JP4610863B2 - フォトニック結晶構造を使用するｌｅｄ効率の改良 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオードに関し、更に詳しくは、フォトニック結晶構造を有する発光ダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、技術的及び経済的に有利な半導体光源である。ＬＥＤは、高輝度の光を確実にもたらすことができ、従って過去数十年の間に、平面パネルディスプレイ、交通信号灯、及び、光通信を含む数多くの用途において重大な役割を果たすようになってきた。ＬＥＤは、順方向にバイアスされるｐ−ｎ接合を含む。電流によって駆動された時、電子及び正孔が接合領域内に注入され、そこでそれらは再結合し、光子を発することによってそれらのエネルギを解放する。ＬＥＤの品質は、例えば、ＬＥＤチップ内で発生した所定数の光子に対して、発せられた光の強度を測る抽出効率によって特徴付けることができる。抽出効率は、とりわけ、発せられた光子が屈折率の高い半導体媒体の壁で多重内部全反射を受けることによって制限される。その結果、発せられた光子は自由空間の中に逃げず、一般的に３０パーセントよりも低い悪い抽出効率をもたらす。
【０００３】
過去３０年において、ＬＥＤの抽出効率を高めるために様々な手法が提案されてきた。抽出効率は、立方体、円筒形、ピラミッド形、及び、ドーム形状を含む適切な幾何学的形状を創出することで、例えば、発せられた光子が逃げることができる空間的角度を拡大することによって増大させることができる。しかし、これらの幾何学形状のいずれも、全反射による損失を完全に解消することはできない。
【０００４】
損失の更なる原因は、ＬＥＤと周囲媒体との間の屈折率の不一致によって引き起こされる反射である。このような損失は、反射防止コーティングで低減することができるであろうが、反射の完全な相殺は、特定の光子エネルギ及び１つの入射角においてのみ達成することができる。
【０００５】
Ｊ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他に付与された「周期的誘電構造を利用する発光素子」という名称の米国特許第５，９５５，７４９号では、抽出効率を高めるという問題への手法が説明されている。米国特許第５，９５５，７４９号によれば、発光ダイオードの半導体層に穴の格子を形成することによってフォトニック結晶が作り出される。穴の格子は、周期的に変調される誘電率を有する媒体を作り出し、その媒体を通る光の伝播の仕方に影響を与える。発光ダイオードの光子は、光子のエネルギと波長との関係を説明するそれらのスペクトル又は分散関係によって特徴付けることができる。フォトニック結晶のスペクトルは、２つのクラスから成る。放射クラスの光子は、自由空間の光子のスペクトルに一致するエネルギ及び波長を有し、その結果、放射光子は、発光ダイオードから逃れることができる。一方、誘導クラスの光子は、自由空間の光子のスペクトルに一致しないエネルギ及び波長を有し、従って、誘導された光子は発光ダイオードに補足される。この誘導光子は、内部全反射を受ける上述の光子と類似のものである。
【０００６】
フォトニック結晶における誘導光子のスペクトルは、結晶格子における電子のスペクトルと類似の、バンドギャップによって分離されたエネルギバンド又はフォトニックバンドから成る。バンドギャップにエネルギを有する誘導光子は、フォトニック結晶に伝播することはできない。これとは対照的に、放射光子のスペクトルは連続であり、従ってギャップはない。一般的なＬＥＤにおける再結合プロセスによって、明確なエネルギを有する光子が発せられる。従って、発せられた光子のエネルギがフォトニック結晶のバンドギャップ内に入るようにフォトニック結晶がＬＥＤに形成された場合、誘導光子はこのようなエネルギを有して存在することができないので、全ての発せられた光子は放射光子として発せられる。上述のように、全ての放射光子はＬＥＤから逃れることができるので、このように設計することによりＬＥＤの抽出効率は増大する。
【０００７】
光の発生を目的としたフォトニック結晶の有用性を探究するために、米国特許第５，９５５，７４９号は、フォトニック結晶素子の理論的構造の部分的説明を与えている。
【０００８】
米国特許第５，９５５，７４９号では、ｎ型ドープ層、活性層、ｐ型ドープ層、及び、これらの層に形成された穴の格子が説明されている。しかし、米国特許第５，９５５，７４９号の装置は作動するようにはされておらず、従ってＬＥＤではない。第一に、フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）がうまく動作するためには電子が必要とされるが、電子については説明されていない。通常のＬＥＤにおける電極の製作は、当業技術で公知である。しかし、ＰＸＬＥＤについては、電極の製作、及び、ＰＸＬＥＤの作動に及ぼす電極の影響のいずれについても明白というわけではない。例えば、電極層のマスクを穴格子と適切に位置合わせするには、新しい製作技術が必要とされるであろう。また、電極は、発せられた光子の一部分を反射してＬＥＤ内に戻し、発せられた光の別の部分を吸収するので、一般的に抽出効率を低減すると考えられている。
【０００９】
第二に、米国特許第５，９５５，７４９号では、ＧａＡｓからフォトニック結晶発光素子を製作することを提案している。ＧａＡｓは、確かに、通常のＬＥＤを製作する上で便利であり、従って一般的な材料である。しかし、それは、例えばアカデミック・プレス（１９９２年）出版の「複合半導体素子物理」においてＳ・ティワリによって説明されているように、約１０⁶ｃｍ／ｓｅｃという高い「表面再結合速度」を有する。この表面再結合速度は、ダイオード表面上での電子及び正孔の再結合の速度を表すものである。電子及び正孔は、ＬＥＤの接合領域に存在し、それぞれ、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層から来たものである。電子及び正孔が半導体ギャップに亘って再結合した時、その再結合エネルギは光子の形で放射され、光を発生させる。しかし、電子及び正孔がギャップでの中間電子状態を通して再結合した時、その再結合エネルギは光子ではなく熱の形で放射され、ＬＥＤの発光効率が低減される。理想的な結晶では、ギャップに状態は存在しない。また、今日の高純度半導体結晶においては、大部分の材料においてギャップに状態はほとんど存在しない。しかし、半導体の表面上には、一般的に多くの表面状態及び欠陥状態が存在し、その多くはギャップ内である。従って、表面近傍にある電子及び正孔の多くの部分は、これらの表面状態及び欠陥状態を通して再結合することになる。この表面再結合によって光ではなく熱が発生し、ＬＥＤの効率がかなり低減される。
【００１０】
このような問題は、通常のＬＥＤ構造に対しては重大な効率の損失をもたらさない。しかし、ＰＸＬＥＤは多数の正孔を含み、従って、通常のＬＥＤよりも遥かに大きな表面積を有する。従って、表面再結合は、ＰＸＬＥＤの効率をフォトニック結晶構造のない同じＬＥＤの効率よりも低く低減させることができる場合があり、フォトニック結晶構造の形成を無意味なものにする。ＧａＡｓは、高い表面再結合速度を有することから、フォトニック結晶ＬＥＤの製作に関して有望な候補ではない。この問題の重大性は、本出願者の知る限り、活性領域近傍のフォトニック結晶を有する作動ＬＥＤは、ＧａＡｓを用いて抽出又は内部効率の向上を主張する文献にこれまで報告されていないという事実が反映している。特に、米国特許第５，９５５，７４９号では、フォトニック結晶ＬＥＤの順調な作動については説明されていない。また、米国特許第５，９５５，７４９号では、ＬＥＤの内部効率に影響を与える可能性がある発光プロセスに及ぼすフォトニック結晶の影響については説明されていない。
【００１１】
上述の理由からフォトニック結晶は光抽出に関して有望であるが、そのデザインには問題がある。半導体のスラブに形成された穴格子に関する実験を説明するいくつかの論文がある。バンドギャップの光子エネルギでの抽出速度の向上は、「２次元フォトニックバンドギャップ結晶スラブからの変更された自然発光」（米国光学学会誌Ｂ、第１７巻、１４３８ページ、２０００年）においてＲ・Ｋ・リー他によって報告されている。リー他は、発光デザインにおけるフォトニック結晶の抽出上の利点を示しているだけでなく、フォトニック格子が自然発光に影響を与える可能性があるということを示している。しかし、リー他は、このデザインを用いて発光素子を形成及び作動させる方法を示していない。フォトニック結晶ＬＥＤは、電極を含むことにより、リー他の発光デザインから形成することができる。しかし、電極の追加は、抽出及び自然発光に実質的な影響を及ぼすことになる。この影響は未知であるから、ＬＥＤの設計において無視することができない。リー他のデザインはこのような電極を含まないので、そのデザインから形成されるＬＥＤの全体的特性は明らかではない。これによって、リー他のデザインの有用性が疑問視されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、作動的フォトニック結晶ＬＥＤを製作する新しいデザインに対する必要性が存在する。この必要性には、十分に低い表面再結合速度を有する新しい材料の導入が含まれる。この必要性はまた、自然発光率の低減及び電極による反射のような予測される逆効果を相殺するデザインにまで広がる。最後に、電極の製作を含むフォトニック結晶ＬＥＤの製作に関する技術を説明する必要性が存在する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、フォトニック結晶発光ダイオードが提供される。ＰＸＬＥＤは、ｎ型ドープ層と、発光活性層と、ｐ型ドープ層と、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層のための電極とを含む。フォトニック結晶は、活性層の近傍まで又は活性層を通って遠くまで延びる、活性層における又はドープ層の１つにおける周期的な構造として形成される。一実施形態においては、この周期的な構造は、穴の二次元格子である。穴は、円形、正方形、又は、六角形の断面を有することができる。穴は、空気又は誘電体で充填することができる。別の実施形態においては、周期的な構造は一次元においてのみ周期的であり、その例は一組の平行な溝である。別の実施形態において、ＰＸＬＥＤの誘電率は、半導体層の平面内の一方向又は二方向で変化することができる。別の実施形態においては、選択された層の厚みは、半導体層の平面内の一方向又は二方向で変化することができる。
【００１４】
穴格子を特徴付けるパラメータには、格子定数、穴の直径、穴の深さ、及び、穴内の誘電体の誘電率が含まれる。いくつかの実施形態においては、バンドの縁部近傍では光子の状態密度が大きいので、これらのパラメータは、発せられた光の波長がフォトニック結晶のエネルギバンドの縁部近傍にあるように選ばれる。再結合エネルギは、状態密度の大きい光子を通す方がはるかに効率的に放出することができる。従って、バンドの縁部近傍のエネルギを有する光を発する本発明の実施形態において、その発せられた出力は、周期的構造を持たない同じＬＥＤによって発せられた出力を最大約８倍まで超えることができる。この向上は、ＰＸＬＥＤの効率を高めてその発せられた出力を増加させる本発明の実施形態における金属電極層の存在に関連付けることができる。
【００１５】
本発明の実施形態は、窒素と、ガリウム、アルミニウム、又は、インジウムのようなＩＩＩ族元素とを含むＩＩＩ−窒素化合物から形成される。ＩＩＩ−窒素化合物は、「応用物理学会誌」（第８７巻、３４９７ページ、２０００年）掲載のＭ・ボロディツキ他の論文によれば、その表面再結合速度がＧａＡｓの十分の一よりも遅いために使用されている。上述のように、表面再結合速度が遅いと、フォトニック結晶構造を持たない通常のＬＥＤの効率を上回るほどＰＸＬＥＤの効率を上げることができ、「ＧａＮ ＰＸＬＥＤ」が光発生効率の改善に向けた技術的及び経済的に実行可能な候補になっている。
【００１６】
更に、「ＧａＮ ＬＥＤ」は、スペクトルの青色及び緑色の領域において光を発生させる主な候補であり、従って、それらの効率の増加が非常に望まれている。最後に、「ＧａＮ ＬＥＤ」の外部量子効率は１０パーセントの近傍である場合が多いので、フォトニック結晶の形成は、「ＧａＮ ＬＥＤ」の効率を実質的に改良することができる。本明細書においては、外部量子効率は、内部量子効率と抽出効率との積である。
【００１７】
ＰＸＬＥＤの新しい構造では、新規な製作技術が用いられる。本発明のいくつかの方法では、ｎ型ドープ層、ｎ型ドープ層の上に重なる活性層、活性層の上に重なるｐ型ドープ層、及び、ｐ型ドープ層の上に重なるｐ型電極層を形成することによりＰＸＬＥＤを製作する。いくつかの実施形態において、ｎ型ドープ層、活性層、及び、ｐ型ドープ層は、１つ又はそれ以上の層を含むことができる。次に、パターン化されたマスク層は開口部を有して形成され、ｐ型ドープ層の上に重なっている。このマスク層の開口部を通ってｐ型電極層及びその下にある半導体層が取り除かれ、適切に決められた断面を有する穴の格子を形成する。最後にマスク層が取り除かれ、ｎ型電極層がｎ型ドープ層上に堆積される。
【００１８】
本発明のいくつかの方法においては、開口部を有するパターン化されたマスク層を基板上に形成することによりＰＸＬＥＤが作製される。次に、マスク層の上に重なるｎ型ドープ層、ｎ型ドープ層の上に重なる活性層、活性層の上に重なるｐ型ドープ層、及び、ｐ型ドープ層上のｐ型電極層を形成するために、エピタキシャル横方向過度成長技術（ＥＬＯＧ）が用いられる。ＥＬＯＧ技術によって、欠陥密度が低い半導体層が作製され、ＰＸＬＥＤの性能及び信頼性が改善される。第２の基板が電極層上に形成され、第１の基板は、マスク層を露出させるために取り除かれる。次に、穴格子を形成するために、半導体層がマスク層の開口部を通して少なくとも部分的に取り除かれる。最後に、マスク層がｐ型電極層として使用され、ｎ型電極層がｎ型ドープ層上に形成される。
【００１９】
本発明のいくつかの方法においては、第１のマスク層を基板上に形成することによりＰＸＬＥＤが作製される。次に、マスク層の上に重なるｎ型ドープ層、ｎ型ドープ層の上に重なる活性層、及び、活性層の上に重なるｐ型ドープ層を形成するために、エピタキシャル横方向過度成長技術が用いられる。次に、第１のマスク層の開口部に亘る光の回折を利用し、「タルボット」効果を用いて、ｐ型ドープ層の上に重なる第２のパターン化されたマスク層が形成される。次に、穴格子を形成するために、半導体層が第１のマスク層の開口部を通して少なくとも部分的に取り除かれる。最後に、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層の両方に対して電極層が形成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）１００の実施形態を示す。第１の電極層１０４は、実質的に反射性の厚い金属から形成される。いくつかの実施形態において、第１の電極層１０４は基板の役目も果たす。いくつかの実施形態においては、第１の電極層１０４は、基板の上に重ねることができる。第１の電極層１０４を形成するのに、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、及び、大量にドープされた半導体を含む、多くの異なる金属を使用することができる。ｎ型ドープ層１０８は、第１の電極層１０４の上に重なる。活性層１１２は、ｎ型ドープ層１０８の上に重なる。ｐ型ドープ層１１６は、活性層１１２の上に重なる。最後に、第２の電極層１２０は、ｐ型ドープ層１１６の上に重なる。半導体層１０８、１１２、及び、１１６は、エピ層１２４といわれることが多い。本出願全体に亘って、「層」という用語は、単一の半導体層又は多層構造のいずれも示すことができ、多層における個々の層は、ドーパント濃度、合金組成、又は、他の何らかの物理特性が異なっている。
【００２１】
活性層１１２は、ｎ型ドープ層１０８の電子がｐ型ドープ層１１６の正孔と再結合して光子の形で再結合のエネルギを発する接合領域を含む。活性層１１２は、光子の発生を最適化するために量子井戸構造を含むことができる。多くの異なる量子井戸構造は、例えば、１９９７年にアソシエーテッド・プレスから出版された「高輝度発光ダイオード」におけるＧ・Ｂ・ストリングフェロー及びＭ・ジョージ・クローフォードによるものなど、文献にその説明がある。
【００２２】
ＰＸＬＥＤのフォトニック結晶は、周期的な構造をＬＥＤに形成することによって作製される。周期的な構造は、交替する最大値及び最小値を伴うｐ型ドープ層１１６の厚みの周期的変動を含むことができる。一例は、穴１２２−ｉの平面格子であり、整数ｉは穴を指し示す。本実施形態においては、穴１２２−ｉはスルーホールであり、ｎ型ドープ層１０８、活性層１１２、及び、ｐ型ドープ層１１６において形成される。いくつかの実施形態においては、穴１２２−ｉは、ｐ型ドープ層１１６及び活性層１１２において形成される。いくつかの実施形態においては、穴１２２−ｉは、ｐ型ドープ層１１６においてのみ形成され、活性層１１２の近傍まで延びる。例えば、穴１２２−ｉは、ｐ型ドープ層１１６において、発せられた光の１波長以内で活性層１１２から延びることができる。いくつかの実施形態において、周期的な構造の周期と発せられた光の空気中の波長との比は、約０．１から約５の範囲である。周期対波長の比が０．１から５の範囲にある実施形態において、フォトニック結晶の形成は、ＰＸＬＥＤ１００の効率に大きな影響を与える場合がある。
【００２３】
穴１２２−ｉは、円形、正方形、六角形、及び、いくつかの他の種類の断面を有することができる。また、穴１２２−ｉは、空気か、又は、エピ層１２４の誘電率と異なる誘電率ε_hの誘電体で充填することができる。可能性のある誘電体には、酸化ケイ素が含まれる。
【００２４】
図２は、本発明の別の実施形態を示す。ＰＸＬＥＤ１００は、ホスト基板１０２上に形成され、ｎ型ドープ層１０８がホスト基板１０２の上に重なり、活性層１１２がｎ型ドープ層１０８の上に重なり、ｐ型ドープ層１１６が活性層１１２の上に重なり、第２の電極層１２０がｐ型ドープ層１１６の上に重なる。この実施形態において、ｎ電極層１０４は、ｎ型ドープ層１０８のフォトニック結晶から離れた区域の上に重なって形成され、ｎ電極層１０４の製作を技術的に簡単にする。このような実施形態の製作は、本明細書においてその全内容が引用により組み込まれる、例えば、Ｄ．Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ他に付与された「発光素子の電極構造」という名称の米国特許第６，３０７，２１８号Ｂ１に説明されている。
【００２５】
図３は、穴１２２−ｉの三角形格子として形成されたフォトニック結晶構造を示す。この格子は、穴１２２−ｉの直径ｄ、最も近い隣の穴の中心間の距離を示す格子定数ａ、穴の深さｗ（例えば、図１に示すもの）、及び、穴に配置された誘電体の誘電率ε_hによって特徴付けられる。このＰＸＬＥＤパラメータａ、ｄ、ｗ、及び、ε_hは、バンドの状態の密度、特に、フォトニック結晶のスペクトルのバンド縁部における状態の密度に影響を与える。
【００２６】
穴１２２−ｉの格子の格子構造はまた、効率に影響を与える。様々な実施形態において、穴１２２−ｉは、正方形、六角形、蜂の巣、及び、他の公知の二次元格子を形成する。
【００２７】
図４は、図１の特定実施形態の効率を示す。効率の指標は、図１の特定実施形態に関連して説明されることになるが、類似の実施形態においては、効率指標が類似の挙動を示す。図１のこの特定実施形態において、エピ層１２４は、元素Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及び、Ｎの適切に選択された合金の化学量論を用いることによりＡｌＧａＩｎＮから作られる。ｎ型ドープ層１０８は、シリコンでドープされ、ｐ型ドープ層１１６は、マンガンでドープされる。ｎ型ドープ層１０８及びｐ型ドープ層１１６は、活性層１１２内への効率的な担体注入に対して設計される。活性層１１２は、ＩｎＧａＮ層を含み、量子井戸を形成し、より低いＩｎ濃度を有するｎ型ＩｎＧａＮ層の間に挟まれる。発せられた光の波長λは、Ｉｎ濃度及び量子井戸の厚みを適切に選択することによって調節することができる。第１及び第２の電極層１０４及び１２０は、Ａｇ、Ａｌ、及び、Ａｕベースの電極材料を含む、反射性が高くて損失が少ない材料で形成される。格子は、図３に示すような三角形格子である。エピ層１２４の全厚は、０．３７５ａと２ａとの間であり、穴の直径ｄは０．７２ａである。第１の電極１０４は、ａ又はそれ以上の厚みを有し、第２の電極１２０は、０．０３ａの厚みを有する。活性層１１２の位置は、エピ層１２４の中心から０．０６２５ａ離れており、第１の電極層１０４に近い。ＰＸＬＥＤ１００の効率は、活性層１１２の位置に敏感である。
【００２８】
図４は、図１の上述の特定実施形態の効率の２つの指標を示す。実線は相対発光量を示し、破線は抽出効率を示す。相対発光量は、フォトニック結晶構造を有するＬＥＤによって光の形態で発せられた総出力を、周期的な構造を持たない同じＬＥＤによって発せられた総出力で割った比として定義される。効率の指標は、図４において光子周波数νの関数としてｃ／ａによって正規化されて示されており、ｃは空気中の光の速度、ａは格子間隔である。光子周波数ν及び光子エネルギＥは、ｈをプランクの定数として公知の関係Ｅ＝ｈνで関係付けられる。図４に示すように、相対発光量は、ν／（ｃ／ａ）＝０．７０の値の近傍で最大値を示す。ＰＸＬＥＤ１００の相対発光量は、フォトニック結晶構造を持たない同じＬＥＤの相対発光量と比較すると、最大値において約８倍である。ＰＸＬＥＤ１００の抽出効率は、周波数の関数として相対的に平坦である。ＰＸＬＥＤ１００の全体効率は、これらの量の積に比例するものであり、ＰＸＬＥＤ１００のパラメータが適切に選択された場合には、ＬＥＤにおいてフォトニック結晶を形成すると全体効率、従って発せられる出力が向上することを示している。
【００２９】
この実施形態において、格子は、発せられた光の周波数又はその近傍で相対発光量の最大値、従って全体効率が発生するように設計される。図４の実施形態において、相対発光量の最大値は、周波数ν＝０．７（ｃ／ａ）の近くで発生する。従って、活性層が波長λの光を発するＰＸＬＥＤにおいては、相対発光量の局所的最大値は、フォトニック結晶の格子間隔ａが約０．７λの場合には、発せられた光の周波数と実質的に一致することになる。ここでは、λν＝ｃという関係が波長λ及び周波数νを結びつけるために使用されている。例えば、発せられた光の波長λが５３０ｎｍの場合、格子間隔は３７１ｎｍである。
【００３０】
バンド構造及び対応する状態密度の分析によって、上記の出力向上は、バンド縁部近傍のエネルギで起こることがわかっている。光子の密度は、バンド縁部近傍で大きい。自然発光の比率は、状態密度に比例する。従って、状態密度が大きいと自然発光の比率が向上する。従って、実施形態は、発せられた光のエネルギがバンド縁部近傍にあり、その結果、ＰＸＬＥＤの効率が向上するように設計される。更に、ＰＸＬＥＤパラメータａ、ｄ、ｗ、及び、ε_hと、電極層のデザインとは、同じく抽出効率を向上させるように選択することができ、ＰＸＬＥＤの全体効率を最大限にする。ＰＸＬＥＤの効率は、電極層の存在及びそのデザインにかなり敏感であることを示している。
【００３１】
他の実施形態において、格子間隔の一般的な値は、約０．１λと約１０λとの間、好ましくは約０．１λと約４λとの間にある。穴の直径ｄの一般的な値は、約０．１ａと約０．５ａとの間にある。穴の深さｗの一般的な値は、ゼロとエピ層１２４の全厚との間にある。最後に、ε_hは、一般的に１と約１６との間にある。
【００３２】
エピ層１２４が約２ａ又はそれ以上の全厚を有する実施形態において、相対発光量の最大値は、２から３倍ほど小さい。これらの実施形態においては、最大値の方が電極層１０４及び１２０の有無によって受ける影響は小さい。
【００３３】
電極層が屈折率ｎの十分に大きな虚部のような十分な散逸性を有する実施形態においては、設計パラメータは、上述の値とはかなり異なる場合がある。発光量の効率は、発せられた光の偏光に左右される。しかし、穴の蜂の巣格子を有するＰＸＬＥＤは、偏光に鈍感な発光効率を有する光を発することができる。
【００３４】
図５Ａは、図２の実施形態の効率の２つの指標を示す。効率の指標は、図２の特定実施形態に関連して説明されることになるが、類似の実施形態においては、効率の指標は類似の挙動を示す。図２の実施形態において、エピ層１２４は、穴１２２−ｉにおいて部分的に取り除かれるに過ぎない。穴１２２−ｉの深さは、この特定実施形態において２ａである。図３のこの特定実施形態においては、エピ層１２４の全厚は約２ａよりも大きく、例えば６ａである。空気が充填されている穴は、約０．７２ａの直径ｄを有し、穴の深さは約２ａである。類似の結果は、約０．３ａと約ａとの範囲にある穴の直径に当てはまる。第２の電極層１２０は、約０．０９ａの厚みを有し、活性層１１２は、約０．５ａの厚みで形成される。
【００３５】
図５Ａは、図２の上述の特定実施形態の効率の２つの指標を示す。ここでもまた、実線は相対発光量を示し、破線は抽出効率を示す。図４と類似して、相対発光量は、周波数約ν＝０．３２５（ｃ／ａ）で最大値約２．７を有する向上を示す。更に、この実施形態においては、図４と異なり、抽出速度も周波数の関数として変動している。特に、抽出速度は、０．３（ｃ／ａ）から０．４５（ｃ／ａ）の範囲、及び、０．６５（ｃ／ａ）の近くで幅広い最大値を示す。
【００３６】
図５Ｂは、図５Ａにおける２つの量である抽出効率及び相対発光量の積を示す。上述のように、ＰＸＬＥＤの全体効率は、この積に比例する。図５Ｂで示すように、この実施形態の発せられた出力は、ここでもまた、フォトニック結晶構造を持たない対応するＬＥＤのそれよりも大きい。
【００３７】
図５Ｂによれば、全体効率は、約ν＝０．３２５（ｃ／ａ）及び約ν＝０．６３（ｃ／ａ）の正規化周波数で最大であることを示す。従って、活性層が波長λを有する光を発するＰＸＬＥＤにおいて、相対発光量の局所的最大値は、フォトニック結晶の格子間隔ａが約ａ＝０．３２５λ、又は、約ａ＝０．６３λである場合、発せられた光の周波数と実質的に一致することになる。ここでもまた、関係λν＝ｃが波長λ及び周波数νを結びつけるために使用される。例えば、発せられた波長λが５３０ｎｍである場合、格子間隔は、約１７２ｎｍ又は約３３４ｎｍになるように適切な選択することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態は、ある周波数において共振挙動を示す。これらの共振周波数において、発光のパターンは、他の周波数の発光とは異なる可能性がある。
例えば、周波数ν／（ｃ／ａ）＝０．５４の近傍においては、図２の実施形態は、その出力を第１の電極層ではなくて、ほとんど第２の電極層に向かって放射し、最小の抽出効率をもたらす。この最小値の存在は、ここでもまた、電極層の重要性を強調している。発生した光の多くの部分を選択された方向に発するＰＸＬＥＤを設計するのにこの効果を使用することができる。
【００３９】
電極層１０４及び１２０が屈折率ｎの大きな虚部のような実質的な散逸性を有する実施形態において、設計パラメータは、上述の値とかなり異なる場合がある。
【００４０】
周期的な構造は、既に形成された二次元の周期的構造の他に、１つ又はそれ以上の選択された半導体層の誘電率の変動をそれらの層の平面に垂直な方向に作り出すことによって三次元にすることができる。これは、例えば、選択された半導体層内に、交替式に２つの異なる合金混合物を有するいくつかの構造層を形成することによって達成することができる。
【００４１】
いくつかの実施形態において、周期的構造は、１つ又はそれ以上の選択された半導体層の厚みの変動である。この周期的構造は、半導体層の平面内の一方向に沿う厚みの変動を含むことができるが、変動のない第２の方向に沿っても延びて実質的に一組の平行な溝を形成する。厚みの二次元の周期的変動には、凹部の様々な格子が含まれる。
【００４２】
本実施形態及び以下の更なる実施形態は、ｎ型ドープ層が最初に堆積され、ｐ型ドープ層がｎ型ドープ層の上に重なって形成されるように説明されるが、ｐ型ドープ層が最初に堆積され、ｎ型ドープ層がｐ型ドープ層の上に重なって形成される逆のアーキテクチャを有するＬＥＤもまた、本発明の範囲内にあると理解される。
【００４３】
上述の通り、表面再結合速度が遅い半導体は、ＰＸＬＥＤを形成する上で有望な候補である。中間ギャップ状態を通して表面で再結合する電子及び正孔は、光ではなく熱の形でそれらのエネルギを放つ。従って、表面は、電流シンクとして作用し、ＰＸＬＥＤの効率を低減してしまう。効率の低減は、ＧａＡｓのような表面再結合速度が速い半導体で形成されたＰＸＬＥＤにおいては大きい。実際に、ＧａＡｓ製ＰＸＬＥＤの効率は、同じアーキテクチャであるがフォトニック結晶構造を持たないＧａＡｓ製ＰＸＬＥＤの効率を下回るほど低減される可能性がある。このような理由から、ＰＸＬＥＤをＧａＡｓで作製しても大きな利点が得られない。
【００４４】
これとは対照的に、ＧａＮ製ＬＥＤにおいてフォトニック結晶構造を形成すると、ＧａＮはＧａＡｓよりも表面再結合速度がはるかに遅いために、ＧａＮ製ＬＥＤの効率が大幅に上がる可能性がある。
【００４５】
従って、本発明の実施形態においては、エピ層１２４は、表面再結合速度が遅い半導体から形成される。適切な選択肢には、窒素と、ガリウムのようなＩＩＩ族元素とから形成されたＩＩＩ−窒素化合物半導体が含まれる。この選択の利点は、ＧａＡｓの表面再結合速度が約１０⁶ｃｍ／ｓｅｃであり、一方、ＧａＮの表面再結合速度は約３ｘ１０⁴ｃｍ／ｓｅｃであることに留意することによって認めることができる。表面再結合速度が遅いために、表面再結合プロセスは、ＧａＮにおいてはＧａＡｓよりも遥かに弱いものになる。更に、ＧａＮ内の担体の拡散距離もまた、ＧａＡｓよりもはるかに短い。従って、ＬＥＤ横断中に表面上に拡散する担体数は、ＧａＮにおいてはＧａＡｓよりもはるかに少ない。拡散によって表面に到達する担体数が少ないために、既に弱い表面再結合プロセスが更に弱くなる。
【００４６】
ＩＩＩ−窒素化合物ＬＥＤはまた、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、又は、それらの組み合わせを用いて形成することができる。
【００４７】
ＰＸＬＥＤの新しい構造は、新しい方法で作製することができる。図６Ａから図６Ｄまでは、ＰＸＬＥＤを作製する方法を示す。
【００４８】
図６Ａは、例えばサファイアとすることができるホスト基板１０２上にＰＸＬＥＤ１００を形成する段階を示す。ｎ型ドープ層１０８、活性層１１２、ｐ型ドープ層１１６、及び、第２の電極層１２０は、通常の堆積技術を用いて形成する。マスク層１２８は、第２の電極層１２０の上に重なるように形成される。
【００４９】
図６Ｂは、電子ビームリソグラフィ、ナノ・インプリントリソグラフィ、深部Ｘ線リソグラフィ、干渉法リソグラフィ、高温エンボス加工、又は、マイクロコンタクト印刷法のような高解像度リソグラフィ技術を用い、マスク層１２８内に開口部１３０−ｉの格子をパターン化する段階を示す。
【００５０】
図６Ｃは、マスク層１２８の開口部１３０−ｉの格子に対応するエピ層１２４を少なくとも部分的に取り除く段階を示す。図６Ｃにおいて、ｎ型ドープ層１０８は、部分的に取り除くに過ぎない。ほぼ垂直な壁は、ドライエッチング技術を用いて達成することができる。ドライエッチングによって引き起こされる損傷は、その後の短時間のウェット化学エッチング、焼き鈍し、その組み合わせ、又は、他の表面不活性化技術によって軽減することができる。
【００５１】
図６Ｄは、マスク層１２８を取り除く段階を示す。この段階は、第２の電極層１２０を露出させるものであり、従ってｐ型ドープ層１１６との電気接触をもたらすために使用することができる。最後に、ｐ型ドープ層１１６と活性層１１２とが取り除かれたｎ型ドープ層１０８の領域上に第１の電極層１０４が形成される。いくつかの実施形態においては、ｎ型ドープ層１０８は、その領域において既に同様に部分的に取り除かれている。第１の電極層１０４は、フォトニック結晶構造で置換されたｎ型ドープ層１０８の領域で形成することができ、その作製を容易にしている。第１の電極層１０４の形成に関する横方向のコンパクトな形状は、Ｄ．Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ他に付与された「発光素子の電極構造」という名称の米国特許第６，３０７，２１８号Ｂ１で説明されている。
【００５２】
ＬＥＤにおいて、電流は、第１の電極層１０４と第２の電極層１２０との間を流れる。上述の実施形態においては、第１の電極層１０４と第２の電極層１２０とは、水平方向に取り除かれた区域に形成されるので、電流の流れは実質的に水平な経路を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態において、ホスト基板１０２は良導体であり、従って、第１の電極層１０４は、ホスト基板１０２上に直接堆積させることができる。これらの実施形態において、電流の経路は、エピ層１２４を横切って実質的に垂直である。
【００５４】
いくつかの実施形態は、発生する光の大部分をホスト基板１０２を通して発生し、他の実施形態は、ＬＥＤの上部と呼ぶこともあるホスト基板１０２と反対の側を通して光の大部分を発生する。基板発光ＰＸＬＥＤにおいて、ホスト基板１０２は、実質的に透明な材料から形成され、第２の電極層１２０は、実質的に反射性又は不透明の材料から形成される。上部発光ＰＸＬＥＤにおいては、ホスト基板１０２は、実質的に反射性又は不透明の材料から形成される。いくつかの実施形態において、反射層は、ホスト基板１０２上に堆積される。
【００５５】
図６Ｅは、ホスト基板１０２が導体であるいくつかの実施形態において、第１の電極層１０４をエピ層１２４の反対側に当たるホスト基板１０２の側に形成することができることを示す。これらの実施形態において、電流経路は、ＰＸＬＥＤ１００全体を横切って実質的に垂直である。
【００５６】
図７Ａから図７Ｆまでは、ＰＸＬＥＤを作製する別の方法を示す。このエピタキシャル横方向過度成長（ＥＬＯＧ）技術は、例えば、ＧａＮベースのＬＥＤのようなＩＩＩ−窒素化合物ベースの半導体構造には有用であるとすることができる。ＧａＮ半導体は、割れ及び転移を含む欠陥の集中度が異常に大きい。このように欠陥集中度が高いと、信頼性不良、効率低下、及び、輝度減少をもたらす可能性がある。欠陥の多くは、成長基板の表面によって凝集される。ＥＬＯＧ技術によって、この欠陥集中が軽減され、上述の有害な影響が大幅に低減される。
【００５７】
図７Ａは、マスク層１２８を第１基板１０２上に形成する段階を示す。開口部１３０−ｉの格子は、電子ビームリソグラフィ、ナノ・インプリントリソグラフィ、深部Ｘ線リソグラフィ、干渉法リソグラフィ、高温エンボス加工、又は、マイクロコンタクト印刷法のような高解像度リソグラフィ技術によってマスク層１２８に形成することができる。
【００５８】
図７Ｂは、第１基板１０２及びマスク層１２８の上に重なるｎ型ドープ層１０８を形成する段階を示す。活性層１１２は、ｎ型ドープ層１０８の上に重なるように形成し、ｐ型ドープ層１１６は、活性層１１２の上に重なるように形成する。ＥＬＯＧ技術の特徴は、ｎ型ドープ層１０８の成長が主として開口部１３０−ｉの格子を通して第１基板１０２から始まるということである。従って、成長するｎ型ドープ層１０８は、マスク層１２８からまっすぐ上に成長するのではなく、横に広がって領域１３８−ｉ内に至る。
【００５９】
欠陥は、一般的に第１基板１０２によって凝集され、従って、主として開口部１３０−ｉの格子から発することになる。ｎ型ドープ層１０８の成長が広がって領域１３８−ｉ内に及ぶと、欠陥及び転位が終了し、過度成長領域において互いに消滅させる傾向がある。従って、欠陥の濃度は、開口部１３０−ｉの格子の真上にある欠陥が多い領域１３４−ｉにおいて高いことになり、一方、欠陥の濃度は、開口部１３０−ｉの格子間の欠陥の少ない領域１３８−ｉでは低いことになる。
【００６０】
図７Ｃは、ｐ型ドープ層１１６の上に重なる、結合層１２１及び第２基板１４２を形成する段階を示す。結合層１２１は、エピ層１２４を第２基板１４２に結合する。
【００６１】
図７Ｄは、レーザ・リフトオフ又はエッチング技術を用いて第１基板１０２をエピ層１２４から取り除く段階を示す。
【００６２】
図７Ｅは、マスク層１２８を用いてエッチング手順により穴１２２−ｉを形成する段階を示す。例えば、ドライエッチングを用いて、確実に穴１２２−ｉの壁がほぼ垂直になるようにすることができる。マスク層１２８の開口部１３０−ｉは、欠陥が多い領域１３４−ｉと位置合わせされる。従って、エッチング段階によって欠陥密度が高い領域が取り除かれる。従って、欠陥が少ない領域１３８−ｉにおいて形成されたエピ層１２４のみがこのエッチング段階によって残り、欠陥密度が低い、従って高品質なＰＸＬＥＤ１００が得られる。
【００６３】
図７Ｆは、マスク層１２８を取り除き、第１の電極層１０４を欠陥が少ない領域１３８−ｉの上に形成する段階を示す。第１の電極層１０４は、例えば、斜めからの堆積によって形成することができる。この技術によって、穴１２２−ｉの内側への接点材料の堆積が最小限に抑えられる。第２の電極層１２０は、水平に取り除かれた区域で形成することができる。
【００６４】
いくつかの実施形態においては、マスク層１２８自体が第１の電極層１０４の役目をすることができる。これらの実施形態においては、マスク層１２８は取り除かれない。
【００６５】
基板発光ＰＸＬＥＤにおいては、結合層１２１は、実質的に透明であり、例えば酸化スズインジウム（ＩＴＯ）から形成することができる。第２の基板１４２も実質的に透明であり、例えば、サファイア、炭化ケイ素、又は、ガラスから形成される。第１の電極層１０４は、実質的に反射性又は不透明であり、例えば、Ａｇ、Ａｌ、又は、Ａｕから形成される。
【００６６】
上部発光ＰＸＬＥＤにおいては、結合層１２１及び第２基板１４２の少なくとも一方は、実質的に反射性又は不透明である。結合層１２１又は第２基板１４２は、例えば、上に重なる実質的に反射性の層を形成することによって反射性にすることができる。
【００６７】
図８Ａから図８Ｇは、ＰＸＬＥＤを作製する関連方法を示す。図８Ａから図８Ｄまでに示す段階は、図７Ａから図７Ｄまでと同じである。
【００６８】
図８Ｅは、感光層１４８を形成する段階を示す。マスク層１２８の透明度は低い。この特性を利用するために、第１基板１０２が取り除かれた表面の上に負の感光層１４８を堆積させる。マスク層１２８と欠陥が多い領域１３４−ｉとの上に負の感光層１４８を堆積させる。次に、光を第２基板１４２を通して照射すると、エピ層１２４を横切って感光層１４８に到達する。負の感光層１４８は、入射光に露出されたところでその化学組成を変える。この化学組成の変化によって、光に露出されていない、マスク層１２８の上に重なる負の感光層１４８を取り除き、同時にそれを欠陥が多い領域１３４−ｉの上に重なる定位置に保持することができる。次に、マスク層１２８も同様に取り除かれる。この手順によって、欠陥が多い領域１３４−ｉの上に重なる整列したマスク層１４８−ｉの平面格子が作られる。
【００６９】
次に、整列したマスク層１４８−ｉの平面格子の上に重なるように第１の電極層１０４を堆積させる。
【００７０】
図８Ｆは、整列したマスク層１４８−ｉの平面格子のリフトオフによって、第１の電極層１０４を部分的に取り除く次の段階を示す。この段階によって、欠陥が多い領域１３４−ｉにおいてｎ型ドープ層１０８が露出されるが、それでも、欠陥が少ない領域１３８−ｉにおいては、ｎ型ドープ層１０８は、第１の電極層１０４によって覆われたままである。
【００７１】
図８Ｇは、エッチングによる穴１２２−ｉの形成を示すが、このエッチングにより第１の電極層１０４は所定の場所に残るが、欠陥が少ない領域１３８−ｉの露出されたエピ層１２４は取り除かれる。この段階において、第１の電極層１０４をエッチマスクとして使用する。エピ層１２４は、完全に又は部分的に取り除かれ、穴１２２−ｉを形成することができる。いくつかの実施形態においては、ドライエッチングを使用して穴１２２−ｉの壁をほぼ垂直にする。この段階の後で、第１の電極層１０４の残りの部分は、ｎ型ドープ層１０８のみに電気的に結合される。
【００７２】
ＥＬＯＧ技術のために、マスク層１２８の開口部１３０−ｉの格子は、欠陥が多い領域１３４−ｉと位置合わせされる。従って、図８Ｇのエッチング段階によって、欠陥が多い領域１３４−ｉが実質的に取り除かれ、欠陥が少ない領域１３８−ｉを実質的に定位置に残す。このようにして、ＥＬＯＧによって作製されたＬＥＤは、欠陥密度が低く、信頼性不良、効率低減、及び、輝度低下を含む上述の有害な影響を低減する。
【００７３】
次の段階において、フォトニック結晶構造で置換されたｐ型ドープ層１１６の領域の上に第２の電極層１２０が形成され、その作製を容易にする。
【００７４】
基板発光ＰＸＬＥＤにおいては、結合層１２１は実質的に透明であり、例えば酸化スズインジウム（ＩＴＯ）から形成される。第２基板１４２も実質的に透明であり、例えば、サファイア、炭化ケイ素、又は、ガラスから形成される。第１の電極層１０４は、実質的に反射性又は不透明であり、例えば、Ａｇ、Ａｌ、又は、Ａｕから形成される。
【００７５】
上部発光ＰＸＬＥＤにおいては、結合層１２１及び第２基板１４２の少なくとも一方は、実質的に反射性又は不透明である。結合層１２１又は第２基板１４２は、例えば、上に重なる実質的に反射性の層を形成することによって反射性にすることができる。
【００７６】
いくつかの実施形態においては、ｎ型ドープ層及びｐ型ドープ層の堆積の順番は逆になり、従って、層１０８がｐ型ドープ層、層１１６がｎ型ドープ層になる。
【００７７】
図９Ａから図９Ｆまでは、ＰＸＬＥＤを作製する関連方法を示す。図９Ａから図９Ｄまでに示す段階は、図８Ａから図８Ｄまでと同じである。
【００７８】
図９Ｅは、マスク層１２８がエッチ層として使用される次の段階を示す。従って、欠陥が多い領域１３４−ｉは、この段階において部分的に取り除かれ、マスク層１２８の開口部１３０−ｉの格子が最初に位置していた穴１２２−ｉが作り出される。穴１２２−ｉの形成後に、マスク層１２８が取り除かれる。穴１２２−ｉの形成後に、更なるエッチング又は他の技術により、エピ層１２４の全厚を最適化することができる。
【００７９】
図９Ｆは、素子の上面をほぼ平坦にするために、穴１２２−ｉが非導電性材料１４３で埋められる次の段階を示す。非導電性材料は、例えば、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）とすることができる。次に、ｎ型ドープ層１０８及び非導電性材料１４３によって形成されたほぼ平坦化された上面の上に第１の電極層１０４を堆積させる。このアーキテクチャによって、第１の電極層１０４は、ｎ型ドープ層１０８のみに電気的に結合される。次に、フォトニック結晶構造で置換されたｐ型ドープ層１１６の領域上に第２の電極層１２０が形成され、その作製を容易にする。図８Ａから図８Ｇの実施形態と類似して、図９Ａから図９Ｆの方法によって作製されたＰＸＬＥＤは、基板発光又は上部発光素子とすることができる。
【００８０】
上述の実施形態において、第１の電極層１０４及び第２の電極層１２０は、水平に取り除かれた区域で形成されるので、電流の流れは、実質的に水平な経路を含む。
【００８１】
いくつかの実施形態においては、第２の基板１４２は良導体であり、従って、第２の電極層１２０をエピ層１２４の上に直接堆積させることができ、又は、結合層１２１を第２の電極層として作用させることができる。これらの実施形態において、電流の経路は、エピ層１２４を横切って実質的に垂直方向である。
【００８２】
図１０Ａから図１０Ｅは、ＰＸＬＥＤを作製する別の方法を示す。この方法は、やはり、例えば、ＧａＮベースのＬＥＤのようなＩＩＩ−窒素化合物ベースの半導体構造に対して有用とすることができるエピタキシャル横方向過度成長又はＥＬＯＧ技術を利用する。
【００８３】
図１０Ａは、マスク層１２８をホスト基板１０２上に形成する段階を示す。開口部１３０−ｉの格子は、電子ビームリソグラフィ、ナノ・インプリントリソグラフィ、深部Ｘ線リソグラフィ、干渉法リソグラフィ、高温エンボス加工、又は、マイクロコンタクト印刷法のような高解像度リソグラフィ技術により、マスク層１２８に形成することができる。
【００８４】
図１０Ｂは、第１基板１０２及びマスク層１２８の上に重なるｎ型ドープ層１０８を形成する段階を示す。活性層１１２は、ｎ型ドープ層１０８の上に重なるように形成され、ｐ型ドープ層１１６は、活性層１１２の上に重なるように形成される。ＥＬＯＧ技術の特徴は、ｎ型ドープ層１０８の成長が主として開口部１３０−ｉの格子を通して第１基板１０２から始まるということである。従って、成長するｎ型ドープ層１０８は、マスク層１２８からまっすぐ上に成長するのではなく、横に広がって領域１３８−ｉ内に至る。
【００８５】
欠陥は、一般的に第１基板１０２により凝集され、従って、主として開口部１３０−ｉの格子から発せられることになる。ｎ型ドープ層１０８の成長が広がって領域１３８−ｉに及ぶと、欠陥及び転位が終了し、過度成長領域において互いに消滅させる傾向がある。従って、欠陥濃度は、開口部１３０−ｉの格子の真上にある欠陥が多い領域１３４−ｉで高く、一方、開口部１３０−ｉの格子間の欠陥の少ない領域１３８−ｉでは低いことになる。
【００８６】
図１０Ｃは、マスク層の開口部を欠陥が多い領域１３４−ｉと位置合わせする段階を示す。この方法は、１８３６年にテイラー・アンド・フランシスによって出版された「フィロソフィカル・マガジン」第９巻の４０１ページから４０７ページに掲載されたＷ・Ｈ・Ｆ・タルボットの「光科学に関する事実、第４号」で説明された「タルボット」効果を利用する。
【００８７】
「タルボット」効果によれば、周期長ａの周期的な構造は、材料内に波長λを有する平面波面を有するコヒーレント光によって照射された時、「フレネル」回折を通じて距離Ｄ＝２ａ²／λの整数倍の点でそれ自体の像を形成する。
【００８８】
「タルボット」効果を利用ために、エピ層１２４の厚みは、Ｄ又はＤの整数倍となるように選択される。更に、基板１０２は、実質的に透明な材料から形成され、マスク層は、実質的に不透明な材料から形成される。また、感光層１４９は、ｐ型ドープ層１１６の上に重なるように堆積される。基板１０２のエピ層１２４と反対の側に平面波面を有する光を垂直に照射することにより「タルボット」効果が利用される。開口部１３０−ｉの格子において入射した光の部分のみが、エピ層１２４に入ることになる。開口部１３０−ｉの格子を通って伝播する光は、「タルボット」効果のために距離Ｄで開口部１３０−ｉの格子の像を作り出す。従って、感光層１４９は、開口部１３０−ｉの格子の像に露出されることになる。感光層１４９の露出された領域は、整列した開口部１５０−ｉを作るためにその後の段階において取り除かれる。「タルボット」効果は、本実施形態において、例えば近平行化光源を使用することにより達成することができる。
【００８９】
図１０Ｄは、穴１２２−ｉを形成するための整列した開口部を使用する段階を示す。例えば、ドライエッチングを用いて、確実に穴１２２−ｉの壁がほぼ垂直になるようにすることができる。「タルボット」効果によって、整列した開口部１５０−ｉは、欠陥が多い領域１３４−ｉと位置合わせされる。従って、エッチング段階により欠陥密度が高い領域１３４−ｉが取り除かれ、その結果、残りのエピ層１２４は、実質的に欠陥が少ない領域１３８−ｉから成る。従って、この技術によって作製されたＰＸＬＥＤは、低い欠陥密度を有することになる。エッチング段階後に感光層１４９が取り除かれる。
【００９０】
図１０Ｅは、ｎ型ドープ層１０８の上に重なる第１の電極層１０４と、ｐ型ドープ層１１６の上に重なる第２の電極層１２０とを形成する段階を示す。フォトニック結晶構造で置換されたｎ型ドープ層１０８の領域上に第１の電極層１０４を形成し、その作製を容易にする。第２の電極層１２０は、例えば斜めからの堆積によって形成することができる。この技術によって、穴１２２−ｉの内側の接点材料の堆積が最小限に抑えられる。
【００９１】
図１１Ａから図１１Ｅは、図１０Ａから図１０Ｅまでの方法と関連した方法を示す。図１１Ａ及び図１１Ｂの段階は、図１０Ａ及び図１０Ｂの段階と同じである。
【００９２】
図１１Ｃは、「タルボット」効果を利用する異なる方法を示す。エピ層１２４の厚みは、Ｄ又はＤの整数倍になるように選択する。更に、基板１０２は実質的に透明な材料から形成され、マスク層１２８は実質的に不透明な材料から形成される。また、負の感光層をｐ型ドープ層１１６の上に重なるように堆積させる。基板１０２のエピ層１２４と反対の側に平面波面を有する光を垂直に照射することにより「タルボット」効果が利用される。開口部１３０−ｉの格子において入射した光の部分のみが、エピ層１２４に入ることになる。開口部１３０−ｉの格子を通って伝播する光は、「タルボット」効果のために距離Ｄで開口部１３０−ｉの格子の像を作り出す。従って、感光層は、開口部１３０−ｉの格子の像に露出されることになる。感光層１４９の露出されていない領域は、整列したマスク層１４８−ｉを作るためにその後の段階において取り除かれる。「タルボット」効果は、本実施形態において、例えば近平行化光源を使用することによって達成することができる。
【００９３】
次に、第２の電極層１２０をｐ型ドープ層１１６及び感光層の上に重なるように形成する。
【００９４】
図１１Ｄは、整列した開口部１５０−ｉをリフトオフ技術によって形成する段階を示す。整列したマスク層１４８−ｉは、欠陥が多い領域１３４−ｉのｐ型ドープ層１１６を露出させるために、第２の電極層１２０の対応する部分と共に取り除かれる。「タルボット」効果によって、整列したマスク層１４８−ｉは、欠陥が多い領域１３４−ｉと位置合わせされる。従って、整列した開口部１５０−ｉは、欠陥が多い領域１３４−ｉと整列することになる。
【００９５】
図１１Ｅは、第２の電極層１２０をそのままにして欠陥が多い領域１３４−ｉを少なくとも部分的に取り除く次の段階を示す。欠陥が多い領域１３４−ｉは、ｎ型ドープ層１０８に達するように十分に深く取り除かれる。この段階によって、穴１２２−ｉが形成される。最後に、フォトニック結晶構造で置換されたｎ型ドープ層１０８の領域上に第１の電極層１０４を形成し、その作製を容易にする。
【００９６】
この方法によって、欠陥の多い領域１３４−ｉは実質的に取り除かれ、その結果、残りのエピ層１２４は、実質的に欠陥の少ない領域１３８−ｉを含む。従って、この方法によって作製されたＰＸＬＥＤは、欠陥密度が低く、信頼性不良、効率低減、及び、輝度低下を含む上述の有害な影響が低減される。
【００９７】
基板発光ＰＸＬＥＤにおいては、ホスト基板１０２は、実質的に透明な材料、例えば、サファイア、炭化ケイ素、又は、ガラスから形成され、第２の電極層１２０は、実質的に反射性又は不透明の材料、例えば、Ａｇ、Ａｌ、又は、Ａｕから形成される。上部発光ＰＸＬＥＤにおいては、ホスト基板１０２は、実質的に反射性又は不透明であり、例えば金属化サファイアである。いくつかの実施形態においては、第２の電極層１２０は、実質的に透明な材料、例えばＩＴＯ又は薄い金属層から形成される。
【００９８】
図１２Ａから図１２Ｅは、図１１Ａから図１１Ｅに関連した方法を示す。図１２Ａ及び図１２Ｂの段階は、図１１Ａ及び図１１Ｂの段階と同じである。
【００９９】
図１２Ｃは、「タルボット」効果の代替的利用法を示す。本方法においては、フォトレジストが、ｐ型ドープ層１１６上の感光層として堆積される。フォトレジストは、「タルボット」効果を用いて露出される。その後の段階において、感光層の露出した部分は、整列した開口部１５０−ｉを有する感光層１４９を作るために、欠陥が多い領域１３４−ｉから取り除かれる。
【０１００】
図１２Ｄは、穴１２２−ｉを形成するために欠陥の多い領域１３４−ｉが少なくとも部分的に取り除かれ、その後に、感光層１４９が取り除かれる次の段階を示す。ここでもまた、欠陥が多い領域１３４−ｉは、ｎ型ドープ層１０８に達するまで十分に深く取り除かれる。
【０１０１】
図１２Ｅは、素子の上面をほぼ平坦にするために穴１２２−ｉが非導電性材料１４３で埋められる次の段階を示す。非導電性材料は、例えば、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）とすることができる。次に、ｐ型ドープ層１１６及び非導電性材料１４３によって形成されたほぼ平坦化された上面の上に第２の電極層１２０を堆積させる。このアーキテクチャによって、第２の電極層１２０は、ｐ型ドープ層１１６のみに電気的に結合される。次に、フォトニック結晶構造で置換されたｎ型ドープ層１０８の領域上に第１の電極層１０４を形成し、その作製を容易にする。図１１Ａから図１１Ｅの実施形態と類似して、図１２Ａから図１２Ｅの方法によって作製されたＰＸＬＥＤは、基板発光又は上部発光素子とすることができる。
【０１０２】
上述の実施形態において、第１の電極層１０４及び第２の電極層１２０は、水平に取り除かれた区域で形成されるので、電流の流れは、実質的に水平な経路を含む。
【０１０３】
いくつかの実施形態においては、ホスト基板１０２は良導体であり、従って、エピ層１２４の形成の前に、第１の電極層１０４をホスト基板１０２上に堆積させることができる。これらの実施形態において、電流の経路は、エピ層１２４を横切って実質的に垂直方向である。
【０１０４】
図１３は、高出力パッケージにおけるＰＸＬＥＤ１００の実施形態を示す。例えば、面積１ｍｍ²又はそれ以上のＰＸＬＥＤは、高出力パッケージにパッケージ化することができる。高出力パッケージは、低耐熱材料から形成されたヒートシンク２０４を含む。ヒートシンク２０４はまた、反射カップの役目を果たし、ＬＥＤ２００から発せられた光をパッケージの基部に向けて反射する。ヒートシンク２０４の更なる機能は、パッケージ化ＬＥＤの構成要素の熱膨張の影響に適応して補償することである。ＬＥＤ２００は、半田又はダイ・アタッチ・エポキシでヒートシンク２０４に取り付けられる。ＬＥＤ２００は、ワイヤボンド２１２によって内側リード線２０８に電気的に結合される。いくつかの実施形態において、逆又はフリップチップのデザインを有するＬＥＤは、半田玉及び半田棒によって内側リード線２０８に電気的に結合される。内側リード線２０８は、外側リード線２１６と電気的に結合される。内側リード線２０８、外側リード線２１６、及び、ワイヤボンドは、適切に選択された金属から形成される。ＬＥＤ２００は、光抽出の向上のためにエポキシドームレンズ２２０を含む透明ハウジング内に収められる。光抽出を向上させるために、高い屈折率を有するソフトゲル２２４が、ＬＥＤ２００とエポキシドームレンズ２２０との間に堆積される。パッケージ化ＬＥＤは、サポートフレーム２２８によって構造的に支持される。ＬＥＤの抽出効率が空気中で約５０％と１００％との間にある実施形態においては、レンズ２２０及びソフトゲル２２４は不要である。
【０１０５】
ＰＸＬＥＤを収納することができる異なるパッケージは多数ある。最も適切なパッケージの選択は、とりわけ特定の用途に依存する。
【０１０６】
上述の実施形態は、単に例示的であり、制限的であることを意図していない。
当業者は、上述の実施形態からの変形を認識するであろうが、それらは本特許の開示の範囲に入るものである。従って、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトニック結晶発光ダイオードの実施形態の側面図である。
【図２】フォトニック結晶発光ダイオードの別の実施形態の側面図である。
【図３】フォトニック結晶発光ダイオードの実施形態の上面図である。
【図４】図１の実施形態に対する相対発光（実線）及び抽出効率（破線）を正規化された周波数の関数として示す図である。
【図５Ａ】図２の実施形態に対する相対発光（実線）及び抽出効率（破線）を正規化された周波数の関数として示す図である。
【図５Ｂ】相対発光及び抽出効率の積を正規化された周波数の関数として示す図である。
【図６Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する方法の一段階を示す図である。
【図６Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図６Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図６Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図６Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図７Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する別の方法の一段階を示す図である。
【図７Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図７Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図７Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図７Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図７Ｆ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する更に別の方法の一段階を示す図である。
【図８Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ｆ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図８Ｇ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図９Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する更に別の方法の一段階を示す図である。
【図９Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図９Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図９Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図９Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図９Ｆ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１０Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する更に別の方法の一段階を示す図である。
【図１０Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１０Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１０Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１０Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１１Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する更に別の方法の一段階を示す図である。
【図１１Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１１Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１１Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１１Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１２Ａ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する更に別の方法の一段階を示す図である。
【図１２Ｂ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１２Ｃ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１２Ｄ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１２Ｅ】フォトニック結晶発光ダイオードを作製する同方法の一段階を示す図である。
【図１３】パッケージ化されたＬＥＤを示す図である。
【符号の説明】
１００ フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）
１０４ 第１の電極層
１０８ ｎ型ドープ層
１１２ 活性層
１１６ ｐ型ドープ層
１２２−ｉ 穴
１２４ エピ層

Claims (18)

1. 第１の電極層に結合された、第１のドーパントでドープされた第１の半導体層と、
   光を発することができる、前記第１の半導体層の上に重なる活性層と、
   前記活性層の上に重なる、前記第１のドーパントと反対の種類である第２のドーパントでドープされた第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に重なる第２の電極層と、
   を含み、
   前記活性層及び前記第２の半導体層のうちの少なくとも一方は、交替する最大値及び最小値を有する周期的に変動する厚みを有し、前記周期的変動の周期と前記発せられた光の空気中の波長との比が、０．１よりも大きくて５よりも小さく、前記第２の半導体層の前記最小値における厚みが、前記第２の半導体層における前記発せられた光の１波長よりも小さく、そして、
   前記第２の電極層の一部は、前記交替する最大値及び最小値を有する周期的に変動する厚みを有する前記第２の半導体層の領域に配置され、順方向にバイアスされたときに、第２の電極部分の下部に配置された活性層の少なくとも一部から光が発せられ、
   前記活性層及び前記第２の半導体層のうちの少なくとも一方は、縁部を有する１つ又はそれ以上のバンドを含むフォトニックバンド構造を有し、前記発せられた光のエネルギは、前記活性層及び前記第２の半導体層のうちの周期的に変動する厚みを有する前記少なくとも一方のフォトニックバンド構造のバンドの縁部近傍にある、
   ことを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記第１の電極層は、部分的に前記第１の半導体層の上に重なり、
   前記第２の電極層は、実質的に反射性であり、
   前記第１の半導体層は、実質的に透明な基板の上に重なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記第１の半導体層、前記活性層、及び、前記第２の半導体層は、１０⁵ｃｍ／ｓｅｃよりも小さい表面再結合速度を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記第１の半導体層、前記活性層、及び、前記第２の半導体層は、ＧａＮを含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 前記第２の半導体層は、前記最小値に位置合わせされたスルーホールの平面格子を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記活性層は、前記第２の半導体層のスルーホールの前記平面格子と位置合わせされた穴の平面格子を有することを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
7. 前記活性層は、前記第２の半導体層のスルーホールの前記平面格子と位置合わせされたスルーホールの平面格子を有し、
   前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層と前記活性層とのスルーホールの前記平面格子と位置合わせされた穴の平面格子を有する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の発光ダイオード。
8. 前記平面格子は、三角形格子、正方形格子、蜂の巣状格子、又は、六角形格子であることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
9. 強度及び偏光を有する前記発せられた光の強度は、実質的に偏光から独立していることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
10. 前記穴は、誘電体で充填されることを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオード。
11. 前記発光ダイオードは、自然発光の比率と光抽出の効率とを有し、自然発光の比率と光抽出の効率との積は、前記バンド縁部から離れた複数のエネルギにおけるよりも前記バンド縁部近傍のエネルギにおいてより大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
12. 前記誘電体、前記活性層、及び、前記第２の半導体層の誘電率は、１から１６の値を有し、
    前記穴は、前記第２の半導体層の面積の１０％から５０％を占める、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
13. 前記第２の半導体層は、平面及び法線を有し、前記第２の半導体層の平面と実質的に垂直な方向に発せられた光の強度は、前記第２の半導体層の平面の法線と実質的に異なる方向に発せられた光の強度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
14. 前記発光ダイオードは、
    サポートフレームと、
    前記サポートフレーム内に配置され、前記発光ダイオードが上を覆って配置される、前記発光ダイオードから熱を抽出するためのヒートシンクと、
    前記発光ダイオードと電気的に結合された複数のリード線と、
    透明なハウジングと、
    を含むパッケージに配置される、
    ことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
15. 基板、
    前記基板の上に重なる、光を発することができる複数の半導体層、
    前記複数の半導体層の上に重なる上部電極層、及び
    格子の周期と前記発せられた光の空気中の波長との比が０．１よりも大きく５よりも小さい開口部の平面格子を有する、前記上部電極層の上に重なる感光層、
    を含む半導体構造を準備する段階と、
    前記上部電極層を取り除き、前記開口部の平面格子に対応する領域で前記複数の半導体層を少なくとも部分的に取り除くことにより、穴の平面格子を形成する段階とを含み、
    一の半導体層の上に重なる電極層の一部は前記複数の穴の一部が形成された前記一の半導体層の領域に配置され、順方向にバイアスされたときに、電極部分の下部に配置された活性層の少なくとも一部から光が発せられるものであり、
    前記半導体層のうちの少なくとも一つは、縁部を有する１つ又はそれ以上のバンドを含むフォトニックバンド構造を有し、前記発せられた光のエネルギは、前記半導体層のうちの周期的に変動する厚みを有する前記少なくとも一つのフォトニックバンド構造のバンドの縁部近傍にある、
    発光ダイオードを製造する方法。
16. 開口部の平面格子を有する前記感光層を準備する段階は、
    高解像度リソグラフィ技術により前記感光層を取り除く段階を含み、この段階は、
    電子ビームリソグラフィ、ナノ・インプリントリソグラフィ、深部Ｘ線リソグラフィ、干渉法リソグラフィ、高温エンボス加工、又は、マイクロコンタクト印刷法を用いて前記感光層の前記部分を取り除く段階、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 第１の基板、
    前記基板の上に重なる、開口部の第１の平面格子を有するマスク層、及び
    前記開口部の平面格子の周期と空気中の光の波長との比が０．１よりも大きく５よりも小さい光を発することができる、前記第１の基板の上に重なる複数の半導体層、
    を含む半導体構造を準備する段階と、
    前記マスク層の開口部の前記第１の平面格子に対応する領域で前記複数の半導体層を少なくとも部分的に取り除くことにより、前記複数の半導体層に穴の平面格子を形成する段階と、を含み、
    一の半導体層の上に重なる電極層の一部は前記複数の穴の一部が形成された前記一の半導体層の領域に配置され、順方向にバイアスされたときに、電極部分の下部に配置された活性層の少なくとも一部から光が発せられるものであり、
    前記半導体層のうちの少なくとも一つは、縁部を有する１つ又はそれ以上のバンドを含むフォトニックバンド構造を有し、前記発せられた光のエネルギは、前記半導体層のうちの周期的に変動する厚みを有する前記少なくとも一つのフォトニックバンド構造のバンドの縁部近傍にある、
    ことを特徴とする、発光ダイオードを製造する方法。
18. 前記半導体構造を準備する段階は、
    第１の半導体層、活性層、及び、第２の半導体層をエピタキシャル横方向過度成長技術を用いて形成する段階、
    を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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