JP2012530373A - 発光ダイオード - Google Patents

Abstract

第１及び第２の半導体層（１４、１６）と、半導体層（１４、１６）の間の発光層（１８）とが配列されて発光ダイオードを形成し、一方の半導体層にあるギャップと、ギャップの内部に位置するメタルと、を有し、メタルは、発光層に十分に近接して、メタルと発光層との間の表面プラズモンカップリングを可能とする発光装置。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に他の色のＬＥＤに対して使用することもできるが、白色ＬＥＤに関する。

白色固体発光の開発は、主に黄色の蛍光体を備えたIII族窒化物青色ＬＥＤチップに基づき、現在、世界的なエネルギの欠乏及び地球温暖化の脅威のため、非常に重要になっている。現在市販されている白色発光ダイオード（ＬＥＤ）は、概して、高品質結晶の青色エピウエハをベースにして製造され、一般的に、非常に高価である。このために、ＬＥＤは、高額となり、故に、一般的な照明での用途が限定されている。故に、ＬＥＤ、特に、従来の光源に置き換わるために、高い照射効率を呈しながらも、市場に容易に受け入れられるような低価格の白色ＬＥＤの製造に対し、新しい技術の開発に対する需要がある。しかしながら、白色ＬＥＤの照射効率のさらなる改良のためには、多くのチャレンジが存在する。

まず第１に、白色ＬＥＤのより高い照射効率は、高い内部量子効率（ＩＱＥ）を必要とする。ＬＥＤのＩＱＥは、一般に、ＬＥＤエピウエハの結晶品質によって判定されるものとして受け入れられている。エピタキシャル成長の最適化によってさらなる改良をすることは、非常に困難である。

ＩＱＥは、量子井戸（ＱＷ）層などのＬＥＤの発光層の間の表面プラズモン（ＳＰ）カップリング効果と、近傍のＱＷの中に積層された（発光層の放射エネルギと近い又は同一のプラズモンエネルギを有する）特定のメタルとによってかなり改善させることができ、これは、高いＩＱＥは、結晶品質が最高で無くても標準的なＬＥＤエピウエハを使用して達成することができることを意味する。しかしながら、係るＳＰカップリングの結果として得られる内部量子効率の向上は、シン・キャッピングＧａＮ層（数ナノメータの厚み）を有する表面ＱＷ（マルチＱＷではない）構造体の中に効率的に適用されるのみであり、一方、高い性能を備えたすべての青色エピウエハのほとんどは、マルチ量子井戸（ＭＱＷ）の放射領域と、シック・ｐタイプＧａＮキャッピング層（〜２００ｎｍの厚み）とを必要とする。

発光層の形成直前又は形成中に、エピタキシャル成長を停止し、メタルアイランドを堆積させ、次に、発光層及びＬＥＤの残りの部分のエピタキシャル成長を再開することによって、ＬＥＤの発光層にメタルアイランドを堆積させることが提案されている。しかしながら、係る方法は、プレカーソルを利用できないために、ex-situ 法を必要とする。さらに、メタルアイランドの堆積は、発光層の光学特性のかなりの劣化につながり、最終的には、発光を消滅させることもあった。実際には、この方法は、発光層の格子構造を劣化させ、最終的には、ＬＥＤの故障につながることもある。

第二に、蛍光体変換白色ＬＥＤの現在の製造において自己吸収の課題がある。これは、蛍光体の放射波長が通常はその吸収波長に近いために、装置内で発生した光が、蛍光体によって再び吸収され、全体として効率を低下させることを意味する。

別の課題は、青色ＬＥＤから、黄色の蛍光体などの波長変換材料へのエネルギ転送の効率をどのようにさらに改善するか、である。青色光の強度は、波長変換材料からの黄色の放射よりもかなり高く留まり、厳しい色のレンダリングと、大抵の現在の白色ＬＥＤの青みを帯びた色合いとにつながる。

本発明は、発光ダイオードを形成するように配置された第１及び第２の半導体層と、第１及び第２の半導体層の間の発光層と、を有し、さらに、第１及び第２の半導体層の一方に形成されたギャップと、ギャップの内部に配置されると共に発光層に十分近接して配置されて、メタルと発光層との間の表面プラズモンカップリングを可能とする発光装置を提供する。

一般に、ギャップ内のメタルのうち、発光層に十分近接しているものがあり、メタルと発光層との間で表面プラズモンカップリングを可能とする。また、ギャップ内にありながらも表面プラズモンカップリングのためには十分に近接していないメタルもある。

発光装置は、メタルから形成された混合物と支持材料とを含む。混合物は、メタル粒子の形態を取る。混合物は、ギャップ内に配置され、発光層と十分に近接して、メタル粒子と発光層との間で表面プラズモンカップリングを可能とする。

オプションとして、支持材料は、波長変換材料、又は絶縁透明材料、又は準絶縁性透明材料を含む。

オプションとして、メタル又は混合物は、ギャップの表面にかなり近接して又は接触して配置される。

オプションとして、ギャップは、第２の半導体層の厚み方向に発光層に向けて貫通すること無く延在するが、ギャップは、第２の半導体層の厚み方向に延在して、ギャップの一部は、発光層の表面によって境界が示されている。

オプションとして、メタル又は混合物は、発光層の表面に直に隣接して、又は接触して配置されている。

オプションとして、金属含有層が、メタルの層と混合物の層とを含み、発光層の表面に直に隣接して、又は接触して設けられている。この層は、連続的であり、又は不連続でも良い。

オプションとして、ギャップは、発光層の厚み方向に延在し、ギャップの一部は、第１の半導体層の表面によって境界が示されている。

オプションとし、第１の半導体層は、基板の上に形成されている。

発光装置は、さらに、ギャップの少なくとも一部を閉塞するために、第２の半導体層に隣接し且つ電気的に接触しているコンタクト層を含む。

オプションとして、複数のピラーが、ギャップによって少なくとも１つの半導体層から形成され、ギャップは、ピラーの間に形成される。２つの隣接するピラーの間の平均最短距離は、２つの隣接するピラーの各側部の間で計測され、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍ未満である。

発光装置は、互いに離れて位置する複数のギャップを含み、故に、メタル又は混合物は、ピラーの形態を取る。ピラーの平均直径は、５００ｎｍ未満であり、好ましくは、２００ｎｍ未満である。

本発明は、第１及び第２の半導体層と第１及び第２の半導体層の間の発光層とを形成する工程と、第１及び第２の半導体層の一方にギャップを形成する工程と、ギャップの内部であって発光層に十分近接するようにメタルを配置して、メタルと発光層との間の表面プラズモンカップリングを可能とする工程とを含む、発光装置を製造する方法を提供する。

この方法は、メタルから混合物と、支持材料とを形成する工程を有し、混合物はメタル粒子の形態を取り、さらに、ギャップの内部であって発光層に十分近接して混合物を配置して、メタル粒子と発光層との間に表面プラズモンカップリングを可能とする工程とを含む。

オプションとして、支持材料は、波長変換材料、又は絶縁性透明材料、又は準絶縁性透明材料を含む。

オプションとして、メタル又は混合物は、ギャップの表面に直に近接して又は接触して配置されている。

オプションとして、ギャップは、発光層に向けて第２の半導体層の厚みを部分的に貫通するように形成される。ギャップは、第２の半導体層を貫通して形成され、ギャップの一部は、発光層の表面によって境界が示されている。

オプションとして、メタル又は混合物は、ギャップの内部であって且つ発光層の表面と直に隣接又は接触するように配置される。

オプションとして、メタル含有層が、発光層の表面と直に隣接して又は接触して設けられている。

オプションとして、ギャップが発光層の厚み方向に貫通するように形成され、ギャップの一部が第１の半導体層の表面によって境界が示されている。

オプションとして、第１の半導体層は、基板の上に形成されている。

本発明の方法は、ギャップの少なくとも一部を閉塞するために、第２の半導体層と隣接し且つ電気的に接触するコンタクト層を形成する工程を含む。

オプションとして、複数のピラーがギャップによって半導体層の少なくとも一方から形成され、ギャップは、ピラーの間に形成される。２つの隣接ピラーの間の平均最短距離は、２つの隣接ピラーの各側部の間で計測され、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍ未満である。

本発明の方法は、互いに分離して配置されるギャップの複数を形成する工程を含み、故に、メタル又は混合物は、ピラーの形態を取る。ピラーの平均直径は、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍである。

本発明の装置は、加工装置であり、すなわち、エピタキシャル成長の後の装置加工によって製造される。

本発明の実施の形態による白色ＬＥＤは、例えばIII族窒化物・ポリマ又は蛍光体ハイブリッドなどのハイブリッド技術を使用する上記のチャレンジに対して応答することができる。実施の形態によっては、数百ｎｍのスケールのナノピラーのアレイが、III族窒化物青色ＬＥＤに基づき且つメタルナノ粒子が混合された波長変換ポリマ又は蛍光体によって包囲された多重量子井戸（ＭＱＷ）へと加工される。

メタルと発光層との間のＳＰカップリングを可能とするために、２つの間の距離は１００ｎｍ以下となる必要がある。ＳＰカップリングの効果を最大とするために、２つの間の距離は、およそ５０ｎｍ以下、特に、４７ｎｍ以下であることが考えられる。なお、当該距離は、「ニアフィールド」距離として扱われる。メタルと発光層との間の距離は、事実上ゼロであることが最も好ましい。

本発明の一実施の形態による発光装置の断面図である。 厚みが異なるＮｉフィルムを使用して製造されるナノ・ピラーアレイの例を示す。 本発明による多数の装置に対する照射強度を示すグラフである。 図１の装置の横断面図である。 本発明のさらなる実施の形態の装置の横断面図である。 本発明のさらなる実施の形態による発光装置の断面図である。 本発明のさらなる実施の形態による発光装置の断面図である。 本発明のさらなる実施の形態による発光装置の断面図である。

本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して一例として記載する。

図１を参照すると、本発明の実施の形態による発光装置は、その上に形成された半導体ダイオードシステム１２を備えた基板１０からなる。基板１０は、本実施の形態では、サファイアの層からなる。ダイオードシステム１２は、下部層１４と、上部層１６とからなり、その間には発光層１８が設けられている。下部層１４は、ｎドープガリウム窒化物（ｎ−ＧａＮ）から形成されたｎタイプ層である。上部層１６は、ｐドープガリウム窒化物（ｐ−ＧａＮ）から形成されたｐタイプ層である。本実施の形態での発光層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸（ＱＷ）層を形成するＩｎ_xＧａ_1-xＮと、バリア層を形成するＩｎ_yＧａ_1-yＮとから形成される（但し、x>y、x又はyは０から１までの数）。故に、発光層１８内に多数の量子井戸が形成される。他の実施の形態では、単一の発光層を形成する単一のＩｎ_zＧａ_1-zＮ（但しzは０から１までの数）が存在する。

電流が半導体ダイオードシステム１２を流れるとき、注入された電子と正孔とは、発光層１８（活性層と称することもある）内で再結合し、フォトンの形でエネルギを解放し、故に発光する。ｐタイプ層１６及びｎタイプ層１４は、それぞれ発光層よりも大きなバンドギャップを有する。

構造的には、半導体ダイオードシステム１２は、連続したベース層２０を有し、ベース層２０は、ベース層から突出する複数のナノピラー２２を有する。ｎタイプ層１４は、ベース層とナノピラーの下方部２４とを構成し、ｐタイプ層１６は、ナノピラーの上方部２６を構成し、発光層１８は、ナノピラー２２の中間層を構成する。故に、ｐタイプ層１６と、発光層１８と、ｎタイプ層の一部とは、すべて不連続であり、ベース層２０は、ギャップ３０の底端部で閉じている。ナノピラー２２は、直径が数百ナノメートルのオーダ、すなわち１００から１０００ｎｍの間である。

不連続層の中のギャップ３０は、ナノピラー２２の間にあり、波長変換材料３２（絶縁性の透明材料又は準絶縁性の透明材料からなる）とメタル粒子３４との混合物３１で充填されている。このようにして、波長変換材料は、ギャップ３０の内部のメタル粒子３４を支持する支持材料として機能する。この混合物３１は、ギャップ３０を充填し、ベース層２０からナノピラー２２の頂部までの層を形成する。本実施の形態において、ギャップ３０は、実際には、一緒に結合されて、すべてのナノピラー２２を包囲する１つの相互に連結した空間を形成する。もし、ナノピラー２２が、隣接するナノピラー２２間の最大距離が、例えば２００ｎｍになるように形成されている場合、メタル粒子の任意の１つからナノピラー２２の１つの表面までの最大距離は、１００ｎｍである。いずれの場合においても、発光層１８と同一平面上にあるメタル粒子１４は、表面プラズモンカップリングを許容する位置に存在する。さらに、メタル粒子１４は、波長変換材料３２の内部に分散され、波長変換材料３２全体に亘ってランダムに分布している。故に、この場合、大抵の粒子１４は、ナノピラー２２の１つの表面から１００ｎｍ以内（そして、粒子によっては事実上ゼロｎｍ）に位置している。

この場合の波長変換材料３２は、ポリマ材料であるが、蛍光物質でもよく、さらに、硫化カドミウムを使っても良い。しかし、適したタイプの波長変換材料３２の多くは、当業者には明らかである。

メタル粒子３４は、銀である。メタル材料３４のサイズは、ピラーのサイズに部分的に依存して、数ｎｍから約１μｍであり、波長変換材料３２の中の粒子濃度は、０．０００１％ｗ／ｗから１０％ｗ／ｗである。他の実施例では、メタル粒子３４は、例えば、金、ニッケル、又はアルミニウムである。材料の選択は、発光層１８からの光の波長、すなわち周波数に依存している。例えば、銀は、青色ＬＥＤに対しては好ましいが、アルミニウムは、紫外線ＬＥＤにたいして好ましい。

ギャップ３０は、発光層１８を貫通して延在するので、ギャップ３０の側面の一部は、発光層の材料によって形成され、故に、発光層の材料は、ギャップ３０に露出されている。混合物３１は、ギャップ３０の側面の直ぐ隣に、又は接触するように配置されている。すなわち、絶縁層や他の層は、混交物３１と側面との間のギャップ３０に配置されていない。故に、混合物３１に分散されたメタル粒子３４は、発光層の露出した面からニアフィールドの距離（４７ｎｍ以下）にあるものがあり、これによって、改良された表面プラズモンカップリングが可能となる。メタル粒子３４は、混合物３１の中に分散されているので、メタル粒子３４は、発光層１８の露出した面に非常に近接していたり、接触しているものもある。ポリマ波長変換材料３２も、発光層１８の露出した部分に近接していたり、又は、接触していたりする。すなわち、発光層１８の露出した面からメタル粒子３４の少なくとも一部までや、波長変換材料３２までの距離は、事実上ゼロである。

透明なｐコンタクト層４０は、ナノピラー２２の頂部を覆うように延在して、ナノピラー２２と電気的に接触し、ギャップ３０の頂部を覆うようにも延在してギャップ３０の端部を閉塞する。ｐコンタクトパッド４２は、ｐコンタクト層４０の上に形成される。ベース領域１４の一部４４は、ナノピラー２２を超えて延在し、ｎコンタクト４８が形成される平坦な上面４６を有する。

図１の装置は、最初にナノピラー構造体を形成することによって製造される。これは、サファイヤ基板１０の上にｎタイプ層１４を形成し、ｎタイプ層１４の上に量子井戸層などの発光層１８を形成し、発光層１８を覆うようにｐタイプ層１６を形成し、次に、層１４、１６、１８を貫通するようにエッチングして、ナノピラー２２を残すように、ギャップ３０を形成することによって行われる。エッチングを制御するために、マスクが、周知の方法によって、最初にｐタイプ層１６を覆うようにＳｉＯ_２の薄膜層を形成することによってｐタイプ層１６の上に形成され、次に、５から５０ｎｍの範囲の厚みを有するニッケル層の形成が続く。続いて、サンプルは、６００−９００度で１−１０分間Ｎ_２を流しながらアニールされる。係る条件下では、シンニッケル層が、ＳｉＯ_２の表面に数百ｎｍのスケールのニッケルの自己組織化アイランドとして発現する。次に、自己組織化ニッケルアイランドは、マスクとして機能して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、下層の酸化物をｐ−ＧａＮ表面のＳｉＯ_２ナノロッドへとエッチングする。最終的には、ＳｉＯ_２ナノロッドは、第２のマスクとして機能し、次に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを使用して、ｐ−ＧａＮは、ｐタイプ層１６、発光層１８、及びｎタイプ層１４の途中を貫通して、図１の構造体になるまでドライエッチングされる。エッチングは、例えば６５０ｎｍのレーザを使用して、所望の深さに到達するまでモニタされる。これによって、ナノピラー構造体が残される。Ｎｉアイランド及びＳｉＯ_２は、混合酸（ＨＮＯ_３：ＣＨ_３ＯＯＨ：Ｈ_２ＳＯ_４及びＨＦ溶液等）を使用して簡単にウエットエッチングされる。

平坦な上面４６を有するベース層の領域４４を残すために、標準的なフォトリゾグラフィーが行われ、領域４４にｎタイプコンタクトが形成される。

ナノピラー構造体が形成されると直ぐに、波長変換材料３２及びメタル粒子３４の混合物３１が、スピンコーティングによってギャップ３０へと挿入される。この混合物３１は、ナノピラー２２の頂部のレベルにまで一杯になるまで、ギャップ３０へと追加される。次に、余分なものが除去されて、混合物３１の頂部及びノンピラー２２の頂部は、実質的に平坦な表面を形成する。

次に、透明なｐコンタクト層４０が、ピラー２２の頂部を覆うように形成され、ギャップ３０の頂端部を閉塞して、ナノピラー２２の頂部と電気的接点を形成する。最後に、ｐコンタクトパッド４２がｐコンタクト層４０の上に形成され、さらに、ｎコンタクト４８が平坦な表面４６に形成される。

動作する際、電気的ポテンシャルがｐコンタクト４８及びｎコンタクト４２の間に印加され、１の波長の光、又は波長スペクトラム、この場合はほとんどが青色、が、発光層１８から放射される。この光の一部は、波長変換材料３２によって吸収され、異なる波長の光、又は波長スペクトラム、この場合は黄色の光として再放射される。青色及び黄色は、共に、十分にブロードで白色となるスペクトラムの光を生成する。

ＩＱＥを補強する表面プラズモンカップリング効果を使用する効果は、適宜の厚みのキャッピング層を有する標準青色ＭＱＥエピウエハに対するこの適用例では活用されている。これは、メタル粒子３４のうち、（ナノピラー２２の側壁での）発光層１８の中の放射量子井戸からニアフィールドの距離（４７ｎｍ以下）にあるものがあるからであり、故に、有効表面プラズモンカップリングが許容されるからである。これらのメタル粒子３４と発光層１８との間の距離は、事実上ゼロである。表面プラズモンカップリング効果は、発光層１８とメタル粒子３４との間の距離が事実上ゼロに下がるときに、相当強化される。

ポリマを使用したＬＥＤルミネセンス波長変換のメカニズムは、非放射フォスターエネルギ遷移に基づいている。係るエネルギ遷移は、クーロン相互作用に依存するので、発光層１８と波長変換材料３２との間の距離は、肝心である。エネルギ遷移速度Γは、Γ〜Ｒ^-4として簡単に記載することができる。なお、Ｒは、発光ＱＷとポリマとの間の距離である。上記のＬＥＤ装置において、距離Ｒは、ゼロに近づくことでき、遷移速度は、大幅に増大される。これによって、黄色の放射（５５０−５８４ｎｍ）の波長変換の効率は大幅に改善され、故に色の表現は改善される。

複合ポリマは、最大２００ｎｍまでの吸収エッジよりもかなり下の波長でのルミネッセンス放射をするように選択される。ポリマ材料を選択して最適化することによって、自己吸収による損失を低減することができる。

図２を参照すると、上記方法でのナノピラー２２の最終サイズは、他のものの間で、装置の製造に使用されるニッケル層の厚みに依存する。上部の４つの画像は、厚みがそれぞれ５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、及び２０ｎｍのニッケル層に対し、アニーリング工程の結果として生じた自己組織化ニッケルマスクである。下方の４つの画像は、その結果であるナノピラー構造体である。

図３を参照すると、上記の結果形成された様々な装置の発光強度をテストした。強度は、以下のようにして形成された装置に対するものである。
Ａ：ナノピラー構造体２２の形成前に複数の発光層と共に作成された装置。
Ｂ：ポリマ・メタル混合物３１の無い状態でナノピラー構造体２２の形成後の装置。
Ｃ：ポリマ・銀粒子混合物３１を有するナノピラー構造体２２を備えた装置。
Ｄ：ポリマ・銀粒子混合物３１を有するナノピラー構造体２２を備えた装置。ただし、銀の濃度は、サンプルＣとは若干異なる。
Ｅ：ポリマ・ニッケル粒子混合物３１を有するナノピラー構造体２２を備えた装置。

この図から分かるように、強度は、サンプルの間で相当量変化するが、特に、ポリマ・メタル混合物３１を有するサンプルのすべては、シンプルに成長させた装置、又はナノピラー３３を有するがポリマ・メタル混合物３１の無い装置のいずれよりも相当高い強度を示している。

強度の改善は、メタル粒子（例えばニッケルや銀）のうち、発光層１８（例えばＩｎ_xＧａ_1-xＮ: 井戸／Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ:バリア多重量子井戸（但しｘ＞ｙ、ｘ又はｙは０から１）からニアフィールドの距離に存在するものがある結果としての、表面プラズモンカップリング効果の結果である。但し、メタル粒子３４は、発光層１８の中でＩｎ_xＧａ_1-xＮ:／Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ多重量子井戸を含むナノピラー２２の間でギャップ３０を充填するポリマ材料の中でサポートされている。

図４は、図１の装置の平面図を示す。半導体層は、同一の効果を奏しながらも、異なる方法によって作成できることを理解すべきである。例えば、図５を参照すると、さらなる実施の形態において、ギャップ３０は、半導体層へと下方に延在する円形断面の一連の分離した穴の形状をしている。故に、穴３０の周囲の半導体材料の１６の層は、図１の実施例のように不連続ではなく、穴を介して開口とすべて連続している。穴の直径は、数百ナノメートルのオーダ、すなわち、１００から１０００ｎｍである。

他の構造体を使用できることを理解すべきである。例えば、ギャップは、一連の平行なスロットの形状とすることができ、故に、半導体材料は、図１に示すような鉛直ピラーの形状に代えて、一連の鉛直シートの形状にすることができる。

当業者は、発光層１８からニアフィールドの距離に存在するメタル粒子（これらのメタル粒子３４にとって、当該距離は事実上ゼロである）がある結果として効果的な表面プラズモンカップリング効果を奏し、その結果強度が改善される他の実施の形態を理解するであろう。このような異なる構成を図６、７、８に示す。

最初に図６を参照すると、さらなる実施の形態による発光装置は、上記図１の実施の形態と同様に構成されている。参照番号によって示される対応する部品には、１００を加算して示す。本実施の形態において、ギャップ１３０は、ｐコンタクト層１４０の底部から発光層１１８まで延在し、ギャップ１３０の底端部は、発光層１１８の内部に位置する。これは、ギャップ１３０の底端部１３０ａが、ギャップ１３０内の発光層１１８の余分に露出した表面領域を構成する。このように、メタル粒子１３４と波長変換材料１３２とが表面プラズモンカップリングを介して相互に作用する発光層１１８の表面積の量は、この構成によって増加させることができる。メタル粒子１３４と波長変換材料１３２の混合物１３１は、発光層１１８のごく近傍又は発光層１１８と接触している。すなわち、混合物１３１とギャップ１３０の側部及び底端部１３０ａとの間に存在する材料は無い。従って、本実施の形態では、発光層１１８の露出表面から少なくともメタル粒子１３４間で、さらには波長変換材料１３２までの距離は、実質的にゼロである。

本実施の形態の変形例（図示せず）では、ギャップは、ｐコンタクト層の底部から上部層を介して、発光層の上面まで延在する。故に、発光層の上面は、ギャップの底端部を形成する。すなわち、ギャップは、発光層の上面によってギャップの底端部の境界が、上部層によってその側部が、画定される。メタル及び波長変換材料は、両方とも同時に発光層と接触する。

図７を参照すると、さらなる実施の形態の発光装置が、図６の実施の形態と同様に構成されている。参照符号によって示される対応部品は、１００を加算して示す。本実施の形態では、メタル堆積物２３４は、メタル層を形成するギャップ３０内で露出された発光層２１８の表面に直接形成される。メタル堆積物２３４は、熱又は電子ビーム蒸着、又は、当業者に取って知られている適宜の蒸着方法で形成される。メタル堆積物２３４は、一般的に、ギャップ２３０の側部のものよりも、ギャップ２３０の底端部２３０ａに露出する発光層２１８の表面に形成されたもののほうが厚い。実際には、堆積層の厚みには閾値が存在する。閾値よりも薄い連続層を積層することは、どう考えても不可能であり、多くの場合不可能である。故に、メタル堆積層２３４の厚みが閾値以下である時は（先端技術では、いわばギャップ２３０の底端部２３０ａで５０ｎｍ以下）、メタル堆積物２３４は、不連続であり、場合によっては、ギャップ２３０の側部には存在しない。ギャップ２３０の各々は、さらに、波長変換材料２３２を含み、不連続メタル堆積物の間の発光層２１８の表面の一部と直接接触し、発光層２１８からの変化された周波数の光を吸収したり再放射する。このように、本実施の形態では、既に説明した実施の形態と同様に、メタル堆積物２３４は、互いに接触しない多数の不連続のメタルの塊を形成し、発光層２１８の表面から、ギャップ２３０の側壁に露出されるｐタイプ層２１６の表面に沿って連続的に延在しない。これによって、異なる半導体層を実質的に横切って延在する金属の連続する塊がなく、故に、メタル堆積物２３４によって電気的なショートが生じる可能性を防止していることを保証する。これは、さらに、波長変換材料２３２がメタル堆積物の２３４の不連続なメタルの塊の間の発光層２１８に接触しているので、メタル及び波長変換材料２３２の両方が、発光層２１８に接触していることを意味する。対応する変更例を、図１及び図６の実施の形態に対して作成することができる。

図８を参照すると、さらなる実施の形態の発光装置が、図７の実施の形態と同様に構成されている。よって、対応する部品には、参照番号に１００を加算して示す。図８に示すように、ギャップ３３０は、ｐタイプ層３１６の上部から、発光層３１８の近くまで（すなわちｐコンタクト層３４０の底部）に形成される。サポート材料３３２（本実施の形態では蛍光体波長変換材料３３２）及びメタル粒子３３４の混合物３３１は、ギャップ３３０を、ｐコンタクト層３４０の底部にまで充填する。ギャップ３３０の底部３３０ａは、発光層３１８の上部に十分近接して位置するので、発光層３１８とギャップ３３０の内部に分散するメタル粒子３３４との間の表面プラズモンカップリングを可能とする。ｐタイプ層３１６の薄肉部３１６ａは、発光層３１８の頂部をギャップ３３０の底部から分離し、故に、発光層３１８とメタル粒子３３４とを電気的に絶縁している。薄肉部３１６ａの厚みは、発光層３１８の頂部とｐタイプ層３１６の底部との間の境界面に対して垂直に測定され、先の表面プラズモンカップリングを可能とするほどに十分小さい。すなわち、１００ｎｍ以下、好ましくは４７ｎｍ以下である。例えば、薄肉部３１６ａは、３０ｎｍ未満とすることができ、好ましくは、２０ｎｍ未満である。

上記実施の形態のさらなる変更例として、メタル粒子３４、１３４、３３４、又はメタル堆積物２３４、及び波長変換材料３２、１３２、２３２、３３２は、両方とも、ギャップ２０、１３０、２３０の各々を実質的に充填する金属の塊に置換することができ（すなわち、ギャップは、何らサポート材料・波長変換材料を含まない）、故に、金属の塊は、発光層１８、１１８、２１８の露出面全体及び上部層１６、１１６、２１６と直接接触する。当該分野では、メタルと半導体層との間にオーミックコンタクトを形成することは、特にｐタイプ又はＧａＮ等のアンドープのIII族窒化物に取っては、重要な課題である。メタルのタイプによっては、半導体材料とオーミックコンタクトを形成できる。半導体材料とオーミックコンタクトを形成するために使用されるタイプのメタルは、金属の仕事関数及び半導体材料のタイプのドーピングレベルに基づいて選択される。故に、この変形例は、金属物体と任意の半導体層との間にオーミックコンタクトを形成することができないタイプのメタルを選択することによって実現される。例えば、銀やアルミニウムは、上記のＳＰエンハンストＩＱＥに対して使用できるが、ｐタイプやアンドープのＧａＮに対してはオーミックコンタクトとして使用することができない。

上記の全実施の形態において、波長変換材料と同様に、使用される金属は、図１の実施の形態に対して上記の適宜の代替例から選択できる。

本発明の発光装置は、白色ＬＥＤの実施の形態を参照して記載したが、記載した実施の形態の変更例において、着色ＬＥＤを設けることもでき、当該ＬＥＤは、異なる波長の光を吸収したり、変換したり、一緒に混合したりする発光層からの光を必要としない。図１又は図６の実施の形態の特定の変更例において、ＬＥＤは、ＡｌＧａＮの発光層を有し、透明ポリマの中にアルミニウム粒子がサポートされている紫外線ＬＥＤである。

他の実施の形態において、ＬＥＤは、５００ｎｍ及び５６０ｎｍの間の波長で発光する緑色ＬＥＤである。ナノ粒子は、銀、白金、ニッケル又は金からなり、粒子のサイズは、発光の波長を決めるために選択することができる。

Claims (30)

1. 第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層間の発光層とを有して、発光ダイオードを形成するように配置され、
   さらに、第１及び第２の半導体層の一方に設けられたギャップと、
   前記ギャップに配置されたメタルとを有し、
   前記メタルは、前記発光層が前記メタルと前記発光層との間での表面プラズモンカップリングが可能となるように前記発光層に対して十分に近接していることを特徴とする発光装置。
2. さらに、前記メタルから形成された混合物と支持材料とを有し、前記メタルはメタル粒子の形態をとり、前記混合物は前記ギャップの内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記支持材料は、波長変換材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
4. 前記メタル又は前記混合物は、前記ギャップの表面にかなり近接して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の発光装置。
5. 前記ギャップは、前記発光層に向けて前記第２の半導体層を全部では無く部分的に貫通するように延在することを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の発光装置。
6. 前記ギャップは、前記第２の半導体層を貫通して延在し、前記ギャップの一部は、前記発光層の表面によって境界が示されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の発光装置。
7. 前記メタル又は前記混合物は、前記発光層の前記表面の直ぐ近傍の前記ギャップ内に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 金属含有層が、前記発光層の前記表面と接触するように設けられていることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
9. 前記ギャップは、前記発光層を貫通するように延在し、前記ギャップの一部が、前記第１の半導体層の表面によって境界が示されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の発光装置。
10. 前記第１の半導体層は、基板の上に形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一に記載の発光装置。
11. さらに、前記ギャップの一部を閉塞するために、前記第２の半導体層と近接し且つ電気的に接触しているコンタクト層を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一に記載の発光装置。
12. 複数のピラーが、前記第１及び第２の半導体層の少なくとも一方から前記ギャップによって形成され、前記ギャップは前記ピラーの間に形成されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一に記載の発光装置。
13. ２つの隣接するピラー間の平均最短距離は、２つの隣接するピラーの各側部の間で計測され、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
14. 互いに離れて位置する前記ギャップの複数からなり、前記メタル又は前記混合物は、ピラーの形態を取ることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一に記載の発光装置。
15. 前記ピラーの平均直径は、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
16. 第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層の間の発光層とを形成する工程と、
    前記第１及び第２の半導体層の一方にギャップを形成する工程と、
    前記ギャップの内部であって前記発光層に十分に近接するようにメタルを配置して、前記メタルと前記発光層との間で表面プラズモンカップリングを可能とする工程とを有することを特徴とする発光装置の生産方法。
17. メタル粒子の形態を取り且つ前記メタルから混合物と支持材料とを作成する工程と、
    前記混合物を前記ギャップの内部で且つ前記発光層に十分近接して配置して、前記メタル粒子と前記発光層との間の表面プラズマカップリングを可能とする工程とをさらに有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記支持材料は、波長変換材料を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記メタル又は前記混合物は、前記ギャップの表面にかなり近接して配置されていることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一に記載の方法。
20. 前記ギャップは、前記第２の半導体層を前記発光層に向けて貫通せずに形成されていることを特徴とする請求項１６から１９のいずれか一に記載の方法。
21. 前記ギャップは、前記第２の半導体層を貫通して形成され、前記ギャップの一部は、前記発光層の表面によって境界が示されていることを特徴とする請求項１６から１９のいずれ一に記載の方法。
22. 前記メタル又は前記混合物は、前記ギャップの内部で、且つ前記発光層の前記表面に直接近接して配置されていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. メタル含有層が、前記発光層の前記表面に接触して設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記ギャップは、前記発光層を貫通して形成され、前記ギャップの一部は、前記第１の半導体層の表面によって境界が示されていることを特徴とする請求項２２又は２３に記載の方法。
25. 前記第１の半導体層は、基板の上に形成されていることを特徴とする請求項１６から２４までのいずれか一に記載の方法。
26. 前記ギャップの少なくとも一部を閉塞するために、前記第２の半導体層と近接して且つ電気的に接触したコンタクト層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１６から２５までのいずれか一に記載の方法。
27. 複数のピラーが、前記ギャップによって前記第１及び第２の半導体層の少なくとも一方から形成され、前記ギャップはピラーの間に形成されることを特徴とする請求項１６から２６までのいずれか一に記載の方法。
28. 前記複数のピラーは、２つの隣接するピラー間の平均最短距離が、２つの隣接するピラーの各側部の間で計測され、５００ｎｍ未満であり、好ましくは２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 互いに離れて位置する前記ギャップの複数を形成する工程を有し、前記メタル又は前記混合物は、ピラーの形態を取ることを特徴とする請求項１６から２６のいずれか一に記載の方法。
30. 前記ピラーの平均直径は、５００ｎｍ未満、好ましくは２００ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。

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