JP2013219343A - 発光ダイオード - Google Patents
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Abstract
【課題】微細表面リッジ構造または錐台構造におけるエバネッセント光の結合現象を利用し、動作温度や注入電流の変化による影響を受けにくい高指向性・高効率発光ダイオードを提供する。
【解決手段】第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、又は円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の直径が２λ以下であり、（２）前記活性層の面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されている。
【選択図】図３
【解決手段】第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、又は円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の直径が２λ以下であり、（２）前記活性層の面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されている。
【選択図】図３
Description
本発明は、半導体、特に化合物半導体を材料とする高効率発光ダイオード（Light-Emitting Diode: LED）に関し、より詳しくは微細リッジ構造または微細錐台構造におけるエバネッセント光の結合現象を利用し、発光に高い空間指向性を持たせた発光ダイオードに関する。
半導体ＬＥＤは、車載ランプや交通信号機、液晶ディスプレイのバックライト、植物工場、一般照明を初めとする様々な分野において省エネルギーの光源として広く使われている。ＬＥＤは自然放出光源であるため、光は一般的にあらゆる方向に等方的に放射され、発光強度の空間分布に指向性を持っていない。従来のＬＥＤ発光の空間分布はいわゆるランバーシアン（Lambertian）分布に従い、放射輝度（単位面積あたりの光源が単位立体角に放射される光の量）が観測方向によらず一定である。
この場合、ある方向に放射される光の強度Ｉは、以下の式で表わされる。
式： Ｉ= Ｉ０ｃｏｓθ
この場合、ある方向に放射される光の強度Ｉは、以下の式で表わされる。
式： Ｉ= Ｉ０ｃｏｓθ
ここで、Ｉ０は放射面の法線方向の光の強度で、θは放射方向（観測方向）と放射面の法線方向との角度である。上記の式から、従来のＬＥＤ（樹脂封止をしていない場合）において、観測角度θ＝±６０度の方向の発光強度は法線方向の半分になる。すなわち、発光の空間指向性を表す半値全角度幅（発光強度が法線方向の半分になる角度幅）は１２０度となる。
しかし、高い空間指向性を有するＬＥＤ光源は様々な分野において強く求められている。代表的な例として、光通信の光源、プロジェクタの光源、高解像度ディスプレイ、自動車のヘッドランプ、ＬＥＤプリンターのヘッドアレイ、リモートセンシングなどが上げられる。従来、指向性を向上させる方法として、共鳴キャビティＬＥＤまたはマイクロキャビティＬＥＤ（resonant cavity LED, micro-cavity LED）と呼ばれる技術がある。
この技術において、ＬＥＤの活性層を上下一対の分布ブラッグ反射鏡によって構成される光学キャビティの中に置き、活性層の発光をキャビティの共振モードと共鳴させることによって、キャビティの軸方向（通常半導体表面に垂直な方向）の発光の強度を増強させることができる（非特許文献１）。
この他、本発明者が出願した特許文献１、２を参考として、下記に挙げる。
この技術において、ＬＥＤの活性層を上下一対の分布ブラッグ反射鏡によって構成される光学キャビティの中に置き、活性層の発光をキャビティの共振モードと共鳴させることによって、キャビティの軸方向（通常半導体表面に垂直な方向）の発光の強度を増強させることができる（非特許文献１）。
この他、本発明者が出願した特許文献１、２を参考として、下記に挙げる。
R. Joray, M. Ilegems, R. Stanley, W. Schmid, R. Butendeich, R. Wirth, A. Jaeger, and K. Streubel, "Far-Field Radiation Pattern of Red Emitting Thin-Film Resonant Cavity LEDs", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 9, 2006, pp.1052-1054.
上記の従来技術は以下のような問題点を有する。共鳴キャビティ構造において、強い共鳴効果を得るために活性層の発光波長をキャビティの共振波長と正確に一致させなければならない。ＬＥＤのような広い発光スペクトルを持つ光源の場合、一部の発光に対してしか共鳴効果が得られず、指向性の改善はかなり限定的なものになってしまう。
例えば、Ｊｏｒａｙらは６周期のＡｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ/Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ多層膜を分布ブラッグ反射鏡として用いたＡｌＧａＩｎＰ系共鳴キャビティＬＥＤを作製し、半値全角度幅１００度程度の指向性が得られている（非特許文献１）。
例えば、Ｊｏｒａｙらは６周期のＡｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ/Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ多層膜を分布ブラッグ反射鏡として用いたＡｌＧａＩｎＰ系共鳴キャビティＬＥＤを作製し、半値全角度幅１００度程度の指向性が得られている（非特許文献１）。
また、同様な理由により、デバイスの動作温度や注入電流によって発光波長がキャビティの共振波長からずれると、指向性も大きく変わってしまう。
本発明は、従来技術の問題点に鑑み成されたもので、その目的は微細表面リッジ構造または錐台構造におけるエバネッセント光の結合現象を利用し、動作温度や注入電流の変化による影響を受けにくい高指向性・高効率発光ダイオードを提供することである。
本発明は、従来技術の問題点に鑑み成されたもので、その目的は微細表面リッジ構造または錐台構造におけるエバネッセント光の結合現象を利用し、動作温度や注入電流の変化による影響を受けにくい高指向性・高効率発光ダイオードを提供することである。
以上から、本願発明は、
１．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であり、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
１．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であり、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
２．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１） 前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記リッジ構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から平坦面となる地点までの最短距離がλ（λ：発光波長）以下であることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
ここで、「全反射を開始する地点」とは、傾斜面の法線方向に対してθｃ＝ ｓｉｎ−１（１／ｎ）（θｃ：全反射の臨界角、ｎ：半導体の屈折率）の角度をなす、活性層の中心から傾斜面に向かう線と傾斜面・空気界面との交点を意味する。
また、「界面にて全反射を開始する地点から平坦面となる地点までの最短距離」とは、傾斜面の法線の両側に存在する二つの全反射を開始する地点の内、上部平坦面に近い地点から上部平坦面となる地点までの長さを意味する。
２．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１） 前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記リッジ構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から平坦面となる地点までの最短距離がλ（λ：発光波長）以下であることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
ここで、「全反射を開始する地点」とは、傾斜面の法線方向に対してθｃ＝ ｓｉｎ−１（１／ｎ）（θｃ：全反射の臨界角、ｎ：半導体の屈折率）の角度をなす、活性層の中心から傾斜面に向かう線と傾斜面・空気界面との交点を意味する。
また、「界面にて全反射を開始する地点から平坦面となる地点までの最短距離」とは、傾斜面の法線の両側に存在する二つの全反射を開始する地点の内、上部平坦面に近い地点から上部平坦面となる地点までの長さを意味する。
また、本願発明は、
３．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、または円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の上部平坦面の直径が２λ（λ：発光波長）であり、（２）前記活性層が、面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
ここで、錐台構造とは、錐体から頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体構造と定義する（フリー百科事典「ウィキペディア」より）。角錐台および円錐台はそれぞれ上部平坦面の形状が三角形、四角形、六角形などの多角形および円形である錐台構造を指す。また、円錐台について、作製技術の精度等により上部平坦面の形状が正確な円形からずれた構造および楕円錐台構造を含むこととする。
３．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、または円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の上部平坦面の直径が２λ（λ：発光波長）であり、（２）前記活性層が、面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
ここで、錐台構造とは、錐体から頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体構造と定義する（フリー百科事典「ウィキペディア」より）。角錐台および円錐台はそれぞれ上部平坦面の形状が三角形、四角形、六角形などの多角形および円形である錐台構造を指す。また、円錐台について、作製技術の精度等により上部平坦面の形状が正確な円形からずれた構造および楕円錐台構造を含むこととする。
また、本願発明は、
４．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、または円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の上部平坦面の直径が２λ（λ：発光波長）であること、（２）前記活性層が、面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記角錐台構造又は円錐台構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から上部平坦面となる地点までの距離がλ以下であることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
４．第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、または円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の上部平坦面の直径が２λ（λ：発光波長）であること、（２）前記活性層が、面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記角錐台構造又は円錐台構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から上部平坦面となる地点までの距離がλ以下であることを特徴とする発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
５．前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする前記１又は２記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
６．前記角錐台構造又は円錐台構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする前記３又は４記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
７．前記活性層が量子ドットを含むことを特徴とする前記１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
５．前記リッジ構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする前記１又は２記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
６．前記角錐台構造又は円錐台構造がアレイ状に複数配列していることを特徴とする前記３又は４記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
７．前記活性層が量子ドットを含むことを特徴とする前記１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
８．前記発光ダイオードの電流注入のための第１導電型のオーミック電極は前記リッジ構造又は前記角錐台構造若しくは円錐台構造の最表面層より屈折率の小さい透明導電膜であることを特徴とする前記１〜７のいずれかに記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
９．前記透明導電膜は前記リッジ構造又は前記角錐台構造若しくは円錐台構造の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする前記８に記載の発光ダイオード、を提供する。
また、本願発明は、
９．前記透明導電膜は前記リッジ構造又は前記角錐台構造若しくは円錐台構造の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする前記８に記載の発光ダイオード、を提供する。
本発明の発光ダイオードは、微細リッジ構造または微細錐台構造の中心付近に配置した活性層からの自然放出光はリッジ構造または錐台構造の表面において発現するエバネッセント光の結合効果によって、リッジ構造または錐台構造の上部平坦面の法線方向に強く放射される現象を利用するものである。
本発明の発光ダイオードによれば、従来技術より優れた空間指向性が容易に得られる。また、高い指向性は、発光ダイオードの動作温度や注入電流による影響をほとんど受けることなく、安定的に得られる。
本発明の発光ダイオードによれば、従来技術より優れた空間指向性が容易に得られる。また、高い指向性は、発光ダイオードの動作温度や注入電流による影響をほとんど受けることなく、安定的に得られる。
発明者はこれまでに表面上に微細なリッジ構造を形成することにより、リッジ構造の上部平坦面の真下に位置する活性層からの自然放出光はリッジ表面において発現するエバネッセント光の結合効果によって高い効率で空気中に取り出せる現象を見出してきた（特許文献１）。
ここで、図１を用いてこの現象について簡単に説明する。図１において、リッジ構造１は一つの上部平坦面と左右対称の二つの傾斜面によって構成されている。
ここで、図１を用いてこの現象について簡単に説明する。図１において、リッジ構造１は一つの上部平坦面と左右対称の二つの傾斜面によって構成されている。
まず、図１（ａ）に示すようにリッジ構造の上部平坦面と谷との間に位置する量子井戸３の中心Ｃから発生した光が全反射の臨界角４より大きい角度で傾斜面と空気との界面に到達すると、全反射に伴い二つの傾斜面においてエバネッセント光２が生成される。傾斜面の法線５の下側に形成されるエバネッセント光は本現象に寄与しないので省略している。両側のエバネッセント光が傾斜面に沿ってリッジの上部平坦面に向かって少し移動し、リッジ頂上に到達すると互いに結合し非常に高い効率で空気伝播光６に変換される。
この現象を強く発現させるためには、リッジ構造の形状に二つの条件を満たさなければならない。すなわち、（i）リッジ平坦面の横幅Ｗが２λ（λ：発光波長）以下、望ましくは発光波長程度であることが必要である。（ii）光が傾斜面で全反射を開始する位置（エバネッセント光の発生位置）から平坦面までの距離Ｌを発光波長より短くしなければならない。これは、言い換えれば、光が傾斜面で全反射を開始する位置、すなわち光が全反射の臨界角４に相当する角度で傾斜面に到達する位置から平坦面までの距離を発光波長より短くなるように活性層の位置を調整する必要があることを意味する。
活性層が上記（ii）の条件より深い場所に位置する場合、傾斜面で全反射する光の割合が減少するため、光の取出し効率、すなわち発光効率が小さくなる。したがって、上記（ii）の条件は、エバネッセント光の結合効果を最大限発現させるために必要なものであり、エバネッセント光の結合効果そのものの発現に必要不可欠な条件ではないことが理解されるべきである。
また、図１（ｂ）に示すように、活性層３がリッジ構造の外側、すなわちリッジ構造の谷よりも深い場所に位置する場合においても、リッジ構造の上部平坦面に対応する活性層領域から発生した光に対して強いエバネッセント光の結合効果を発現させることが可能である（特許文献２）。
また、リッジ構造の表面に半導体層より屈折率の低い薄膜、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、酸化インジウム・酸化スズ（ＩＴＯ）透明導電膜を堆積させると、半導体・低屈折率膜及び低屈折率膜・空気という二つの界面においてエバネッセント光の結合現象が発現し、光の取り出し効率がさらに高くなることも判明している。
この現象についてさらに研究を進めた結果、活性層のサイズ・位置を制御することによって発光の空間指向性を制御することが可能であることを判明し、本発明に至った。
この現象についてさらに研究を進めた結果、活性層のサイズ・位置を制御することによって発光の空間指向性を制御することが可能であることを判明し、本発明に至った。
図２に、図１（ａ）の構造に対して、ＦＤＴＤ（有限差分時間領域）法を用いてシミュレーションしたＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓリッジ構造の放射パターン（リッジ周辺の電界強度分布）の光源位置依存性を示す。ここで、リッジ平坦面の横幅を０．６μｍとし、発光波長を０．８μｍとした。また、量子井戸活性層７の幅および量子井戸から上部平坦面までの距離をそれぞれ０．６μｍ と０．９μｍとした。光源として横方向（リッジストライプに垂直な方向）に偏光する電気双極子を用いた。
図中の数値は点光源からリッジ構造の上部平坦面の中心までの距離を示す。白い点線８と黒い点線９はそれぞれ半導体と空気との界面および光の放射方向（主ピーク）を示す。この図から、点光源をリッジ構造の中心に配置した場合、光はリッジ平坦面の法線方向に高い指向性を持って放射されるのが分かる。これは、物理的に、傾斜面に沿う波数ベクトルを持つ両側のエバネッセント光が互いに結合した結果、リッジ構造の上部平坦面の法線方向に強く指向する波に変換されたとして理解できる。点光源の位置がリッジ構造の中心からずれてくると光はリッジ平坦面の法線方向に対して角度を持って放射されるようになる。点光源を量子井戸のエッジに配置した場合（リッジ中心との距離：３００ｎｍ）、光の放射方向（主ピーク）はリッジ平坦面の法線方向に対して約５５°の角度をなす。
したがって、キャリア（点光源）が量子井戸に均一に存在する場合、発光は主にリッジ平坦面の法線方向に対して±５５°程度の角度範囲内に分布し、従来の平坦基板のランバーシアン分布とほぼ同等な空間分布を示すことになる。逆の考え方をすれば、上記の結果は、活性層を幅がリッジ構造の上部平坦面の横幅より狭いストライプ状の微小領域に分割し、それを基板の面内方向（結晶成長方向に垂直）においてリッジ構造の上部平坦面に対応する領域（図２において量子井戸７に相当する領域）、望ましくはリッジ構造平坦面の中心付近に配置させることができれば、従来の平坦基板より高い空間指向性を実現できることを意味する。
以上、リッジ構造について説明をしてきた。しかし、この場合、リッジストライプに垂直な方向にのみエバネッセント光の結合効果がなく、３次元的に見て放射パターンはリッジストライプに沿う細い帯になる。上記現象を微細錐台構造に拡張すれば、すべての方向において高い指向性を実現することができる。
すなわち、前記個々のストライプ状の活性層を、さらに長さ方向に微小領域に分割し、それらを錐台構造の上部平坦面下に配置することができる。これによって、基板面と直交する全ての面内において発光強度の空間分布に高い指向性を持たせることが可能となる。３次元的に見て放射パターンは錐台構造の上部平坦面の法線方向に指向する細いビームになる。活性層のストライプの長さ方向への分割の形状と数は任意であり、必要に応じて調整することができる。
すなわち、前記個々のストライプ状の活性層を、さらに長さ方向に微小領域に分割し、それらを錐台構造の上部平坦面下に配置することができる。これによって、基板面と直交する全ての面内において発光強度の空間分布に高い指向性を持たせることが可能となる。３次元的に見て放射パターンは錐台構造の上部平坦面の法線方向に指向する細いビームになる。活性層のストライプの長さ方向への分割の形状と数は任意であり、必要に応じて調整することができる。
図３に、円錐台に対して行ったＦＤＴＤシミュレーションの結果を示す。シミュレーションにおいて、図２のリッジ構造のシミュレーションと同様に材料系としてＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓを想定し、発光波長を０．８μｍとした。また、円錐台の上部平坦面および底面の直径をそれぞれ０．５μｍと４．７μｍとした。発光源１０は上部平坦面から０．９μｍ離れた円錐台の中心に配置した。
図３（ｂ）、３（ｃ）はそれぞれ円錐台の中心を切断した面（図３（ａ）のＡＡ'切断面）における電界強度分布（１波長積分値）および円錐台の上部平坦面から１μｍ離れた場所における放射パターン１２を示す。同図から、この場合、光は円錐台の上部平坦面の法線方向１１に３次元的に高い指向性を持って放射されているのが分かる。
図３（ｂ）、３（ｃ）はそれぞれ円錐台の中心を切断した面（図３（ａ）のＡＡ'切断面）における電界強度分布（１波長積分値）および円錐台の上部平坦面から１μｍ離れた場所における放射パターン１２を示す。同図から、この場合、光は円錐台の上部平坦面の法線方向１１に３次元的に高い指向性を持って放射されているのが分かる。
ここで、円錐台についてのシミュレーション結果を示したが、同様な効果は原理的に任意の上部平坦面の形状を持つ錐台構造、例えば、上部平坦面の形状が３角形、４角形、６角形などの多角形である角錐台構造、上部平坦面の形状が作製プロセスの精度等により正確な円形からずれた円錐台構造、楕円錐台構造を用いても実現することが可能である。
また、上部平坦面のサイズ、すなわち、３角錐台の場合は最も長い辺の長さ、３角錐台以外の角錐台の場合は最も長い対角線の長さ、円錐台の場合は円の直径、楕円錐台の場合は楕円の長辺の長さを２λ（λ：発光波長）以下にすることによって、すべての傾斜面において発生したエバネッセント光に対して結合効果を発現させることが可能である。
また、上部平坦面のサイズ、すなわち、３角錐台の場合は最も長い辺の長さ、３角錐台以外の角錐台の場合は最も長い対角線の長さ、円錐台の場合は円の直径、楕円錐台の場合は楕円の長辺の長さを２λ（λ：発光波長）以下にすることによって、すべての傾斜面において発生したエバネッセント光に対して結合効果を発現させることが可能である。
また、リッジ構造の場合と同様に、エバネッセント光の結合効果を最大限発現させるためには、前記活性層の中心から発生した光が前記錐台構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から上部平坦面となる地点までの距離がλ（発光波長）以下となるように、成長方向における活性層の位置を調整することが望ましい。
さらに、活性層の形状も円形や正方形などの対称形状のほか、楕円形や長方形などの非対称形状を用いることも可能である。特に、非対称形状を用いることによって、光の放射パターンを様々な形状に制御することが可能である。
さらに、活性層の形状も円形や正方形などの対称形状のほか、楕円形や長方形などの非対称形状を用いることも可能である。特に、非対称形状を用いることによって、光の放射パターンを様々な形状に制御することが可能である。
上記のシミュレーションにおいて、材料系としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを例として用いたが、この現象は特定の材料系に限定したものではなく、原理的にあらゆる材料系に適用可能である。実際に、可視光ＬＥＤの重要な材料であるＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＮについてシミュレーションを行ったところ、ＧａＡｓ系と同様な結果が得られている。ただ、その場合、材料の屈折率および発光波長に応じてリッジ構造や錐台構造の寸法を調整する必要があることは容易に理解されるべきである。
さらに、エバネッセント光の結合現象は、少なくとも通常の半導体ＬＥＤの発光スペクトル波長範囲（〜数十ｎｍ）において、発光波長にほとんど依存しないことがシミュレーションおよびフォトルミネセンスによる発光特性評価の両面から確認されている。このため、動作温度や注入電流の変化によって素子の発光波長が多少ずれても、指向性にほとんど影響を与えない。
（実施例１）
以下に、図４を用いて、本発明に係る第１の実施例について説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、サファイアー基板２０上にＧａＮ低温バッファー層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層障壁層２１（〜４μｍ、ｎ＝２ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＧａＮ（１０ｎｍ）/Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（３ｎｍ）多重量子井戸（３〜５周期）活性層２２、ＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ電子ブロック層（２０ｎｍ）、ＭｇドープＧａＮ障壁層２３（〜４０ｎｍ）を順次成長させる。なお、図において、簡単のため、低温バッファー層および電子ブロック層が省略されている。
以下に、図４を用いて、本発明に係る第１の実施例について説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、有機金属気相エピタキシー法（ＭＯＣＶＤ）を用いて、サファイアー基板２０上にＧａＮ低温バッファー層、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層障壁層２１（〜４μｍ、ｎ＝２ｘ１０１８ｃｍ−３）、ＧａＮ（１０ｎｍ）/Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（３ｎｍ）多重量子井戸（３〜５周期）活性層２２、ＭｇドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ電子ブロック層（２０ｎｍ）、ＭｇドープＧａＮ障壁層２３（〜４０ｎｍ）を順次成長させる。なお、図において、簡単のため、低温バッファー層および電子ブロック層が省略されている。
次に、上記ウェハー表面上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ約１００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を堆積させる。次に、例えば、ｉ線露光装置を用いて、上記試料表面上に直径約５００ｎｍの円形のフォトレジストパターンを形成する。また、この時、次の工程で露光マスクの位置合わせに必要なアライメントマークを試料の適当な場所に同時に形成する。その後、バッファードフッ酸を用いてＳｉＯ２膜をエッチングする。
この時、最終的に残るＳｉＯ２パターンの直径が１００〜２００ｎｍ程度になるように、エッチングの時間を調整する。この工程によって、ＧａＮ表面上に直径が１００〜２００ｎｍ程度で、エッジがテーパー状の円形のＳｉＯ２パターン２４が形成される（図４（ｂ）参照）。
次に、円形のＳｉＯ２パターン２４をマスクとして用いて、塩素をガスとしたＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチングにより、ＳｉＯ２パターン以外の領域をｎ−ＧａＮ層２１に達するまで（深さ〜１００ｎｍ）エッチングする。ここで、できるだけ量子井戸活性層へのダメージの少ないエッチング条件を用いる。その後、ＳｉＯ２マスクをバッファードフッ酸により除去する。この工程により、表面上に直径が１００〜２００ｎｍ程度の微小領域化された量子井戸活性層を含む円柱状（より正確に円錐台状）のＧａＮパターンが形成される（図４（ｃ））。
次に、上記試料をＭＯＣＶＤ成長装置に導入し、厚さ約５００ｎｍのＭｇドープＧａＮ層２５を再成長させる。なお、この時、活性層へのダメージを抑えるため、再成長は９００〜１０００℃程度の比較的低い温度で行うのが望ましい。この再成長により、試料の表面はほぼ平坦化される。成長後、試料を７５０〜８００℃で２０分間アニールし、Ｍｇを活性化させる。次に、プラズマＣＶＤ法を用いて上記試料表面上に厚さ約２００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積させる。
次に、ｉ線露光装置を用いて、試料表面上に直径１μｍ程度の円形のフォトレジストパターンを形成する。この時、図４（ｃ）の工程で形成した円形状の活性層がレジストパターンの中心に来るように、アライメントマークを用いて露光マスクの位置を調整する。次に、バッファードフッ酸によりＳｉＯ２膜をエッチングし、エッジがテーパー状のＳｉＯ２パターン２６を形成する（図４（ｄ））。この時、ＳｉＯ２パターンの上部平坦面の直径が３００〜４００ｎｍとなるようにエッチング時間を調整する。
次に、ＳｉＯ２パターン２６をマスクとして用いて、再成長ＧａＮ層２５をＩＣＰ法によりエッチングする。この時、ＳｉＯ２マスク２６のテーパー形状がＧａＮ層２５に転写され、ｐ−ＧａＮの円錐台構造２７が形成される。ここで、錐台の谷が、ｎ型ＧａＮ層に達しないようにエッチング時間を調整する。
次に、ＩＴＯ透明導電膜（厚さ〜１５０ｎｍ）をスパッター法により試料全面に成膜した後、５５０℃で２０分間アニール処理を行い、ｐ型オーミック電極２８を形成する（図４（ｅ））。ここで、ＩＴＯ透明導電膜はオーミック電極として機能すると同時に、エバネッセント光の二重結合効果の発現に必要な低屈折率膜としても働く。
最後に、図４には書いていないが、ｎ−ＧａＮ表面上の所定の場所にｎ型オーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）、ＩＴＯ膜表面上にｐ型ボンディングパッド（Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕ）をそれぞれ従来の方法で形成する。
次に、ＩＴＯ透明導電膜（厚さ〜１５０ｎｍ）をスパッター法により試料全面に成膜した後、５５０℃で２０分間アニール処理を行い、ｐ型オーミック電極２８を形成する（図４（ｅ））。ここで、ＩＴＯ透明導電膜はオーミック電極として機能すると同時に、エバネッセント光の二重結合効果の発現に必要な低屈折率膜としても働く。
最後に、図４には書いていないが、ｎ−ＧａＮ表面上の所定の場所にｎ型オーミック電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）、ＩＴＯ膜表面上にｐ型ボンディングパッド（Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉ／Ａｕ）をそれぞれ従来の方法で形成する。
この実施例のデバイスの場合、注入されたキャリアがエッチング界面に存在する欠陥や深い準位にトラップされない工夫を講じることが必要である。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸の場合、Ｉｎ組成の揺らぎにより量子井戸の中にＩｎリッチの領域（エネルギー準位が低い）が局所的に形成されており、注入されたキャリアが転移や欠陥によってトラップされるのを効果的に防いでいる。
実際に、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を直径５００ｎｍ程度の柱状にドライエッチングで加工しても内部量子効率がほとんど落ちないことが報告されている。本実施例のデバイスを他の材料系、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどに応用する場合、界面ダメージのより少ないウェットエッチング法を用いたり、活性層に量子ドット構造を導入したりするなどの方法が有効であると考えられる。
（実施例２）
以下に、図５を用いて本発明に係る第２の実施例について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて（００１）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板上３０に、ＡｌＧaＩｎＰ第１障壁層３１、ＧａＩｎＰ量子井戸層３２、ＡｌＧaＩｎＰ第２障壁層３４を少なくとも有する量子井戸構造を成長する。ここで、説明を簡単にするため、ドーピング構造やバッファー層、キャップ層などを省略した。
また、必要に応じて[１１０]方向に５度〜１５度傾斜するＧａＡｓ基板を使用し、ＭＯＣＶＤ成長における秩序化現象によるバンドギャップエネルギーの縮小現象を抑える。また、量子井戸層から試料表面までの距離を１００程度ｎｍとする。次に、試料表面上に実施例１と同様なプロセスを用いて直径１００〜２００ｎｍ程度の円形のＳｉＯ２パターン３３を形成する。また、この工程において、次の工程で露光マスクの位置合わせに必要なアライメントマークを試料の適当な場所に同時に形成する。
以下に、図５を用いて本発明に係る第２の実施例について説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて（００１）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板上３０に、ＡｌＧaＩｎＰ第１障壁層３１、ＧａＩｎＰ量子井戸層３２、ＡｌＧaＩｎＰ第２障壁層３４を少なくとも有する量子井戸構造を成長する。ここで、説明を簡単にするため、ドーピング構造やバッファー層、キャップ層などを省略した。
また、必要に応じて[１１０]方向に５度〜１５度傾斜するＧａＡｓ基板を使用し、ＭＯＣＶＤ成長における秩序化現象によるバンドギャップエネルギーの縮小現象を抑える。また、量子井戸層から試料表面までの距離を１００程度ｎｍとする。次に、試料表面上に実施例１と同様なプロセスを用いて直径１００〜２００ｎｍ程度の円形のＳｉＯ２パターン３３を形成する。また、この工程において、次の工程で露光マスクの位置合わせに必要なアライメントマークを試料の適当な場所に同時に形成する。
次に、上記試料をＺｎ３Ｐ２を原料とする閉管式拡散炉またはジメチル亜鉛、ジエチル亜鉛などのＺｎ原料を備えるＭＯＣＶＤ装置に導入し、５００〜６００℃の温度において、Ｚｎ拡散処理を行う。ＡｌＧａＡｓ/ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ/ＧａＩｎＰなどのＡｌとＧａを含むヘテロ構造の中にＺｎを高濃度に拡散させると、ヘテロ界面においてＡｌ原子とＧａ原子の相互拡散が起き、ヘテロ構造が混晶化（無秩序化）されることがよく知られている。
本実施例の場合、ＳｉＯ２マスクによって保護されていない領域からヘテロ構造の無秩序化、すなわちＡｌＧａＩｎＰ/ＧａＩｎＰ量子井戸の混晶化が進み、ＳｉＯ２マスクの直下にのみ量子井戸が残ることになる。また、ここでＳｉＯ２マスクの直下にサイズ１００ｎｍ程度の量子井戸が残るように、Ｚｎ原料の流量や拡散温度、拡散時間などのパラメーターを調整する。無秩序化された領域３５は、そのバンドギャップエネルギーがＧａＩｎＰ量子井戸層より高くなるので、横方向（基板面内方向または成長面内方向）においてＳｉＯ２マスクの直下に残された量子井戸のキャリア閉じ込め層として機能する。以上の工程により、成長面内において、面積が次工程で最終的に形成される円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい円形の微小発光領域が形成される（図５（ｂ））。
次に、ＳｉＯ２マスク３３をバーファッドフッ酸により除去した後、試料をＭＯＣＶＤ装置に導入し、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ障壁層３６を再成長させる（図５（ｃ））。再成長層の膜厚を６００〜７００ｎｍ程度とする。
次にｉ線露光装置により、図５（ａ）の工程で形成したアライメントマークを利用し、試料表面上に直径５００〜６００ｎｍ程度の円形のフォトレジストパターン３７をその中心が図５（ｂ）の工程で形成した微小領域化された量子井戸活性層の中心と一致するように形成する。ここで、フォトレジストとして例えば住友化学製のｉ線露光用フォトレジストＰＦＩ３８Ａを使用する。
次にｉ線露光装置により、図５（ａ）の工程で形成したアライメントマークを利用し、試料表面上に直径５００〜６００ｎｍ程度の円形のフォトレジストパターン３７をその中心が図５（ｂ）の工程で形成した微小領域化された量子井戸活性層の中心と一致するように形成する。ここで、フォトレジストとして例えば住友化学製のｉ線露光用フォトレジストＰＦＩ３８Ａを使用する。
次に、上記フォトレジストパターンを１８０〜１９０℃の温度でリフローさせ、レジストパターンの断面形状を略円弧形に変更させる。次にこのように形成したレジストパターン３７をマスクに用いて、Ｃｌ２、ＢＣｌ３をガスとしたＩＣＰエッチングにより、上記試料をエッチングする。この時、レジストマスクの略円弧形状が試料に転写され、微小領域化された量子井戸活性層を囲むように微小円錐台３８が形成される（図５（ｄ））。
次に、ｐ型オーミック電極およびエバネッセント光の二重結合効果の発現に必要な低屈折率膜としてＩＴＯ透明導電膜を試料表面全面に成膜する。最後に、図５に示していないが、表面にボンディングパッド、裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ形成する。
次に、ｐ型オーミック電極およびエバネッセント光の二重結合効果の発現に必要な低屈折率膜としてＩＴＯ透明導電膜を試料表面全面に成膜する。最後に、図５に示していないが、表面にボンディングパッド、裏面にｎ型オーミック電極をそれぞれ形成する。
本発明の発光ダイオードは、従来技術より優れた空間指向性を動作温度や注入電流による影響をほとんど受けることなく安定的に得られる特徴を持っており、光通信やリモートセンシング、ＬＥＤプリンターのヘッドアレイ、プロジェクタなどの様々な技術分野への応用が可能と考える。
１：リッジ構造
２：エバネッセント光
３：量子井戸活性層
４：全反射の臨界角
５：傾斜面の法線
６：伝播光
７：量子井戸発光層
８：リッジ構造と空気との境界線
９．光の放射方向（主ピーク）を示す黒い点線
１０．点光源
１１．光の放射方向を示す点線
１２．光の放射パターン（ファーフィールドパターン）
２０．サファイアー基板
２１．ＳｉドープＧａＮ
２２．ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層
２３．ＭｇドープＧａＮ
２４．ＳｉＯ２マスクパターン
２５．再成長ＭｇドープＧａＮ
２６．ＳｉＯ２マスクパターン
２７．円錐台構造
２８．ＩＴＯ透明導電膜
３０．ＧａＡｓ基板
３１．ＡｌＧａＩｎＰ
３２．ＧａＩｎＰ量子井戸層
３３．ＳｉＯ２マスク
３４．ＡｌＧａＩｎＰ
３５．Ｚｎ拡散領域
３６．再成長ＡｌＧaＩｎＰ層
３７．フォトレジストマスク
３８．円錐台構造
３９．ＩＴＯ透明導電膜
２：エバネッセント光
３：量子井戸活性層
４：全反射の臨界角
５：傾斜面の法線
６：伝播光
７：量子井戸発光層
８：リッジ構造と空気との境界線
９．光の放射方向（主ピーク）を示す黒い点線
１０．点光源
１１．光の放射方向を示す点線
１２．光の放射パターン（ファーフィールドパターン）
２０．サファイアー基板
２１．ＳｉドープＧａＮ
２２．ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層
２３．ＭｇドープＧａＮ
２４．ＳｉＯ２マスクパターン
２５．再成長ＭｇドープＧａＮ
２６．ＳｉＯ２マスクパターン
２７．円錐台構造
２８．ＩＴＯ透明導電膜
３０．ＧａＡｓ基板
３１．ＡｌＧａＩｎＰ
３２．ＧａＩｎＰ量子井戸層
３３．ＳｉＯ２マスク
３４．ＡｌＧａＩｎＰ
３５．Ｚｎ拡散領域
３６．再成長ＡｌＧaＩｎＰ層
３７．フォトレジストマスク
３８．円錐台構造
３９．ＩＴＯ透明導電膜
Claims (9)
- 第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１）前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であり、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも二つの傾斜面によって構成されるリッジ構造を備え、（１） 前記リッジ構造の上部平坦面の幅が２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層が、幅が前記リッジ構造の上部平坦面の幅より狭いストライプ状の微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記リッジ構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記リッジ構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から平坦面となる地点までの最短距離がλ（λ：発光波長）以下であることを特徴とする発光ダイオード。
- 第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、又は円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の直径が２λ（λ：発光波長）以下であり、（２）前記活性層の面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であり、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていることを特徴とする発光ダイオード。
- 第１導電型の障壁層、発光層となる活性層、第２導電型の障壁層を少なくとも備える発光ダイオードにおいて、前記発光ダイオードの光取り出し側の表面に一つの平坦面と少なくとも三つの傾斜面によって構成される角錐台構造、又は円錐台構造を備え、（１）前記角錐台構造の上部平坦面の最も長い対角線の長さ若しくは辺の長さが２λ（λ：発光波長）以下、又は前記円錐台構造の直径が２λ（λ：発光波長）以下であること、（２）前記活性層の面積が前記角錐台構造又は円錐台構造の上部平坦面の面積より小さい微小領域であること、（３）前記活性層が基板面内方向（結晶成長方向に垂直）において前記角錐台構造または円錐台構造の上部平坦面に対応する場所に配置されていること、（４）前記活性層の中心から発生した光が前記角錐台構造又は円錐台構造の傾斜面と空気との界面にて全反射を開始する地点から上部平坦面となる地点までの最短距離がλ以下であることを特徴とする発光ダイオード。
- 前記リッジ構造が、アレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記角錐台構造又は円錐台構造が、アレイ状に複数配列していることを特徴とする請求項３〜４のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記活性層が、量子ドットを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記発光ダイオードの電流注入のための第１導電型のオーミック電極は、前記リッジ構造又は角錐台構造若しくは円錐台構造の最表面層より屈折率の小さい透明導電膜であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光ダイオード。
- 前記透明導電膜は、前記リッジ構造又は前記角錐台構造若しくは円錐台構造の少なくとも一部を覆うように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオード。
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