められている前記光の抽出を目的とする案内層の上に配設される第２構造であって、異なるパラメータを備える複数のフォトニック結晶アレイを有する第２構造とを有する。更に、各照明システム内には多くのフォトニック結晶セルがある。或る実施例によれば、チップ内の電極及びフォトニック結晶セルの幾何学的形状が、正方形セルの形で構成される。各セルは、不透明であり、光の抽出のためのフォトニック結晶を有する電極を持つ。米国特許出願公開第2005/0173714 A1号に開示されている固体照明システムの目的は、改善された抽出効率を提供することである。

このタイプの固体照明システムにおいては、前記照明システムの表面にわたってフォトニック結晶セルが繰り返される。このような固体照明システムの不利な点は、複数のフォトニック結晶セルから放射する、組み合わされた遠方場パターンが、一様ではないおそれがあること、即ち、前記遠方場パターンが、明るい斑点、点、円又は同様のものを有し得ることである。

本発明の目的は、従来技術の上記の問題のうちの少なくとも幾つかを軽減することである。

この目的は、独立請求項１に記載されているような発光ダイオードによって達成される。具体的な実施例は、従属請求項において規定されている。

本発明の或る態様によれば、活性領域の両端に電圧を印加するための第１及び第２電極を有する半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が提供される。前記活性領域は、光の生成のために第１タイプの半導体層及び第２タイプの半導体層の間に配置される。前記ＬＥＤは、前記光を放射するための光放射面と、前記活性領域及び前記光放射面の間に配置される複数のフォトニック結晶とを更に有する。前記複数のフォトニック結晶の中から選択される第１及び第２タイプの少なくとも２つのフォトニック結晶は、前記活性領域から光を抽出するよう適合させられ、少なくとも１つの格子定数に関して互いに異なる。前記少なくとも２つのフォトニック結晶の各々が、各々の遠方場パターンと関連する。更に、前記複数のフォトニック結晶の配列は、前記少なくとも２つのフォトニック結晶の各々と関連する前記各々の遠方場パターンを組み合わせることによって、前記ＬＥＤにおいて生成される前記光からの遠方場パターン全体が作成されるように、前記少なくとも２つのフォトニック結晶を配設するよう設けられる。

本発明のアイデアは、サブ領域に分けられる光放射領域を持つ発光ダイオードを提供することである。前記サブ領域の少なくとも幾つかには、異なるフォトニック結晶（ＰＣ）が設けられ、前記フォトニック結晶は、（更に下で説明するように、格子タイプ、格子ピッチ、充填率及び格子の向きを含む）それらの各々の格子定数の少なくとも１つが互いに異なるという点で、異なる。前記サブ領域は、各光源が異なる放射パターン（又は照射野）を持つ多くの異なる光源の役割を果たす。前記遠方場においては、各対応する光源（即ち、フォトニック結晶）と関連する前記異なる放射パターンは、例えば、同一のフォトニック結晶を備えるＬＥＤから出る遠方場と比べて改善された一様性を持ち得る、又は改善された対称性を備えるコリメートされた光放射を持ち得る、１つのパターンに組み合わされる

他の表現を用いると、本発明による発光ダイオードの基礎を形成する原理は、少なくとも２つの異なるタイプのフォトニック結晶を有するＬＥＤを提供することである。少なくとも１つの格子定数に関して互いに異なる２つのフォトニック結晶は、異なるタイプのものであるとみなされる。前記異なるタイプのフォトニック結晶は、前記ＬＥＤから放射される光の遠方場パターン全体が、前記異なるタイプのフォトニック結晶と関連する個々の遠方場パターンの各々より一様であるような、フォトニック結晶の配列を形成する。このようにして、以下では前記遠方場パターンのむらと呼ぶ、より暗い及び／又はより明るい斑点、点及び／又は同様のものからの影響は減らされる。ＰＣを備える従来技術のＬＥＤにおける遠方場パターンのむらは、前記フォトニック結晶における空隙（孔）の規則的な分布に起因することが分かった。更に、前記むらが前記フォトニック結晶のパターンにおける対称性に対応することに気づかれるだろう。従って、本願の開示において記載されているように前記ＰＣにおける前記孔の分布の規則性を壊すことが望ましい。

従って、本発明による発光ダイオードの有利な効果は、前記発光ダイオードが、光放射であって、前記光放射の遠方場放射パターンが、１つのタイプのフォトニック結晶しか持たないものと比べて、改善された一様性を持ち得る、又はより少ない斑点（むら）しか示さない光放射を供給することである。

他の利点は、一定数の最適化されたフォトニック結晶で、任意の特定の用途に必要とされるような多くの異なる遠方場放射パターンが設計され得ることである。異なる設計は、前記ＬＥＤの前記フォトニック結晶の異なる配列を選択すること、即ち、前記フォトニック結晶の位置が変えられるによって得られ得る。例えば、バックライト用途のためには、ＬＥＤの垂線に対して６０°と８０°との間の放射の大きさを持つＬＥＤを提供することが望ましい。

前記フォトニック結晶は、前記光放射面に最も近い半導体層の一部として形成され得ることに注意されたい。前記フォトニック結晶層は、前記光放射面から、前記光放射面に最も近い前述の半導体層を通って延在してもよく、場合により、前記活性領域も通って延在してもよい。更に、前記フォトニック結晶層は、前記ＬＥＤの前記光放射面と比べて、前記活性領域の反対側にある半導体層内へ延在してもよい。しかしながら、前記フォトニック結晶は、前記光放射面に最も近い前記半導体層とは異なる別個の層に形成されてもよい。一般に、フォトニック結晶は、孔、柱及び／又は同様のものの格子を有する。以下（及び上記）において、孔と述べているものは、孔及び／又は柱及び／又は同様のものと解釈されるべきである。

前記フォトニック結晶は、幾つかの実施例においては、フォトニック準結晶を含み得る。加えて、他の実施例においては、前記ＬＥＤの前記光放射面は、前記ＬＥＤの前記光放射面を粗くするための手段を更に含み得る。この方法においては、前記光放射面を粗くするための手段は、フォトニック結晶を具備する領域と、フォトニック結晶を具備しない領域との間のコントラストを減らす一様なバックグラウンド放射を供給する。

本発明によるＬＥＤの実施例においては、前記フォトニック結晶の配列は、前記異なるフォトニック結晶を、ランダムなようにして配設する（位置づける又は設置する）のが好ましい。前記配列は、加えて又は他の例においては、前記異なるフォトニック結晶を、（少なくとも１つの格子定数に関して）変化するようにして配設し得る。例えば、前記ＬＥＤによって放射される光の遠方場パターンの一様性が改善されるように、或るフォトニック結晶から別の（隣接する）フォトニック結晶へ、一次関数（又は任意のタイプ及び／若しくは次数の関数）に従って、格子定数が変えられ得る。更に、前記フォトニック結晶の配列は、加えて又は他の例においては、前記異なるタイプのフォトニック結晶を、前記光放射面内に（より詳しくは、前記活性領域と前記光放射面との間の前記半導体層内に）、非周期的に配設し得る。それによって、前記異なるフォトニック結晶からの組み合わされた遠方場パターンは、改善される、即ち、斑点又は同様のものが少なくなる、又は減らされる。

本発明によるＬＥＤの実施例においては、前記配列は、上記の少なくとも２つの異なるタイプのフォトニック結晶を、前記光放射面内に、不規則なようにして位置づけるよう配設される。従って、高められた一様性を持つ、前記ＬＥＤから放射される光の全体的な遠方場パターンは、フォトニック結晶と関連する遠方場パターンのむら（より明るい又はより暗い、斑点又は点又は円）が、別のフォトニック結晶と関連する別の遠方場パターンのむら（より明るい又はより暗い、斑点又は点又は円）に対して異なる位置に生じるようにして（又は異なる表現をすれば、関連するフォトニック結晶の前記遠方場パターンが、好ましくは、それらの各々の空間的延在部に対して少なくとも部分的に一致しないようにして）、関連する前記異なるフォトニック結晶の異なる前記遠方場パターンが、相互に作用するように、前記異なるフォトニック結晶を、前記光放射面（光放射領域）内に、好ましくは上記のように不規則に、配設することによって得られ得ることが分かった。更に換言すれば、関連するフォトニック結晶の前記遠方場パターンは、好ましくは、互いと位相が少なくともわずかに一致しないであろう。

本発明によるＬＥＤの更に他の実施例においては、前記異なるタイプのフォトニック結晶を、規則的なようにして位置づける（配設する又は設置する）ことが望ましいかもしれない。特に、前記フォトニック結晶からの前記遠方場パターン内の前記より明るい及び／又はより暗い斑点は、特定の範囲内の立体角内に放射力を供給するように、十分に重なり合わなければならない。例えば、六方格子及び三角格子などの異なる格子タイプのフォトニック結晶を用いる場合、前記遠方場パターン内の前記斑点は、重なり合い、それによって、遠方場パターンがより少ない且つ／又はより目立たない（ぼけた）むら（斑点など）を備えるようにし得る。

更に、前記格子定数は、格子の向き、格子ピッチ、格子タイプ若しくは充填率のうちの１つ、又はそれらの組み合わせであり得る。「格子定数」という用語は、格子の向きを含むこと、即ち、２つのフォトニック結晶が、異なる向きになっている場合には、前記２つのフォトニック結晶が、同じピッチ、充填率及び格子タイプを持つ場合であっても、前記２つのフォトニック結晶は、異なる（又は異なるタイプである）とみなされることに注意されたい。例えば、前記フォトニック結晶は、同じ若しくは同様の短距離秩序を持つかもしれないが、わずかに異なるピッチを持つかもしれず、又は同じ若しくは同様のピッチを持つかもしれないが、異なる充填率を持つかもしれない。更に、前記フォトニック結晶は、同じ（又は同様の）ピッチ及び形状を持つかもしれないが、前記格子タイプが異なる、即ち、六方構造が三角（又は立方）格子構造と異なるという点で異なるかもしれない。前記フォトニック結晶の幾つかは同じ格子定数を持ち得ること、即ち、前記ＬＥＤの前記フォトニック結晶の全てが少なくとも１つの異なる格子定数を持つことは必要とされないことは分かるであろう。

「充填率」という用語は、孔、柱又は同様のものなどの前記フォトニック結晶の構成要素の寸法を指し、即ち、前記孔の直径が、フォトニック結晶によって異なり、ピッチのような他の定数は一定に保たれることを指すことを理解されたい。一般に、前記孔（又は柱）の直径は、可視光の場合は、30nm乃至700nmの範囲内である。

フォトニック結晶の前記ピッチ（又は格子定数）は、前記フォトニック結晶格子内の、孔（又は柱若しくは同様のもの）の中心から隣接する孔の中心までの距離と規定される。可視光の場合は、この距離は、一般に、80nm乃至800nmの範囲内である。一般に、最適なピッチ（又は格子ピッチ）は、放射される光の波長とともに増大する。

本発明によるＬＥＤの実施例においては、前記ＬＥＤの前記ピッチ及び前記充填率は、半導体材料内の孔（又は柱間のギャップ）に、材料であって、前記材料の屈折率が空気及び前記半導体材料の屈折率と異なる材料を充填することによって変えられ得る。例えば、（多孔質）シリカ、酸化タンタル、酸化ジルコニウム及び酸化チタンが用いられ得る。前記孔の中の屈折率を大きくすることによって、前記フォトニック結晶の前記ピッチ及び充填率は大きくなる。

上記の格子タイプは、六方構造、三角構造及び立方構造のうちの少なくとも１つを含み得る。当業界では、多くのタイプの結晶構造が知られており、本発明の実施例によるＬＥＤにおいては全てが用いられ得る。上記の低次構造（六方構造など）は、本発明の範囲をこれらのタイプに限定することを目的とするものではない。あらゆる低次構造が用いられ得る。ヒマワリの構造などの高次構造、又は様々なタイプのアルキメデスタイリングも用いられ得る。ランダムな結晶構造でさえ利用可能であり得る。好ましくは、前記格子タイプは、非回転対称遠方場パターンを供給する。一例は、ヒマワリの螺旋構造のような準結晶である。これらは、ビーマー、ＬＣＤバックライト及び自動車の前灯のような用途に適している。しかしながら、幾つかの実施例においては、回転対称遠方場パターンを持つことが好ましいことは分かるであろう。スポットライトのような用途の場合そうである。

本発明によるＬＥＤの他の実施例においては、前記サブ領域の大きさ及び形状（寸法）、即ち、前記フォトニック結晶の形状は、任意に選ばれ得る。特に、サブ領域（又はフォトニック結晶）の最小寸法は、特定のフォトニック結晶の相互作用長に依存する。好ましくは、前記サブ領域の形状は、矩形、三角形、立方体の形状又はそれらの組み合わせのような多角形の形状であり得る。最も好ましくは、前記サブ領域は、同じ形状をしている。一般に、前記サブ領域は、製造プロセスを容易にするために、正方形の形状である。

本発明によるＬＥＤの他の実施例においては、前記第１タイプの半導体層は、Ｎ型半導体層であり、前記第２タイプの半導体層は、Ｐ型半導体層である。有利なことには、Ｎ型材料は、通常、Ｐ型半導体材料より優れた電流導体であることから、電流が前記活性領域全体に広がることが達成され、従って、光を生成するのに、前記活性領域全体が用いられることができ、光を抽出するのに上部の前記光放射面全体が用いられることができる。

更に、前記Ｎ型層は、前記ＬＥＤの前記活性領域と前記光放射面との間に配置され、前記Ｐ型層は、前記Ｎ型層と比べて、前記活性領域の反対側に配置される。

あるいは、本発明によるＬＥＤの実施例においては、前記第１タイプの半導体層は、Ｐ型半導体層であり、前記第２タイプの半導体層は、Ｎ型半導体層である。

更に、前記フォトニック結晶は、フォトニック結晶を備える前記ＬＥＤの前記光放射面の少なくとも一部を連続して覆うために互いに隣接して配設される。有利なことには、この方法においては、前記フォトニック結晶の作用が最大化される。前記フォトニック結晶を利用することは、抽出の増大、並びにビーム形状及びコリメート効率の改善に寄与する。

本発明によるＬＥＤの他の実施例においては、前記第２電極は、前記光放射面と比べて、前記活性領域の反対側に配置されるサブ電極を有する。第１及び第２サブ電極は、各々、前記第１及び第２タイプの各々のフォトニック結晶と関連する。更に、前記第１及び第２サブ電極は、前記第１及び第２サブ電極の各々に各々の電圧を印加することによって個々に制御可能であり、それによって、前記ＬＥＤの前記遠方場パターンは、前記第１タイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンと、前記第２タイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンとの間の違いにより、動的に制御可能である。この方法においては、多数の活性サブ領域（又はサブ「活性領域」）が作成される。これらの活性サブ領域は、それらに電圧を印加することによって活性化され得る。その結果として、異なるサブ電極を選択する（活性化する）ことによって、前記活性領域の異なる部分が活性化され得る。有利なことには、前記ＬＥＤは、（ハードウェア変更を全く必要とせずに）動的に、様々なタイプのビーム形状（遠方場パターン）、例えば、読み出しのための（コリメート光を備える）或るタイプのビーム形状及びテレビを見るための（幅広い放射を備える）別のタイプのビーム形状を供給し得る。幾つかのビーム形状は、如何なる光も前記ＬＥＤに対する垂線の方向には向けずに、完全に側部の方へ向け得る。

より詳しくは、前記サブ電極は、各々のフォトニック結晶と関連し得る。前記サブ電極の大きさ及び形状を、前記各々のフォトニック結晶の大きさ及び形状とマッチさせることが好ましい。この方法においては、前記遠方場放射のより容易で、より予測可能な制御が供給され得る。前記電極の幾つかは、前記ＬＥＤの、フォトニック結晶を含まない表面領域と関連してもよく、表面領域は、均一な放射パターンを得るために粗くするような他の技術によって処理されていてもよいことに注意されたい。

従って、本発明の上記の実施例によれば、前記電極のうちの１つが、サブ電極に分けられ、各サブ電極が、前記サブ電極の各々に電圧を印加することによって個々に制御可能であるＬＥＤが提供される。この実施例の利点は、前記ＬＥＤから放射される光の輝度分布（明るさ）が、異なるサブ電極に対して異なる電圧（電圧を全く印加しないことも、あり得る選択肢である）を選択することによって、制御され得ることである。

更に、前記活性領域からの伝熱が改善され得る。これは、例えば、前記活性領域全体のうちの、光を生成する部分だけを活性化することによって得られ得る。光が生成される部分は、活性部位と呼ばれてもよく、前記活性領域のうちの、光を生成していない部分は、不活性化部位と呼ばれてもよい（関連サブ電極は非導通状態にされている）。前記活性部位が光を放射するよう駆動される場合、前記活性部位は熱も生成する。この熱は、周囲の不活性化部位において放散され得る。従って、前記周囲の不活性化部位は、局所的な熱放散を供給する。この方法においては、前記サブ電極が全てアドレス指定され、局所的な熱放散を供給する不活性化部位がない場合と比べて、印加される活性化部位を流れる電流が、より大きくされ得る。

本発明によるＬＥＤの更に他の実施例においては、前記光放射面と比べて、前記活性領域の反対側に配置される前記第１タイプの半導体層が、サブ素子に分けられ、各サブ素子が、対応するサブ電極と関連する。有利なことには、光の生成のための前記活性領域間の分離の改善が達成される。

本発明の様々な特徴が、添付の独立請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱せずに、以下に記載されている実施例以外の実施例を作成するよう組み合わされ得ることは、当業者には分かるであろう。

非限定的な例として示されている以下の本発明の実施例の詳細な説明及び添付の図面から、本発明の様々な態様が容易に理解されるであろう。

本発明の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。 各々のタイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンを示す。 各々のタイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンを示す。 図２ａ及び２ｂに示されているような異なるタイプのフォトニック結晶を持つ領域から生じる異なる遠方場間の干渉を図示する。 少なくとも１つの格子定数に関して異なっているフォトニック結晶を示す。 少なくとも１つの格子定数に関して異なっているフォトニック結晶を示す。 図２ｄ及び２ｅに示されているような異なるタイプのフォトニック結晶を持つ領域から生じる異なる遠方場間の干渉を図示する。 本発明の別の実施例による発光ダイオードの上部平面図を示す。 本発明の他の実施例による発光ダイオードの上部平面図を示す。 本発明の更に別の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。 本発明の更に他の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。 本発明の実施例による発光ダイオードの断面図を示す。

以下の図においては、適用可能な場合は記載全体を通じて、同様の参照符号は、同様のパーツ又は特徴のために用いられている。

図１には、本発明の実施例による例示的な発光ダイオード１（ＬＥＤ）が示されている。ＬＥＤ１は、エピタキシャル層２１、３０の半導体スタックを有する。この特定の例においては、半導体スタックは、全体的な厚さが400nmであり、GaNから製造される。スタックは、（図１によれば底部から頂部へ）第１電極４０と、第１電極４０に関連したＰ型半導体層３０と、活性領域４と、Ｎ型層２１と、Ｎ型層２１に関連した第２電極１１（又は電極配置）と、光放射領域（光放射面）６とを有する。フォトニック結晶１０１、１０２は、Ｎ型層２１における孔として形成される。フォトニック結晶層１０１、１０２の厚さは、活性領域（量子井戸）及び／又はＰ型層内へ延在するように大きくされ得る。この例においては、Ｎ型層２１におけるフォトニック結晶タイプ１０１のための孔の大きさ（直径）は、ほぼ100nmであり、孔の深さは、250nmである。タイプ１０１のフォトニック結晶の格子ピッチは470nmである。Ｎ型層２１における他のタイプのフォトニック結晶１０２のための孔の大きさ（直径）は、120nmであり、孔の深さは、250nmである。タイプ１０１のフォトニック結晶の格子ピッチは490nmである。フォトニック結晶１０１、１０２の格子タイプは、六方格子タイプである（格子タイプは、他の例の場合は、異なり得る）。フォトニック結晶の領域は、六角形の形をしており、直径においてほぼ50μmの直径を持つ（図示せず）。図示されてはいないが、図１のＬＥＤにおけるフォトニック結晶領域の数は、通常、1mm²の光放射面に対して50乃至2500個の範囲内である。

図１のＬＥＤの動作時には、第１電極４０と第２電極１１とにおいて２つの異なる電位レベルを設定することによって、活性領域４の両端に電圧が印加される。このようにして、活性領域４は、光を生成し、前記光は、ＬＥＤ１の光放射面６を通して放射される。

図２ａ乃至２ｆは、異なるタイプのフォトニック結晶を有する領域からの異なる遠方場が、どのように全部合わさって（干渉して又は組み合わさって）、ＬＥＤ全体から放射される光からもたらされる遠方場全体の一様性の改善になるのかを図示している。

図２ａ及び２ｂには、各パターンが各々のタイプのフォトニック結晶に対応する２つの異なる遠方場パターンが示されている。-90、0及び90という表示は、各々、図２ａ及び図２ｂの半円の中心に配置されるＬＥＤの垂直軸からの角度を指す。図２ａの遠方場パターンは、半円の中心から出ている線によって示されているように、遠方場パターンの周辺部に近ければ近いほど明るく、図２ｂの遠方場パターンは、同様に、別の半円の中心から出ている線によって示されているように、遠方場パターンの中心の近くでより明るい。

図２ａ及び２ｂの遠方場パターンは、各々、図２ｄ及び図２ｅに示されている各々のタイプのフォトニック結晶と関連する。この例においては、フォトニック結晶は、格子タイプに関して互いに異なる。図２ｄのフォトニック結晶は、三角格子タイプ（構造）で形成され、図２ｅのフォトニック結晶は、六方格子タイプで形成される。格子のタイプ、ピッチ又は充填率の他の組み合わせも可能である。

図２ｆには、図２ｄ及び２ｅに図示されているフォトニック結晶を有するＬＥＤが示されている。図２ｄに図示されているように、少なくとも幾つかのフォトニック結晶の向きは異なる。理解しやすいように、２つのタイプのフォトニック結晶しか示されていないが、一様性が高められた遠方場パターンを得るためには、３つ以上のタイプのフォトニック結晶を用いるのが好ましい。必要とされるフォトニック結晶のタイプの正確な数は、用途及び遠方場の必要とされる一様性に依存する。多くの用途の場合、必要とされる遠方場放射を得るのには、５乃至１５個の異なるフォトニック結晶で十分であろう。

図２ｃには、図２ｆによるＬＥＤによって放射される光からもたらされる遠方場パターンが示されている。図２ｄのフォトニック結晶の遠方場パターン及び図２ｅのフォトニック結晶の遠方場パターンが、図２ａ及び図２ｂに示されている個々の遠方場パターンより一様である遠方場パターンを一緒に生成することが見られ得る。異なる遠方場パターンのより明るい領域は一致せず、即ち、これらのパターンのより明るい領域は、重なり合わない、又は位相が一致しない。遠方場において異なる放射パターンを生成する前記領域の位置に起因する、ＬＥＤの、取り入れられる改善された全体的な遠方場パターンは、個々のフォトニック結晶の位置から切り離されていることを理解されたい。従って、ＬＥＤの全体的な遠方場パターンにおいては、ＬＥＤのフォトニック結晶の個々の特性は示されない。

図３を参照すれば、本発明の実施例による発光ダイオード１の上部平面図が示されている。光放射面は、幾つかのサブセグメント６１、６２、６３、６４に分けられ、各サブセグメントは、対応するサブセグメントを完全に覆うフォトニック結晶１０３、１０４、１０５、１０６を有する。理解しやすいように、参照符号は、全てのサブセグメント及び全てのフォトニック結晶には割り当てられていない。ほぼ1mm²の光放射面６の場合、光放射面６をほぼ100乃至2500個のサブセグメントに分けるのが好ましい。より大きい光放射面の場合、サブセグメントの数は増え得る。異なるサブセグメントのフォトニック結晶は、異なる特性（格子定数）を持つ。例えば、小さな点を有するサブセグメント（又は領域）は、或る直径の孔（又は柱）を備えるフォトニック結晶を示し、小さな円を有するサブセグメントは、別の或る直径の孔（又は柱）、即ち、異なる充填率を備えるフォトニック結晶を示す。更に、垂直に線を引いた領域は、特定の向きを持つフォトニック結晶を示し、他の方向に線を引いた領域は、別の特定の向きを持つフォトニック結晶を示す。図３においては、特定のパターンを持つサブセグメントによって全てのフォトニック結晶は図示されていないが、全てのサブセグメントがフォトニック結晶を具備することを理解されたい。異なるフォトニック結晶は、隣接するフォトニック結晶の遠方場パターンが、光放射面６内の（又はより詳しくは、Ｎ型層内の）フォトニック結晶の全てからの全体的な遠方場パターンの一様性を改善するように、変化するようにして配設される。

別の実施例においては、異なるフォトニック結晶は、その隣接するものに対して回転される（フォトニック結晶の他の格子定数は、全て、同じである）。これは、遠方場パターンが回転非対称性を呈する、即ち、遠方場パターンが、例えば、遠方場パターンの中心と中心を合わせた同心円を含まない場合にのみ可能である。しかしながら、遠方場パターンが六角形である場合には、前記遠方場パターンは回転前の外観と一致するように回転され得る。即ち、その特定の遠方場パターンに対して回転対称角度が存在する。このような遠方場パターンの場合は、回転の角度が上記の回転対称角度と異なるように回転の角度を選択することが重要である。

図４に示されているようなＬＥＤ１によれば、フォトニック結晶を有する異なるサブセグメント１０１、１０２は、互いに間隔を置いて配置される。フォトニック結晶の間には領域２００が形成される。領域２００からは光が放射され得る。領域２００は、可能な限り小さい、又は（図３のように）存在すらしないことが好ましい。図４においては、異なるサブセグメント１０１、１０２は、正方形の形をしているが、三角形又は六角形のような他の形状も用いることが可能であり得る。或る程度ランダムな多角形の形状のフォトニック結晶を用いることでさえ可能である。更に、図４においては、フォトニック結晶１０１、１０２間に配置される、粗くした領域Ｒが示されている。前記フォトニック結晶１０１、１０２は、少なくとも１つの格子定数に関して、互いに異なる。

ここで、図５を参照すれば、本発光ダイオード１の他の例示的な実施例が図示されている。発光ダイオード１の断面図は、（理解しやすいように、幾つかの構成要素を省き、頂部から底部へ）本発明の実施例による発光ダイオードの構成要素、即ち、ＰＣ１０１、１０２、１０３を含むＮ型層２１、Ｐ型層３０及び活性領域４を示している。この例においては、Ｎ型層がＰＣを有しているが、フォトニック結晶層は、活性領域内へ延在してもよく、場合により、Ｐ型層内へも延在してもよいことに注意されたい。更に、ＬＥＤ１は、水平方向に多数のサブ電極４１乃至４５に分けられる電極層を有する。換言すれば、底部の反射電極層は、非導電性バリア５１によって切り離される多数のサブ電極層４１、４２、４３、４４、４５に分けられる。この例においては、本質的に、Ｎ型層の全深さを、フォトニック結晶１０１、１０２及び１０３を作成する孔及び柱のために用いるのが好ましい。従って、フォトニック結晶層は、可能な限りＮ型層内へ延在するのが好ましい。ほとんどの用途の場合、厚さが１マイクロメートル未満のＮ型層が、ほぼ同じ深さのフォトニック結晶構造を含むのが、望ましい。バリア５１は、底部サブ電極４１乃至４５からＰ型層３０まで延在し、底部サブ電極４１乃至４５は含むが、Ｐ型層３０は含まない。サブ電極４１乃至４５は、活性領域の異なる部分の活性化のために個々に制御可能である。従って、活性領域の異なる部分が活性化される場合、異なるフォトニック結晶構造が活性化されるであろう。このようにして、ＬＥＤ１全体の遠方場パターンは、動的に制御され得る。

本発明によるＬＥＤ１の他の例においては、図６に示されているように、フォトニック結晶は、サブ電極４１乃至４５の大きさ及び形状にマッチする大きさ及び形状を持つ。更に、フォトニック結晶は、各フォトニック結晶が、マッチするサブ電極に対応するように位置合わせされる。対応する活性領域部を持つ各サブ電極は個々に活性化され得ることから、遠方場パターンの制御は高められる。

図７を参照すれば、本発明によるＬＥＤ１の他の実施例が図示されている。この例は、図６に示されているＬＥＤと同様のものであって、更に、Ｐ型層を、Ｐ型層のサブ領域に分離したものである。サブ電極４１乃至４５からＰ型層内に広がる電流は非常に限られるが、Ｐ型層を以下のようにサブ領域に分けることによって、活性領域の分離を改善することが可能である。ＬＥＤ１は、水平方向に多数のサブ領域３１乃至３５に分けられるＰ型層を更に有する。換言すると、Ｐ型層は、非導電性バリア５１によって切り離される多数のサブＰ型層３１、３２、３３、３４、３５に分けられる。バリア５１は、底部電極から活性領域４まで延在し、底部電極は含むが、活性領域４は含まない。サブ電極４１乃至４５（及びＰ型層の対応するサブ領域）は、活性領域の異なる部分の活性化のために個々に制御可能である。先の実施例のように、活性領域の異なる部分が活性化される場合、異なるフォトニック結晶構造が活性化されるであろう。それによって、ＬＥＤ１全体の遠方場パターンは、動的に制御され得る。サブ電極構成の他の例においては、サブ電極は、例えば、３つのグループにグループ分けされ得る。前記グループは、サブ電極及びそれらの対応するフォトニック結晶の各々のグループと関連する遠方場パターンを選択するために個々に制御可能である。本発明を、本発明の特定の例に関して、説明したが、当業者には、多くの異なる変形例、修正例などが明らかになるであろう。それ故、上記の例は、添付の請求項によって規定される本発明の範囲を限定することを目的とするものではない。

Claims (14)

1. 光の生成のために第１タイプの半導体層及び第２タイプの半導体層の間に配置される活性領域の両端に電圧を印加するための第１及び第２電極と、前記光を放射するための光放射面と、前記光放射面及び前記活性領域の間に配置される複数のフォトニック結晶とを有する半導体発光ダイオードであって、前記複数のフォトニック結晶の中から選択される第１及び第２タイプの少なくとも２つのフォトニック結晶が、前記活性領域から光を抽出するよう適合させられ、少なくとも１つの格子定数に関して互いに異なり、前記少なくとも２つのフォトニック結晶の各々が、各々の遠方場パターンと関連し、前記複数のフォトニック結晶の配列が、前記少なくとも２つのフォトニック結晶の各々と関連する前記各々の遠方場パターンを組み合わせることによって、前記発光ダイオードにおいて生成される前記光からの遠方場パターンが作成されるように、前記少なくとも２つのフォトニック結晶を配設するよう設けられることを特徴とする半導体発光ダイオード。
2. 前記少なくとも２つのフォトニック結晶の各々と関連する前記各々の遠方場パターンのむらが、少なくとも部分的に、重なり合わないようにして、前記少なくとも２つのフォトニック結晶を位置づけるよう、前記配列が配設される請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記少なくとも１つの格子定数が、格子の向き、格子ピッチ、格子タイプ若しくは充填率のうちの１つ、又はそれらの組み合わせである請求項１乃至２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
4. 前記格子タイプが、六方構造、三角構造、立方構造、ヒマワリの構造又はアルキメデスタイリングのうちの少なくとも１つを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
5. 前記第１タイプの半導体層が、前記活性領域と前記光放射面との間に配置されるＮ型半導体層であり、前記第２タイプの半導体層が、前記第１タイプの半導体層と比べて、前記活性領域の反対側に配置されるＰ型半導体層である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
6. 前記第１タイプの半導体層が、前記活性領域と前記光放射面との間に配置されるＰ型半導体層であり、前記第２タイプの半導体層が、前記第１タイプの半導体層と比べて、前記活性領域の反対側に配置されるＮ型半導体層である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
7. 前記フォトニック結晶が、フォトニック準結晶を含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
8. 前記発光ダイオードの前記光放射面が、粗くした領域を含む請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
9. 前記フォトニック結晶が、フォトニック結晶を備える前記発光ダイオードの前記光放射面の少なくとも一部を連続して覆うために互いに隣接して配設される請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
10. 前記第２電極が、前記光放射面と比べて、前記活性領域の反対側に配置されるサブ電極を有し、第１及び第２サブ電極が、各々、前記第１及び第２タイプの各々のフォトニック結晶と関連し、前記第１及び第２サブ電極が、前記第１及び第２サブ電極の各々に各々の電圧を印加することによって個々に制御可能であり、それによって、前記発光ダイオードの前記遠方場パターンが、前記第１タイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンと、前記第２タイプのフォトニック結晶からの遠方場パターンとの間の違いにより、動的に制御可能である請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
11. 前記サブ電極の大きさ及び形状が、前記各々のフォトニック結晶の大きさ及び形状にマッチする請求項１０に記載の発光ダイオード。
12. 各サブ電極が、前記各々のフォトニック結晶と位置合わせされる請求項１０乃至１１のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
13. 前記光放射面と比べて、前記活性領域の反対側に配置される前記第２タイプの半導体層が、サブ素子に分けられ、各サブ素子が、対応するサブ電極と関連する請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
14. 前記光放射面が、マイクロレンズ、色付きの領域、発光材料で覆われる領域又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを有する請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の発光ダイオード。

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