JP4824293B2 - フォトニック結晶発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、フォトニック結晶構造を含む半導体発光デバイスに関する。

発光ダイオード（「ＬＥＤ」）は、技術的にも経済的にも有用な固体光源である。ＬＥＤは、明るい光を安定して供給することができるので、この数十年で、平面パネルディスプレイ、交通信号灯及び光通信を含む幅広い用途で重要な役割を果たすようになっている。ＬＥＤは、順方向バイアスｐ−ｎ接合を含んでいる。電流で駆動すると、電子と正孔は接合領域に注入され、そこで再結合して光子を放射することによりエネルギーを放出する。ＬＥＤの品質は、例えば、ＬＥＤチップ内で生成される所定数の光子に対して放射される光の強度を表す抽出効率で特徴付けられる。抽出効率は、例えば、高屈折率の半導体媒体の壁で多重全内反射を被る放射された光子によって制限される。結果的に、放射された光子は自由空間へ脱け出さないので、通常は３０％未満という低い抽出効率になる。

この３０年で、ＬＥＤの抽出効率を高める様々な方法が提案されてきた。例えば、立方体、円筒形、ピラミッド状及びドーム状の形状を含む適切な幾何形状を開発することで、放射された光子が脱け出せる空間角度を拡大することにより、抽出効率を高めることができる。しかしながら、これらの何れの幾何形状も、全内反射による損失を完全に排除することはできていない。

損失の別の原因は、ＬＥＤと周囲の媒体の間の屈折率の不一致によって生じる反射である。このような損失は、反射防止膜によって低減することができるが、完全に反射を防止できるのは、特定の光子エネルギーと１つの入射角度に対してだけである。

Ｊ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓらへ認可された米国特許第５，９５５，７４９号「周期的誘電構造を使った発光デバイス」は、抽出効率を高める問題に対する取り組みを記載している。米国特許第５，９５５，７４９号によれば、フォトニック結晶は、発光ダイオードの半導体層内に正孔の格子を形成することによって作られる。正孔の格子は、周期的に調整される誘電定数を有する媒体を作り、光がその媒体を通って伝播する経路に影響を与える。発光ダイオードの光子は、光子のエネルギーと波長の間の関係を表すスペクトル又は拡散関係で特徴付けられる。その関係をプロットすると、バンドギャップで分離されたエネルギー帯域又はフォトニック帯域から成るフォトニック帯域図になる。フォトニック帯域図は、電子帯域図で表されている結晶格子内の電子のスペクトルに似ているが、フォトニック帯域図は、電子帯域図とは関連していない。フォトニックバンドギャップ内のエネルギーを有する光子は、フォトニック結晶内では伝播できない。典型的ＬＥＤ内の再結合プロセスは、明確に定義されたエネルギーを有する光子を放射する。従って、フォトニック結晶が、放射される光子のエネルギーがフォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内に入るようにＬＥＤ内で形成されれば、放射される全ての光子は、誘導光子はそのようなエネルギーで存在することはできないので、放射光子として放射される。放射光子は全てＬＥＤから抜け出すことができるので、この設計はＬＥＤの抽出効率を高める。

光生成用フォトニック結晶の有用性を探求する努力の中で、米国特許第５，９５５，７４９号は、フォトニック結晶デバイスの理論的構造について部分的に説明している。

米国特許第５，９５５，７４９号は、ｎドープ層、活性層、ｐドープ層、及びこれらの層内に形成されている正孔の格子について記載している。しかしながら、米国特許第５，９５５，７４９号のデバイスは作動せず、従ってＬＥＤではない。第１に、フォトニック結晶ＬＥＤ（「ＰＸＬＥＤ」）を巧く作動させるには電極が必要であるにも関わらず、電極については記載されていない。通常のＬＥＤ内に電極を作るのは当該技術では知られているが、ＰＸＬＥＤでは、電極の製作も、ＰＸＬＥＤの作動に対する電極の影響も明らかではない。例えば、電極層のマスクを正孔の格子と適切に整列させるには、新しい製作技法が必要である。更に、電極は、放射された光子の一部をＬＥＤ内に反射して戻し、放射された光の他の部分を吸収するので、一般的には抽出効率を低下させると考えられている。

第２に、米国特許第５，９５５，７４９号は、ＧａＡｓからフォトニック結晶発光デバイスを作ることを提案している。ＧａＡｓは、実際、通常のＬＥＤを作るには、便利で、従って人気のある材料である。しかしながら、ＧａＡｓは、例えば、Ｓ．Ｔｉｗａｒｉが「化合物半導体デバイス物理学」（１９９２年、アカデミックプレス）で説明しているように、約１０⁶ｃｍ／ｓｅｃという高い表面再結合速度を有している。表面再結合速度は、ダイオード表面上の、電子と正孔の再結合の速度を表している。電子と正孔は、ＬＥＤの接合領域内に存在し、それぞれ、ｎドープ層とｐドープ層から来ている。電子と正孔が電子バンドギャップを越えて再結合するとき、再結合エネルギーが光子の形で放射され、光を生成する。しかしながら、電子と正孔が電子バンドギャップ内の中間電子状態を通して再結合するときには、再結合エネルギーは、光子ではなく熱の形で放射されるので、ＬＥＤの発光効率は低減する。理想的な結晶では、電子バンドギャップ内には状態は無い。更に、今日の高純度半導体結晶では、大部分の材料の電子バンドギャップ内に状態は殆ど無い。しかしながら、半導体の表面には、通常、様々な表面状態及び欠陥状態があり、その多くが電子バンドギャップ内にある。従って、表面に近い電子と正孔のかなりの部分が、これらの表面状態及び欠陥状態を通して再結合する。この表面の再結合は、光ではなく熱を生成するので、ＬＥＤの効率を相当に低下させる。

この問題は、通常のＬＥＤ構造では効率の深刻な損失をもたらすことはない。しかしながら、ＰＸＬＥＤは、多数の正孔を含んでいるので、通常のＬＥＤより多くの表面積を有している。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無い同じＬＥＤの効率以下に低下させ、フォトニック結晶構造の形成を無意味にする恐れがある。ＧａＡｓは高い表面再結合速度を有しているので、フォトニック結晶ＬＥＤを製作するには、有望な候補ではない。問題の深刻さは、出願人が現在知る限りでは、活性領域付近で作動するフォトニック結晶を有するＬＥＤは、ＧａＡｓを使用し強化された抽出又は内部の効率を主張する文献には報告されていないという事実に反映されている。特に、米国特許第５，９５５，７４９号は、フォトニック結晶ＬＥＤが巧く作動するとは記述していない。更に、米国特許第５，９５５，７４９号は、ＬＥＤの内部効率に影響するフォトニック結晶の発光プロセスへの影響について記載していない。

フォトニック結晶は、先に述べた理由で光の抽出に関して期待が持てるが、設計には問題がある。半導体のスラブ内に形成されている正孔の格子についての実験を記載している幾つかの出版物がある。フォトニックバンドギャップ内の光子エネルギーにおける抽出速度の強化については、Ｒ．Ｋ．Ｌｅｅらによる、アメリカ光学協会Ｂのジャーナル、第１７巻、１４３８頁（２０００年）の「二次元フォトニックバンドギャップ結晶スラブからの修正された自然発光」で報告されている。Ｌｅｅらは、発光設計におけるフォトニック結晶の抽出の利点を示すだけでなく、フォトニック格子は自然発光にも影響を与えることを示している。しかしながら、Ｌｅｅらは、この設計による発光デバイスを如何に形成し、作動させるかを示してはいない。フォトニック結晶ＬＥＤは、Ｌｅｅらの発光設計に電極を含めれば形成することができる。しかしながら、電極の追加は、抽出及び自然発光に相当な影響を及ぼす。この影響については分かっていないので、ＬＥＤ設計で無視することはできない。Ｌｅｅらの設計は、そのような電極を含んでいないので、その設計から形成されるＬＥＤの全体的特徴は、はっきりしていない。そのため、Ｌｅｅらの設計の有用性には疑問が残る。

米国特許第５，９５５，７４９号、 米国特許出願第１０／０５９，５８８号、 Ｓ．Ｔｉｗａｒｉ「化合物半導体デバイス物理学」アカデミックプレス、１９９２年、 Ｒ．Ｋ．Ｌｅｅ他「二次元フォトニックバンドギャップ結晶スラブからの修正された自然発光」アメリカ光学協会Ｂのジャーナル、第１７巻、１４３８頁、２０００年、 Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ、Ｍ．Ｇｅｏｒｇｅ Ｃｒａｆｏｒｄ「高輝度発光ダイオード」アソシエイテッドプレス１９９７年

（発明の概要）
本発明の実施形態によれば、フォトニック結晶構造は、ＩＩＩ窒化物発光デバイスのｎ型層上に形成されている。或る実施形態では、フォトニック結晶のｎ型層は、トンネル接合を覆って形成されている。本デバイスは、第１伝導型の第１層と、第２伝導型の第１層と、第１伝導型の層と第２伝導型の層の間の活性領域とを含んでいる。トンネル接合は、第１伝導型の第２層と、第２伝導型の第２層とを含んでおり、第１伝導型の第１層を第１伝導型の第３層から分離している。フォトニック結晶構造は、第１伝導型の第３層内に形成されている。

（発明の詳細）
図１は、２００２年１月２８日出願の特許出願第１０／０５９，５８８号「フォトニック結晶構造を使用したＬＥＤの効率」に詳細に記載されているＩＩＩ窒化物フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）１００を示しており、引例としてここに組み入れる。

図１のＰＸＬＥＤ１００では、ｎ型領域１０８は、例えばサファイヤ、ＳｉＣ又はＧａＮである母体基板１０２上に形成されており、活性領域１１２はｎ型領域１０８上に形成されており、ｐ型領域１１６は活性領域１１２上に形成されている。領域１０８、１１２及び１１６は、それぞれ、同じか又は異なる組成、厚さ又はドーパント濃度の単一又は多重の層である。ｐ型領域１１６と活性領域１１２の一部は、ｎ型領域１０８の一部を露出するためエッチングで取り除かれ、次いでｐ接点１２０がｐ型領域１１６上に形成され、ｎ接点１０４がｎ型領域１０８の露出した部分の上に形成される。

活性領域１１２は、ｎ型領域１０８からの電子がｐ型領域１１６の正孔と結合し、再結合のエネルギーを光子の形で放射する接合領域を含んでいる。活性領域１１２は、量子井戸構造を含んでおり、光子の生成を最適化する。多くの異なる量子井戸構造について、例えば、Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ及びＭ．Ｇｅｏｒｇｅ Ｃｒａｆｏｒｄが、１９９７年、アソシエーテッドプレスから発行された「高輝度発光ダイオード」に記載している。図１のＰＸＬＥＤ１００のフォトニック結晶は、ＬＥＤ内に正孔１２２−ｉの周期性構造を形成することによって作られる。

図１に示すデバイスでは、通常のＩＩＩ窒化物構造は、先ず基板上にｎ型領域を形成し、次に活性領域とｐ型領域を形成することにより作られている。図１に示すフォトニック結晶デバイスと米国特許第５，９５５，７４９号に記載のデバイスは、幾つかの欠点を有している。第１に、図１のデバイス内のフォトニック結晶構造は、例えば、ｐ型領域にドライエッチングを施すことによって形成され、周期的構造を形成している。ドライエッチングは、反応性イオン、誘導結合プラズマ、集束イオンビーム、スパッタエッチング、電子サイクロトロン共鳴又は化学支援イオンビームエッチングなどで行われる。ｐ型材料のドライエッチングは、エッチングが結晶に損傷を与え、ｎ型ドナーを作る空位を生じさせる恐れがあるので問題を含んでいる。ｐ型領域１１６では、ｎ型ドナーが存在すると正孔の濃度が低下し、結晶が深刻な損傷を負った場合、領域１１６の伝導型式がｎ型に変化しかねない。本発明人は、ドライエッチングによって生じる損傷は、エッチングされた領域周囲の局所的なエリアに限定されず、結晶のエッチングされていないエリアを通って縦方向及び横方向に伝播し、ｐ−ｎ接合を排除し、デバイスが電気的に作動しなくなる恐れのあることを発見した。米国特許第５，９５５，７４９号に記載のデバイスも、ｐ型材料をエッチングするので、本発明人が観察した同じ広範囲の損傷を受けるかもしれない。第２に、図１のデバイス及び米国特許第５，９５５，７４９号のデバイスの両方で、フォトニック結晶構造を形成するため活性領域部分を取り除くと、活性領域材料の量が減り、デバイス内で生成される光の量が減る可能性がある。

本発明の実施形態によれば、フォトニック結晶構造は、デバイスのｎ型領域内に形成されており、ｎ型層で終わるエピタキシャル構造の最後のエピタキシャル層であることが多い。或る種の実施形態では、ｎ型層で終わるエピタキシャル構造は、最初にｐ型領域を成長させ、次いで活性領域とｎ型領域を成長させることによって実現される。次に、フォトニック結晶がｎ型領域の表面上に形成される。そのような設計は挑戦的である。第１に、ｐ型ドーパントは、Ｍｇであることが多い。気を抜かない予防策を講じていなければ、ｐ型領域の成長後に反応器内に残っているＭｇが、活性領域内に組み込まれることになる。活性領域内にＭｇがあれば、デバイスの光生成効率が低下する。第２に、成長基板がサファイヤの様な絶縁性又は低伝導性の基板であれば、両方の接点をエピタキシャル表面に形成しなければならない。そのようなデバイス構造は、ｐ型層内の横方向電流に頼らなければならないので、デバイス内に高い抵抗が生まれる。横方向電流が拡がる問題を避けるには、基板を取り除くとよい。サファイヤの成長は、ドープ処理層が成長する前に、１つ又は複数のドープ非処理層の成長と共に始まる。ドープ非処理層をエッチングして取り去り、ｐ型層に到達して接点を作らなければならない。エッチングは、ｐ型結晶を損傷し、使用できなくする恐れがある。代わりに、絶縁性基板ではなくＳｉＣの様なｐ型伝導性基板を用いて、横方向電流の問題を避け、基板の除去を回避することができる。しかしながら、多くの場合、ｐ型のＳｉＣは抵抗性なので、デバイスを作動させるのに余分な電圧が必要になる。

本発明の別の実施形態では、フォトニック結晶ＬＥＤのフォトニック結晶構造は、トンネル接合上に成長したｎ型デバイス層内に形成されている。図２は、本発明の第１の実施形態を示している。Ｎ型領域１０８、活性領域１１２及びｐ型領域１１６は、図１のデバイスのように基板１０２上に形成される。次いで、トンネル接合１が、ｐ型領域１１６上に形成される。第２ｎ型領域７は、トンネル接合上に形成される。フォトニック結晶構造は、ｎ型領域７内に形成されている。フォトニック結晶構造は、デバイス内の屈折率の周期的変動であり、概略的にはｎ型領域７内に一列の正孔１２２を形成することによって作り出される。正孔は、空気、又はｎ型領域７の屈折率と著しく異なる屈折率を有し且つ光を吸収しない別の材料で満たされる。適切な材料の例は誘電層である。フォトニック結晶構造の構成について、以下に更に詳しく説明する。接点１２０と１０４は、ｎ型領域７とｎ型領域１０８に取り付けられている。

トンネル接合１は、ｐ＋＋層とも呼ばれる高度ドープ処理ｐ型層５と、ｎ＋＋層とも呼ばれる高度ドープ処理ｎ型層６を含んでいる。ｐ＋＋層５は、例えば、Ｍｇ又はＺｎの様なアクセプタで約１０¹⁸ｃｍ^-3から約５ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の濃度にドープされたＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＧａＮである。或る種の実施形態では、ｐ＋＋層５は、約２ｘ１０²⁰ｃｍ^-3から約４ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の濃度にドープされている。Ｎ＋＋層６は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｅの様なドナーで約１０¹⁸ｃｍ^-3から約５ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の濃度にドープされたＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＧａＮである。或る種の実施形態では、ｎ＋＋層６は、約７ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3から約９ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の濃度にドープされている。トンネル接合１は、通常は非常に薄く、例えば、トンネル接合１の総厚は、約２ｎｍから約１００ｎｍの範囲にあり、ｐ＋＋層５とｎ＋＋層６の厚さは、それぞれ、約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲にある。或る種の実施形態では、ｐ＋＋層５とｎ＋＋層６の厚さは、それぞれ、約２５ｎｍから約３５ｎｍの範囲にある。ｐ＋＋層５とｎ＋＋層６は、必ずしも同じ厚さでなくてもよい。或る実施形態では、ｐ＋＋層５は１５ｎｍのＭｇドープ処理ＩｎＧａＮであり、ｎ＋＋層６は３０ｎｍのＳｉドープ処理ＧａＮである。

ｐ＋＋層５及びｎ＋＋層６は、段階的ドーパント濃度を有する。例えば、下のｐ層４に隣接しているｐ＋＋層５の部分は、下のｐ型層のドーパント濃度からｐ＋＋層５内の所望のドーパント濃度まで段階的なドーパント濃度を有する。同様に、ｎ＋＋層６は、ｐ＋＋層５に隣接する最大ドーパント濃度からｎ型層７に隣接する最小ドーパント濃度まで段階的なドーパント濃度を有する。

トンネル接合１は、キャリヤがトンネル接合１をトンネルできるほどに薄く且つドープ処理されるよう作られているので、トンネル接合１は、電流を逆バイアスモードで伝導するときに、低い一連の電圧降下を示す。或る種の実施形態では、トンネル接合１を跨ぐ電圧降下は、約０．１Ｖから約１Ｖである。トンネル接合を跨ぐ電圧降下は、０Ｖであるのが望ましい。トンネル接合１は、活性領域１１２とｐ型領域１１６の間のｐ−ｎ接合が順方向にバイアスされるように、接点１０４と１２０を跨ぐ電圧降下が掛けられると、トンネル接合１は、迅速にブレークダウンして最小の電圧降下で逆バイアス方向に伝導するように作られている。トンネル接合１内の各層は、同じ組成、厚さ又はドーパント組成である必要はない。トンネル接合１は、更に、ｐ＋＋層５とｎ＋＋層６の間に、ｐ型とｎ型ドーパントの両方を含む追加の層を含んでいてもよい。

接点１２０と１０４は、共にｎ型領域上に形成されているので、同じ材料である必要はないが、同じ材料でもよい。通常は、接点１２０と１０４は、活性領域１１２によって放射される光を反射する。適切な接点材料の例は、例えば、Ａｌ、Ｒｈ、Ａｇである。接点１２０と１０４は、多層構造であってもよい。例えば、接点１２０と１０４は、半導体に隣接するアルミニウム層と、前記アルミニウム層を覆うアルミニウム合金層を含んでいる。フォトニック結晶構造上に形成されている接点１２０は、図２に示すように、接点１２０がフォトニック結晶構造を形成する正孔１２２を覆うように、ｎ型領域７に接着された平面シート状材料でもよい。代わりに、フォトニック結晶構造が形成される前に、接点１２０をｎ型領域７上に形成し、フォトニック結晶構造が形成されるときに接点１２０の該当部分を取り除いてもよい。

図３及び図４は、図２のデバイスの接点の配列を示している。図３は平面図であり、図４は図３の軸Ｘに沿う断面図である。エピタキシャル構造２００の活性領域（図２の層１０８、１１２、１１６、５、６及び７を含む）は、接点１０４が中に形成されている３つのトレンチによって分割された４つの領域に分離されている。各領域は、接点１２０上に形成されている８つのｐ−サブマウント接続２０４によってサブマウントに接続されている。接点１２０は、図２に示しているように接着された層である。接点１０４は、４つの活性領域を取り囲んでいる。接点１０４は、６つのｎ―サブマウント接続２０５によってサブマウントに接続されている。接点１０４と１２０は、絶縁層２０３によって電気的に絶縁されている。

トンネル接合１は、デバイスのフォトニック結晶構造を、ｎ型領域７内に形成できるようにしている。ｐ型領域ではなくｎ型領域内でフォトニック結晶構造をエッチングすることで、先に述べたｐ型ＩＩＩ窒化物に付帯する型転換問題を回避することができる。更に、ｎ型領域７内のフォトニック構造はｐ型領域１１６及び活性領域１１２から分離されているので、フォトニック構造をエッチングすることにより生じるこれらの領域への損傷は回避される。更に、トンネル接合１は、活性領域の部分を取り除くこと無く、フォトニック結晶構造を形成できるようにしている。

トンネル接合１は、陽電荷キャリヤをｐ型領域１１６内に分配する正孔散布層としても作用する。ｎ型ＩＩＩ窒化物材料内のキャリヤは、ｐ型ＩＩＩ窒化物材料内のキャリヤより遙かに高い移動度を有しているので、電流は、ｐ型層よりもｎ型層内で拡がり易い。ｐ−ｎ接合のｐ側に拡がる電流はｎ型層７内で発生するので、トンネル接合を含むデバイスは、トンネル接合を欠くデバイスよりも、ｐ側の電流が良く拡がる。更に、ｎ型は電流をフォトニック結晶エリアへ効率的に拡散できるので、接点１２０を、フォトニック結晶エリアから離して配置し、フォトニック結晶上の接点１２０の吸収の影響を低減することができる。

図５−９は、ｎ型材料７内に拡がる電流を利用する２つのフォトニック結晶デバイスを示している。図５は、本発明の或る実施形態の断面図である。図６は、図５のデバイスの平面図である。図５及び図６のデバイスでは、フォトニック結晶構造は、ｎ型領域７の一部に形成されている。接点１０４は、メサ１２３の外側に形成されている。接点１２０は、フォトニック結晶構造がテクスチャされていないｎ型領域７の部分の上に形成されている。接点１２０はｎ型領域７の平面上に形成されているので、接点１２０をｎ型領域７へ接着しなくて済み、蒸着、スパッタリング又はめっきの様な技法で、接点１２０を設置することができるので、接着した接点より高品質の接点が得られる。領域７はｎ型領域なので、電流は、接点１２０を離れてｎ型領域７内に拡がり、ｎ型領域７内の半導体材料の全て又は大部分に接触する必要の無い接点を使用することができる。接点１２０は、反射性でも、透明でも、半透明でもよい。図５及び図６に示すデバイスは、光が基板１０２を通って、つまり、フリップチップ構成か、又は、接点１０４及び１２０とｎ型領域７を通ってデバイスのエピタキシャル側から抽出されるように、取り付けられる。光がデバイスのエピタキシャル側から抽出される実施形態では、反射層を基板１０２の裏側に形成して、下に向かう光を発光面に向けて反射させる。

図７及び図８は、図５のデバイスの接点の別の配置を示している。図７はデバイスの平面図であり、図８は軸Ｙに沿うデバイスの一部の断面図である。接点１０４と接点１２０は、それぞれ、反対側の接点のフィンガの間に入るフィンガを有している。接着パッド２０４と２０５は、例えば、ワイヤーボンドによって、デバイスをサブマウント又は別のデバイスと電気的に接続する。

図９のデバイスでは、ｎ型領域７の一部は、フォトニック結晶構造でテクスチャされ、一部分はテクスチャされないまま残されている。誘電材料８は、ｎ型領域７を覆って形成されており、フォトニック結晶構造の正孔に入っていても、いなくともよい。誘電材料８をパターン化しエッチングしてｎ型領域７のテクスチャされていない部分を露出させ、接点１２０が取り付けられる。接点１２０は、誘電材料８を覆って伸張し、ｎ型領域７の露出しテクスチャされていない部分と接触する。図５のデバイスのように、電流は、接点１２０から離れてｎ型領域７内に拡がる。図９のデバイスは、接点１２０の表面積が広いので、フリップチップ構成で簡単に取り付けることができる。更に、接点１２０は、図９のデバイスの活性領域から熱を効率的に取り去ることによって、高い電流で作動させることができるようにする。

図２−９は、活性領域の後で（つまり、図２−９に示すフリップチップ構成の活性領域より下に）形成されたトンネル接合１を有するデバイスを示しているが、別の実施形態では、トンネル接合１は、デバイスの層が、ｎ型領域１０８、トンネル接合層６、トンネル接合層５、ｐ型領域１１６、活性領域１１２、ｎ型領域７の順で成長するように、活性領域より前に形成されている。

フォトニック結晶構造は、ｎ型領域７の厚さの周期的変動を、最大と最小が交互するように含むことができる。一例は、正孔１２２の平面格子である。この格子は、正孔の直径ｄ、直近の正孔の中心間の距離を表す格子定数ａ、正孔の深さｗ、及び正孔内に配置されている誘電体の誘電定数ε_hで特徴付けられる。パラメーターａ、ｄ、ｗ、ε_hは、帯域の状態の密度、特にフォトニック結晶のスペクトルの帯域縁部における状態の密度に影響を与える。従って、パラメーターａ、ｄ、ｗ、ε_hは、デバイスが放射する放射パターンに影響を与え、デバイスからの抽出効果を高めるよう選択することができる。

正孔１２２−ｉは、断面が、円形、四角形、五角形など何でもよい。或る種の実施形態では、格子間隔は、約０．１λと約１０λの間にあり、約０．１λと約４λの間にあるのが望ましく、ここにλは活性領域が放射する光の、デバイス内での波長である。或る種の実施形態では、正孔１２２は、ａを格子定数として約０．１ａと約０．５ａの間の直径ｄ、及びゼロと、フォトニック結晶構造が形成されているｎ型領域７の全厚さとの間にある深さｗとを有している。或る種の実施形態では、正孔１２２は、約０．０５λと約５λの間の深さを有している。一般的に、正孔１２２は、完全にｎ型層７内に形成されており、トンネル接合の上部層を超えて貫通はしない。ｎ型領域７は、正孔を形成し、電流を拡げることのできる厚さに設計されており、一般的には約０．１ミクロン又はそれ以上の厚さを有している。正孔１２２の深さは、先に述べた型の転換問題のような問題を発生させる層を貫通することなく、正孔１２２の底部を活性領域に可能な限り近づけて配置するよう選択される。正孔１２２−ｉは、空気、又は、約１と約１６の間であることが多い誘電定数ε_hの誘電体を満たしてもよい。考えられる誘電体には、シリコン酸化物が含まれる。

図１０は、放射される放射パターンに対する格子パラメーターａ、直径ｄ及び深さｗの影響を示している。図１１は、抽出効率に対する格子パラメーターａ、直径ｄ、深さｗの影響を示している。フォトニック結晶構造無しで図５と図６に示すように製作された１つのデバイスと、空気で満たされた三角形の正孔の格子を含むフォトニック結晶構造を有する図５と図６に示すように製作された４つのデバイスの、５つのデバイスで観察したデータを図１０と図１１に示す。格子定数、直径及び深さは、以下の表の通りである。

図１０において、９０度は、ＬＥＤ層の成長方向に沿ってデバイスの上部から放射される光を表している。０度と１８０度は、デバイスの両側面から放射される光を表している。図１０に示しているように、デバイスから放射される放射パターンは、格子パラメーター、正孔の直径及び正孔の深さに基づいて変化する。フォトニック結晶構造を欠いているデバイス、曲線ａは、典型的な均等拡散放射パターンを有しており、９０度のピークと、メサエッジでデバイスを脱する光による３０度と１５０度の２つのピークを備えている。フォトニック結晶デバイスＰＸ１−ＰＸ４に対応する曲線ｂ−ｅは、曲線ａとは大いに異なっている。例えば、曲線ｂは略７つのピークを有しており、曲線ｃは略３つのピークを有しており、曲線ｄは略６つのピークを有しており、曲線ｅは略４つのピークを有している。曲線ｂ及びｃは９０度で最大となっており、曲線ｄ及びｅは９０度で局所最小（極小）となり、約７０−７５度と１０５−１１０度でピークを有している。図１０は、デバイス内のフォトニック結晶構造の存在及び形状が、デバイスから光が放射される方向に影響を与えることを示している。放射パターンは、フォトニック結晶のパラメーターを変えることによって修正することができる。例えば、フォトニック結晶パラメーターがＰＸ１及びＰＸ２であるフォトニック結晶を含むデバイスは、上部放射（９０度）を必要とする製品に使用し、フォトニック結晶パラメーターがＰＸ３及びＰＸ４であるフォトニック結晶を含むデバイスは、側面放射を必要とする製品に適している。図１０から明白なように、殆どの角度で、図示されているフォトニック結晶の存在は、デバイスから出力される光の量を改善している。

図１１は、上記５つのデバイスの出力（曲線ａ−ｅ）を総出力が９０度で与えられる様に積分したものを、角度に対して示している。図１１に示しているのは、ダイサイズ１７０ｘ１７０ミクロンのデバイスを、３３Ａ／ｃｍ²の電流密度で作動させ、カプセル封入することなく大気中に放射させた結果である。フォトニック結晶デバイスＰＸ１、ＰＸ３、ＰＸ４は、フォトニック結晶無しのデバイスより、約５０％を上回る出力を出し、フォトニック結晶デバイスでは約０．２８ｍＷと約０．３０ｍＷとの間であるのに対して、フォトニック結晶無しのデバイスでは約０．２０ｍＷである。図１１は、フォトニック結晶ＬＥＤからの出力とフォトニック結晶無しのデバイスの出力の比で定義される、４つのフォトニック結晶デバイスの利得（曲線ｆ−ｉ）も示している。各フォトニック結晶デバイスは、小さな角度で相当な利得を示している。フォトニック結晶デバイスＰＸ−４は、フォトニック結晶無しのデバイスと比べて、３０度で約１．７倍の利得を有しており、ＰＸ−４が、デバイスに対してほぼ法線方向に放射される光を必要とする製品に有用であることを示している。フォトニック結晶デバイスＰＸ−１、ＰＸ−３、ＰＸ−４は、それぞれ、約１．４の総利得を有している。

正孔１２２−ｉの格子の格子構造は、抽出にも影響を与える。様々な実施形態で、正孔１２２−ｉは、三角形、四角形、五角形、ハチの巣状及び他の周知の二次元の格子型式を形成している。或る種の実施形態では、デバイスの異なる領域に異なる格子型式が形成されている。図１２は、正孔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している。図１３は、図２による三角形格子フォトニック結晶デバイス（曲線ｂ）と、フォトニック結晶無しのデバイス（曲線ａ）に関する、総出力に対する１２度の出口円錐内へ放射される出力の割合を、量子井戸深さ（ダイポール深さとも呼ばれる）を波長で除した値の関数として表すコンピューターモデルを示している。ダイポール深さは、量子井戸とデバイスのフォトニック結晶表面のエピタキシャル表面との間の距離である。格子定数ａに対する正孔の深さの割合は１．２５であり、格子定数に対する正孔の半径の割合は０．３６であり、格子定数に対するダイポール深さの割合は１．７２である。フォトニック結晶デバイスは、波長に対するダイポール深さの割合が約１．６で、光出力が最大となる。光出力が最大の時に、フォトニック結晶デバイスの総出力に対する１２度の円錐内への出力の割合は、フォトニック結晶無しのデバイスの光出力の最大値より２０％多い。

図１４は、正孔１２２−ｉのハチの巣状格子として形成されたフォトニック結晶構造を示している。図１５は、図２によるハチの巣状格子フォトニック結晶デバイス（曲線ｂ）とフォトニック結晶無しのデバイス（曲線ａ）に関する、総出力に対する１２度の出口円錐へと放射される出力の割合を、ダイポール深さを波長で除した値の関数として表すコンピューターモデルを示している。図１３でのように、格子定数ａに対する正孔の深さの割合は１．２５であり、格子定数に対する正孔の半径の割合は０．３６であり、格子定数に対するダイポール深さの割合は１．７２である。フォトニック結晶デバイスは、波長に対するダイポール深さの割合が約１．４で、光出力が最大となる。光出力が最大の時に、フォトニック結晶デバイスの総出力に対する１２度の円錐内への出力の割合は、フォトニック結晶無しのデバイスの光出力の最大値の２倍である。

図１３と図１５は、光を選定した方向に優先的に放射するように、格子構造と、活性領域とフォトニック結晶の間の距離とを選択できることを示している。例えば、図１３及び図１５に示しているフォトニック結晶デバイスでは、ダイポール深さを波長で除した値が約１．５で、総出力に対する１２度の出口円錐へと放射される出力の割合が最大となり、光が、狭い上部脱出円錐へと優先的に放射されることを示している。また、図１５（ハチの巣状の格子デバイス）の最大値は、図１３（三角形格子デバイス）の最大値より大きく、ハチの巣状の格子は、同じ構造の三角形の格子デバイスよりも、光のより多くの部分を狭い上部脱出円錐へと放射することを示している。

或る種の実施形態では、周期的構造は、１つ又は複数の選択された半導体層の厚さの変動である。周期的構造は、半導体層の面内の１つの方向に沿う厚さの変動を含んでいるが、変動無しに第２の方向に沿って伸張し、基本的に一式の平行な溝を形成しているものでもよい。厚さの二次元の周期的変動には様々な刻みの格子が含まれる。

図１６−１９は、図１−５のフォトニック結晶デバイスを製作する方法を示している。図２−９の領域１０８、１１２、５、６及び７を含むエピタキシャル領域２００は、通常の蒸着技法で基板（図示せず）上に形成される。１つ又は複数のレジスト、金属又は誘電層２０２は、図１６に示すように、エピタキシャル層の上部表面上に形成される。レジスト層２０２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、ディープＸ線リソグラフィ、干渉リソグラフィ、ホットエンボス、又はマイクロコンタクト印刷の様な高分解能リソグラフィ技法を使って、図１７の開口部の格子を形成するようにパターン化される。図１８で、エピタキシャル層２００は、既知のエッチング技法を使ってエッチングされる。ドライエッチングによって生じる損傷は、後続の短いウェット化学エッチ、アニール、それらの組み合わせ又は別の表面不動態化技法で緩和することができる。その後、残りのレジスト層２０２が、図１９で取り除かれる。エピタキシャル横方向異常成長のようなフォトニック結晶を形成するための別の技法は、米国特許出願第１０／０５９，５８８号「フォトニック結晶構造を使ったＬＥＤ効率」に更に詳細に記載されている。
以上、本発明について詳しく説明してきたが、当業者には理解頂けるように、本開示に基づいて、本明細書に記載されている本発明の概念の精神から逸脱することなく本発明に修正を施すことができる。従って、本発明の範囲は、図示し説明した特定の実施形態に限定されるものではない。

フォトニック結晶発光ダイオードの断面図である。 或る実施形態の、トンネル接合を含むフォトニック結晶発光デバイスの断面図である。 図２に示すデバイスの接点の配列の例の平面図である。 図３のデバイスの断面図である。 別の実施形態の、トンネル接合を含むフォトニック結晶発光デバイスの断面図である。 図５のデバイスの平面図である。 図５に示すデバイスの接点の別の配列の平面図である。 図７のデバイスの一部の断面図である。 又別の実施形態の、トンネル接合を含むフォトニック結晶発光デバイスの断面図である。 フォトニック結晶を備えていない１つのデバイスと、フォトニック結晶構造を備えている４つのデバイスとにより放射される放射パターンを示している。 フォトニック結晶を備えていない１つのデバイスと、フォトニック結晶構造を備えている４つのデバイスの出力を示している。 三角形の格子のフォトニック結晶の上面図である。 フォトニック結晶を備えていないデバイスと三角形の格子のフォトニック結晶を備えているデバイスに関し、１２度の出口円錐に放射される出力の総出力に対する割合を、ダイポール深さを波長で除した値の関数として示す図である。 ハチの巣状格子のフォトニック結晶の上面図である。 フォトニック結晶を備えていないデバイスとハチの巣状格子のフォトニック結晶を備えているデバイスに関し、１２度の出口円錐に放射される出力の総出力に対する割合を、ダイポール深さを波長で除した値の関数として示す図である。 フォトニック結晶デバイスを形成する方法を示している。 フォトニック結晶デバイスを形成する方法を示している。 フォトニック結晶デバイスを形成する方法を示している。 フォトニック結晶デバイスを形成する方法を示している。

符号の説明

１ トンネル接合部
５、６、７、１０８、１１２、１１６ 活性領域
１００ ＩＩＩ窒化物フォトニック結晶ＬＥＤ
１０２ 基板
１０８ ｎ型領域
１０４、１２０ 接点
１２２ 正孔
２００ エピタキシャル領域
２０２ レジスト層、誘電層
２０３ 絶縁層

Claims (30)

1. 発光デバイスにおいて、
   ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されている活性領域を含むＩＩＩ窒化物半導体構造と、
   前記活性領域と反対側のｎ型領域の表面上に形成されているフォトニック結晶構造と、を備えており、
   前記フォトニック結晶構造は、前記ｎ型領域内に形成され、前記活性領域及び前記ｐ型領域には形成されていないことを特徴とするデバイス。
2. 前記フォトニック結晶構造は、前記ｎ型領域の厚さの周期的変動を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記フォトニック結晶構造は、正孔の平面格子を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記格子は、約０．１λから約１０λの間の格子定数ａを有しており、ここにλは前記活性領域によって放射される光の波長であることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記格子は格子定数ａを有しており、前記正孔は約０．１ａから約０．５ａの間の直径を有していることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
6. 前記正孔は、約０．０５λから約５λの間の深さを有しており、ここにλは前記活性領域によって放射される光の波長であることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
7. 発光デバイスにおいて、
   第１伝導型の第１層と、
   第２伝導型の第１層と、
   第１伝導型の層と第２伝導型の層の間に配置されている活性領域と、
   前記第１伝導型の第１層より高いドーパント濃度を有する第１伝導型の第２層と、前記第２伝導型の第１層より高いドーパント濃度を有する第２伝導型の第２層と、を備えているトンネル接合と、
   第１伝導型の第３層と、を備えており、
   前記第１伝導型の第３層の厚さは周期的に変動し、
   前記トンネル接合は、前記第２伝導型の第１層と第１伝導型の第３層の間にあり、
   前記第１伝導型はｎ型であり、前記第２伝導型はｐ型であることを特徴とするデバイス。
8. 前記第１伝導型の第２層は、約１０¹⁸ｃｍ^-3から約５ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のドーパント濃度を有しており、
   前記第２伝導型の第２層は、約１０¹⁸ｃｍ^-3から約５ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の範囲ドーパント濃度を有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記第１伝導型の第２層は、約２ｘ１０²⁰ｃｍ^-3から約４ｘ１０²⁰ｃｍ^-3の範囲のドーパント濃度を有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
10. 前記第２伝導型の第２層は、約７ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3から約９ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲のドーパント濃度を有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
11. 前記トンネル接合は、逆バイアスモードで作動するときは、約０Ｖから約１Ｖの間の範囲の電圧降下を有することを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
12. 前記トンネル接合は、逆バイアスモードで作動するときは、約０．１Ｖから約１Ｖの間の範囲の電圧降下を有することを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
13. 前記第１伝導型の第２層は、約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さを有しており、
    前記第２伝導型の第２層は、約１ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さを有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
14. 前記トンネル接合は、約２ｎｍから約１００ｎｍの範囲の厚さを有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
15. 前記活性領域は、ＩＩＩ窒化物材料を備えていることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
16. 前記厚さの周期的変動は、正孔の平面格子を備えていることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
17. 前記平面格子は、三角形格子、四角形格子、五角形格子及びハチの巣状格子から成るグループから選択されることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記平面格子は、２つ以上の格子型式を含んでいることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
19. 前記格子は、約０．１λから約１０λの間の格子定数ａを有しており、ここにλは前記活性領域によって放射される光の波長であることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
20. 前記格子は、約０．１λから約４λの間の格子定数ａを有しており、ここにλは前記活性領域によって放射される光の波長であることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
21. 前記格子は格子定数ａを有しており、前記正孔は約０．１ａから約０．５ａの間の直径を有していることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
22. 前記正孔は、約０．０５λから約５λの間の深さを有しており、ここにλは前記活性領域によって放射される光の波長であることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
23. 前記正孔は、誘電体で満たされていることを特徴とする、請求項１６に記載のデバイス。
24. 前記誘電体は、約１から約１６の間の誘電定数を有していることを特徴とする、請求項２３に記載のデバイス。
25. 前記第１伝導型の第３層は、少なくとも０．１ミクロンの厚さを有していることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
26. 前記第１伝導型の第１層に電気的に接続されている第１電極と、
    前記第１伝導型の第３層に電気的に接続されている第２電極と、を更に備えていることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
27. 前記第２電極は、前記第１伝導型の第３層に取り付けられているシートを備えており、前記シートは、前記第１伝導型の第３層の厚い部分だけに接触していることを特徴とする、請求項２６に記載のデバイス。
28. 前記厚さの周期的変動は、前記第１伝導型の第３層の第１部分に形成され、前記デバイスは、前記第１伝導型の第３層の第２部分に電気的に接続されている電極を更に備えていることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
29. 前記周期的構造の周期と、前記活性領域によって大気中に放射される光の波長の割合は、約０．１から約５であることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
30. 第１伝導型の第１層を形成する段階と、
    第２伝導型の第１層を形成する段階と、
    第１伝導型の層と第２伝導型の層の間に活性領域を形成する段階と、
    前記第１伝導型の第１層より高いドーパント濃度を有する第１伝導型の第２層と、前記第２伝導型の第１層より高いドーパント濃度を有する第２伝導型の第２層と、を備えているトンネル接合を形成する段階と、
    第１伝導型の第３層を形成する段階と、
    前記第１伝導型の第３層内に複数の正孔を形成する段階と、から成り、
    前記トンネル接合は前記第２伝導型の第１層と前記第１伝導型の第３層の間にあり、
    前記第１伝導型はｎ型であり、前記第２伝導型はｐ型であることを特徴とする方法。

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