JP2012253288A

JP2012253288A - 発光素子

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Publication number: JP2012253288A
Application number: JP2011126780A
Authority: JP
Inventors: Hideo Iwase; 秀夫岩瀬
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP5822543B2; US20120305968A1

Abstract

【課題】複数の欠陥キャビティが配列されたフォトニック結晶を用いた場合でも、モードの共振周波数の分布を抑え、発光高度の増強を高効率で行うことが可能となる発光素子を提供する。
【解決手段】活性層と、周期的な屈折率分布中に該周期的な屈折率分布を乱す欠陥部分が導入されて構成されたフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、を有し、
前記フォトニック結晶層の欠陥部分を欠陥キャビティとして利用する発光素子であって、
前記フォトニック結晶層は、前記欠陥キャビティが複数配列された構成を備え、
前記複数配列された欠陥キャビティは、それぞれの欠陥キャビティが長さの異なる長手軸と短手軸とを有し、隣り合う欠陥キャビティの間で前記長手軸が異なる方向を向いた構成とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子に関し、特に複数の欠陥キャビティが形成されたフォトニック結晶を使用して輝度を向上させた発光素子に関する。

近年、発光素子の輝度を、フォトニック結晶の欠陥キャビティを利用して向上させる研究が盛んに行われている。
キャビティ内に閉じ込められて強度が増した電場の中に活性層を置くと、電場と活性層との結合が強められ、活性層の自然放出レートが増す。
自然放出レートが増すと、これまで非発光再結合（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）していたキャリアが放射再結合（ｒａｄｉａｔｉｖｅｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）し、発光素子の出力が増強される（非特許文献１）。
このようなキャビティによる自然放出レートの増加はパーセル効果と呼ばれており、誘導放出を用いた光増強とは異なる発光増強方法として、発光素子への応用が期待されている。

以下、図１０を用いて、従来例におけるフォトニック結晶の欠陥キャビティを備えた発光素子の構造を説明する。
図１０（ａ）は発光素子の断面図である。発光素子１００１は、フォトニック結晶層１００２とその内部の活性層１００３、クラッド層１００４、および電極１００５により構成されている。
クラッド層１００４はフォトニック結晶層の有効屈折率（屈折率の平均値）よりも屈折率の低い材料で構成されており、フォトニック結晶層１００２に光を閉じ込める働きをする。
クラッド層１００４およびフォトニック結晶層１００２はともに導電性であり、電極１００５より注入されたキャリアを活性層１００３に輸送する。
図１０（ｂ）はフォトニック結晶層の上面図である。フォトニック結晶層は、フォトニック結晶の周期構造とは異なる構造１００６を有している（以下、このような構造を欠陥と呼ぶ）。
この欠陥で発生した光は、フォトニック結晶によって面内方向に閉じ込められる。
このようにクラッド層および欠陥によって光が閉じ込められた空間（欠陥キャビティ）では非常に強い電場が発生し、そこに置かれた活性層と電場との結合が強められる。その結果、活性層の自然放出レートが増す。
図１０（ｃ）は、発光素子１００１から放出される光のスペクトルを示している（実線）。
図中の破線は、フォトニック結晶を構成する空孔１００７が無い発光素子の発光スペクトルである。
図１０（ｃ）の実線と破線とを比較すると、欠陥キャビティがある場合、欠陥キャビティの共振周波数ω₀と同じ周波数に鋭い出力のピークがあることが分かる。
この出力のピークは欠陥キャビティによる自然放出レートの増強によって生じている。
自然放出レートの増幅による発光の増強は、誘導放出を利用したレーザとは異なり、キャリアの反転分布を必要としない。また、レーザのように増幅に至るまでの電流閾値もない。
図１１は、図１０（ｂ）の欠陥キャビティが複数配列されアレイ化されたフォトニック結晶の上面図である。
図１１のように欠陥キャビティが複数配列されアレイ化されたフォトニック結晶を用いると、より広い領域で発光の増強効果を得ることができる。

ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８７，１５１１１９（２００５）．

しかし、上記の図１１に示される従来例の複数の欠陥キャビティが形成されたフォトニック結晶においては、近接する欠陥キャビティの電磁場が相互作用してその共振周波数が分布を持ち、発光の増強効果が下がってしまうという課題を有している。
以下、図１２を用いてこのような課題について説明する。図１２（ａ）は、ｘ方向に一次元アレイ化された欠陥キャビティを表わす。
一次元にアレイ化された欠陥キャビティは、近接する欠陥キャビティ間で電磁場エネルギーを交換する。
その結果、欠陥キャビティの電磁場の共振モードは波数Ｋでｘ方向に伝搬するブロッホ関数として表わされる。
近似として、最近接キャビティ間のエネルギー交換のみを考慮すると、共振モードの共振周波数は次の式（１）で表わされる。

ここで、Ωは図１０（ｂ）に示されるアレイ化していない欠陥キャビティの共振周波数であり、Ｒは図１２（ａ）のキャビティ間の距離である。
Ｎ個のキャビティが一次元にアレイ化されている場合、波数ＫはＫ＝２πｎ／ＲＮ（ｎ＝１、２、、、Ｎ）のいずれかの値をとる。
式（１）において、第２項は欠陥キャビティ間のエネルギー交換による共振周波数のズレを表わし、第３項は波数Ｋに依存する共振周波数の分布を表わす。
第２項の共振周波数のズレは、フォトニック結晶の周期を調整することにより補正できるため、以下の議論では第２項は無視する。
第３項の係数κは最近接キャビティの電場の重なり積分であり、次の式（２）で表わされる。

ε₀は図１０（ｂ）のアレイ化しないキャビティの誘電率分布、εは図１２（ａ）のアレイ化したキャビティの誘電率分布を表わす。
またＥⁿとＥ^n-1は、隣り合うｎ番目とｎ−１番目の欠陥キャビティの電場モードであり、縮退している。
ここで、モードが縮退しているとは、アレイ化していない欠陥キャビティにおいて、モードが同じ共振周波数を持つことを言う。
縮退していない欠陥キャビティのモード間では、電磁場エネルギーの交換は生じない。
式（２）で表わされるκは、電場モード間のエネルギー交換の強さを表わす。
図１２（ｂ）は、隣り合う欠陥キャビティの双極子固有状態（ダイポールモード）の電場を表わしている。
図１２（ｂ）では、ｘ方向に振動するダイポールモード１２０１、１２０２とｙ方向に振動するダイポールモード１２０３、１２０４とが描かれている。
欠陥キャビティはｘ方向およびｙ方向に鏡面をもつ四回対称であることから、ダイポールモード１２０１〜１２０４は縮退している。
このとき、モード間ではエネルギー交換が生じ、ダイポールモードの対称性より、同じ方向に振動するダイポールモード１２０１と１２０２のκ、および１２０３と１２０４のκは有限の値を取る。

図１３（ａ）は、活性層の発光スペクトル、図１３（ｂ）は式（１）で表わされる共振周波数の分布を表わしている。
図１３（ａ）および（ｂ）で示されるように、電場の重なり積分κの値が大きくなると、共振周波数の一部は活性層の発光周波数帯１３０３から外れてしまう。ここでの発光周波数帯とは、発光スペクトルの半値幅内の周波数を指す。
活性層の発光周波数帯１３０３から外れたモード（図（ｂ）の黒丸）は、活性層との結合強度が弱く、発光強度の増強に殆ど寄与しない。
重なり積分κの値は、欠陥キャビティ間の距離Ｒが小さくなると増すことから、キャビティを近づけて単位面積当たりの欠陥キャビティを増すと、発光強度の増強に寄与しないモードも増える。
したがって、欠陥キャビティアレイでは、欠陥キャビティの数密度を増やしても、欠陥キャビティ間の電磁場エネルギーの交換によって周波数が分布し、発光強度の増強効果が十分に得られないという課題がある。
ここでは１次元の欠陥キャビティアレイを用いた場合の課題について説明したが、このような課題は２次元の欠陥キャビティアレイでも同様に生じる。
２次元のアレイでは、モードは

で記述されるブロッホ関数で表わされる。
このとき、共振周波数の分布の幅を表わすκは、一次元アレイと同様に、最近接する欠陥キャビティの重なり積分として式（２）で定義される。

本発明は、上記課題に鑑み、複数の欠陥キャビティが配列されたフォトニック結晶を用いた場合でも、モードの共振周波数の分布を抑え、発光高度の増強を高効率で行うことが可能となる発光素子の提供を目的とする。

本願発明の発光素子は、活性層と、周期的な屈折率分布中に該周期的な屈折率分布を乱す欠陥部分が導入されて構成されたフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、を有し、
前記フォトニック結晶層の欠陥部分を欠陥キャビティとして利用する発光素子であって、
前記フォトニック結晶層は、前記欠陥キャビティが複数配列された構成を備え、
前記複数配列された欠陥キャビティは、それぞれの欠陥キャビティが長さの異なる長手軸と短手軸とを有し、隣り合う欠陥キャビティの間で前記長手軸が異なる方向を向いていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の欠陥キャビティが配列されたフォトニック結晶を用いた場合でも、モードの共振周波数の分布を抑え、発光高度の増強を高効率で行うことが可能となる発光素子を実現することができる。

本発明の実施形態１における発光素子の構成例について説明する図。本発明の実施形態１における隣り合う欠陥キャビティとそのダイポールモードについて説明する図。本発明の実施形態１における活性層の発光スペクトルと欠陥キャビティアレイの共振周波数分布について説明する図。本発明の実施形態２における発光素子を構成するフォトニック結晶層の上面図。本発明の実施形態２における隣り合う欠陥キャビティとそのダイポールモードについて説明する図。本発明の実施形態３における発光素子を構成するフォトニック結晶層の上面図。本発明の実施形態３における隣り合う欠陥キャビティとそのダイポールモードについて説明する図。本発明の実施形態４における正方格子フォトニック結晶に形成された、長手軸と短手軸とを持つ欠陥キャビティを示す図。本発明の実施形態４における三角格子フォトニック結晶に形成された、長手軸と短手軸とを持つ欠陥キャビティを示す図。先行技術により構成された発光素子の断面図、フォトニック結晶層の上面図、および発光素子の出力を示す図。先行技術により構成されたフォトニック結晶層の上面図。先行技術により構成された一次元欠陥キャビティアレイの上面図、およびそのダイポールモードについて説明する図。活性層の発光スペクトルと先行技術により構成された欠陥キャビティアレイの共振周波数の分布を示す図。

以下、本発明の実施形態における発光素子の構成例について図を用いて説明する。
［実施形態１］
本発明の実施形態１として、本発明を適用した発光素子の構成例について、図１、図２、図３を用いて説明する。
本実施形態の発光素子は、活性層と、周期的な屈折率分布中に該周期的な屈折率分布を乱す欠陥部分が導入されて構成されたフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層を備える。
そして、このフォトニック結晶層の欠陥部分を、複数配列して欠陥キャビティとして利用するものである。
その具体的な構成は、図１（ａ）の発光素子の断面図に示されている。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の発光素子１０１は、周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶層１０２と、活性層１０３と、フォトニック結晶層に光を閉じ込めるクラッド層１０４と、発光素子にキャリアを注入する電極１０５とで構成されている。
図１（ｂ）は、フォトニック結晶層の上面図である。
図１（ｂ）に示すように、フォトニック結晶層には正方格子状に欠陥キャビティが複数配列しアレイ化された欠陥キャビティが設けられている。以下、このようなアレイ化された欠陥キャビティを欠陥キャビティアレイと記す。
図１（ｂ）の欠陥キャビティアレイを構成する欠陥キャビティは、フォトニック結晶の空孔が取り除かれた領域と、図中の矢印方向にシフトした一対の空孔（図中の黒丸）とで構成されている。
図中の実線で囲われた領域１０６は、フォトニック結晶本来の空孔（白丸）の接線を結んだ領域であり、欠陥キャビティを表す。
欠陥キャビティ１０６は、空孔をシフトした方向に長手軸１０７、それに直角な方向に短手軸１０８とを有する。
隣り合う欠陥キャビティ間である最近接キャビティ間では、シフトさせる空孔の対（黒丸）の方向が異なっており、欠陥キャビティの長手軸は９０°異なる方向を向いている。

図２（ａ）と図２（ｂ）とは、隣り合う欠陥キャビティの上面図および欠陥キャビティに生成されるダイポールモードの電場を表わす。
黒丸で示される空孔がシフトしているため、欠陥キャビティのｘ方向の断面とｙ方向の断面とは一致しない。
よって、図２（ａ）のダイポールモード２０１、２０２と、図２（ｂ）のダイポールモード２０３、２０４とは縮退しておらず、それらの間では電磁場エネルギーの交換が生じない。
一方、図２（ａ）および図２（ｂ）において、同じ図に描かれた近接するダイポールモード２０１と２０２および２０３と２０４は縮退している。
しかし、隣り合うキャビティ間でその振動方向が９０°異なっており、式（２）で表わされる重なり積分κはほぼゼロとみなせる。

図３（ａ）は、活性層の発光スペクトルであり、上記したように活性層の発光周波数帯は、この発光スペクトルの半値幅内にある。
図３（ｂ）は、図１（ｂ）の欠陥キャビティアレイの共振周波数３０１、および図１１で示される従来の欠陥キャビティアレイの共振周波数３０２である。
図３より、従来の欠陥キャビティアレイと比較して、本実施形態の方が、振動周波数の分布が抑制されていることが分かる。
すなわち、従来の欠陥キャビティアレイでは発光増強に寄与しないモード（図３（ｂ）の黒丸）が存在するが、本実施形態ではすべてモードが活性層の発光周波数帯３０３の内部にあり、発光増強に寄与する。
その結果、図１に示される発光素子の方が、従来例と比較して発光の増強効果が大きく、輝度の高い発光素子となる。

［実施形態２］
本発明の実施形態２として、実施形態１とは異なる形態の構成例について、図４、図５、図６を用いて説明する。
図４は、本実施形態における発光素子を構成する三角格子フォトニク結晶層の上面図である。
フォトニック結晶層には三角格子状に欠陥キャビティが並べられ、欠陥キャビティアレイを形成している。
欠陥キャビティは、空孔を取り除いた領域と、シフトさせた対面する一対の空孔（図中の黒丸）とで構成されている。
フォトニック結晶本来の空孔（白丸）の接線で囲まれた領域４０１は欠陥キャビティを表わしている。欠陥キャビティは、空孔をシフトさせた方向に長手軸、それと直角を成す方向に短手軸とを持つ。
本実施形態において、キャビティの長手軸の方向は、隣り合う欠陥キャビティ間である最近接格子間で６０°異なっている。

図５（ａ）および（ｂ）には、隣り合う欠陥キャビティと、そのダイポールモードとが描かれている。
図５（ａ）のダイポールモード５０１、５０２、５０３と図５（ｂ）のダイポールモード５０４、５０５，５０６とは縮退していない。よって、それらの間で電磁場のエネルギーの交換が生じることはない。
一方、図５（ａ）に描かれている近接するダイポールモード５０１、５０２、５０３は縮退している。
しかし、その振動方向は最近接格欠陥キャビティの間で６０°異なっているため、重なり積分κは、ダイポールモードが同じ方向に振動する場合よりも小さくなる。
同様に、図５（ｂ）に描かれている近接するダイポールモード５０４、５０５、５０６は縮退しているが、振動方向が６０°異なっているために、その重なり積分κは小さくなる。
すなわち、図４に示される欠陥キャビティアレイは共振周波数の分布が抑制されている。
よって、図４に示される欠陥キャビティアレイを備えた発光素子は、発光が効率的に増強された輝度の高い発光素子となる。

［実施形態３］
本発明の実施形態３として、上記各実施形態とは異なる形態の構成例について、図６、図７を用いて説明する。
図６は、本実施形態における発光素子を構成するフォトニク結晶層の上面図である。
フォトニック結晶層は、長方格子状に欠陥キャビティが並べられたキャビティアレイにより構成されている。
欠陥キャビティは、空孔が取り除かれた領域と、対面する一対の空孔または対面する二対の空孔（図中の黒丸）とで構成されており、それら空孔は欠陥キャビティの外側に向かってシフトしている。
フォトニック結晶本来の空孔（白丸）の接線で囲まれた領域６０１、６０２は欠陥キャビティを表わしている。
欠陥キャビティは、空孔をシフトさせた方向に長手軸、それと直角をなす方向に短手軸とを持っている（図中の矢印方向）。本実施形態において、キャビティの長手軸の方向は、最近接格子間で９０°異なっている。

図７（ａ）と図７（ｂ）とは、長方格子状に並べられた欠陥キャビティと、そのダイポールモードとを表わしている。
図７（ａ）に描かれたダイポールモード７０１〜７０４と、図７（ｂ）描かれたダイポールモード７０５〜７０８とは縮退していない。
よって、図７（ａ）と図７（ｂ）に描かれたダイポールモードの間で電磁場エネルギーの交換は生じない。
一方、図７（ａ）に描かれている近接するダイポールモード７０１〜７０４は、黒丸で示される空孔のシフト量によって縮退し得る。しかし、その振動方向は最近接欠陥キャビティの間で９０°異なっているため、その重なり積分κはほぼゼロとみなせる。
同様に、図７（ｂ）に描かれている近接するダイポールモード７０５〜７０８も縮退し得るが、振動方向が９０°異なっているために、その重なり積分κはほぼゼロとみなせる。
その結果、図６に示される欠陥キャビティアレイは共振周波数の分布が抑制されており、それを備えた発光素子は輝度の高い発光素子となる。
一般的に、図６で示されるような振動方向が９０°異なるダイポールモードの重なり積分は、図４で示されるよう振動方向が６０°異なる場合の重なり積分よりも小さくなる。
よって、三角格子フォトニック結晶において、図６はより望ましい実施形態である。

［実施形態４］
実施形態４として、種々のキャビティの構成例について、図８、図９を用いて説明する。
図８（ａ）および図９（ａ）は、実施形態１〜３で説明した、空孔をシフトさせて形成された欠陥キャビティである。
欠陥キャビティの領域は、フォトニック結晶本来の空孔の接線を結ぶことにより見いだせる（図中の直線で囲まれた領域）。
図８（ａ）および図９（ａ）では、空孔をシフトさせた方向が長手軸方向、それに直交する方向が短手軸方向となる。
図８（ｂ）および図９（ｂ）は、対面する一対の空孔の径を変えて形成されたキャビティである。この場合、径を変えた空孔を結ぶ方向が長手軸方向となる。
また、図８（ｃ）および図９（ｃ）は、対面する一対の空孔をフォトニック結晶層とは異なる部材で埋めて形成されたキャビティである。この場合、異なる部材で埋められた空孔を結ぶ方向が長手軸方向となる。
図８（ｄ）および図９（ｄ）は、隣り合う空孔を２個取り除いて形成された欠陥キャビティである。この場合、取り除いた空孔が並ぶ方向が長手軸方向となる。図８（ｅ）および図９（ｅ）は、空孔を取り除くことなく、近接する空孔をシフトさせることにより形成された欠陥キャビティである。この場合、空孔シフトさせた方向が長手軸方向となる。
何れの場合も、キャビティは長手軸方向およびそれに直交する短手軸方向に鏡面対称となるが、長手軸の長さと短手軸の長さは異なっている。
よって、図８および図９に示される欠陥キャビティにおいて、長手軸方向に振動するダイポールモードと、短手軸方向に振動するダイポールモードとは縮退しない。
また、これら図８および図９に示されるキャビティを、最近接キャビティ間で長手軸方向が異なるようにアレイ化することにより、縮退するダイポールモード間でもその重なり積分κを小さくすることができる。
また、本発明のキャビティの形状は、図８および図９で示される形状に限定されるものではない。
例えば、図８（ｂ）および図９（ｂ）の一対の空孔は、その径を大きくしてもよい。
また、図８（ａ）、（ｅ）および図９（ａ）、（ｅ）において、空孔のシフトは図と逆の方向であってもよい。また、図８（ａ）〜（ｄ）および図９（ａ）〜（ｄ）において、取り除く空孔は２個以上であってもよい。

以上で説明した本発明の構成によれば、重なり積分κの値が小さくなり、共振周波数の分布を抑えることができ、その結果、活性層の発光周波数帯から外れるモードの数が減少し、発光素子の輝度を効率的に高めることが可能となる。
このような本発明による発光素子の輝度の向上は、要するに欠陥キャビティと活性層との相互作用による自然放出レートの増幅により引き起こされる。
したがって、本発明の構成は、シリコンナノ粒子またはシリコン量子井戸など、本来自然放出レートが小さい活性層に適用することにより、より大きな効果を得ることができる。

１０１：発光素子
１０２：フォトニック結晶層
１０３：活性層
１０４：クラッド層
１０５：電極
１０６：欠陥キャビティ
１０７：長手軸
１０８：短手軸

Claims

活性層と、周期的な屈折率分布中に該周期的な屈折率分布を乱す欠陥部分が導入されて構成されたフォトニック結晶層と、該フォトニック結晶層の平均屈折率よりも低い屈折率を有するクラッド層と、を有し、
前記フォトニック結晶層の欠陥部分を欠陥キャビティとして利用する発光素子であって、
前記フォトニック結晶層は、前記欠陥キャビティが複数配列された構成を備え、
前記複数配列された欠陥キャビティは、それぞれの欠陥キャビティが長さの異なる長手軸と短手軸とを有し、隣り合う欠陥キャビティの間で前記長手軸が異なる方向を向いていることを特徴とする発光素子。
前記長手軸が、前記隣り合う欠陥キャビティの間で６０°または９０°異なる方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記複数配列された欠陥キャビティは、長方格子または正方格子状に配列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子。
前記複数配列された欠陥キャビティは、それぞれの欠陥キャビティに生成されるダイポールモードの共振周波数が活性層の発光スペクトルの半値幅内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記活性層は、シリコンナノ粒子またはシリコン量子井戸を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子。