JP5053530B2 - 複数の格子を有するフォトニック結晶発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の格子形を有するフォトニック結晶構造体を含む半導体発光装置に関する。

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、高輝度を有する光を確実に供給することができ、従って、ＬＥＤは、過去何十年の間にフラットパネルディスプレイ、交通信号灯、及び光通信を含む多くの用途において極めて重要な役割を果たすようになってきた。ＬＥＤは、順方向バイアスｐ−ｎ接合を含む。電流によって駆動された時に、電子及び正孔は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のエネルギを放出する。ＬＥＤの品質は、例えば、その抽出効率によって特徴付けることができ、それは、ＬＥＤチップ内で発生した所定の光子に対する発せられた光の強度の尺度である。抽出効率は、例えば、発せられた光子が屈折率の高い半導体媒体の壁部で複数の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、典型的に３０％未満である乏しい抽出効率をもたらすことになる。

この３０年の間、ＬＥＤの抽出効率を高めるための様々な手法が提案されてきた。抽出効率は、例えば、立方体、円筒形、ピラミッド、及びドーム状の形状を含む適切な幾何学形状を開発することにより、発せられた光子が逃げることができる空間角度を大きく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、内部全反射からの損失を完全に解消することができないものである。
更に別の損失源は、ＬＥＤと周囲の媒体との間の屈折率の不適合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が、反射の完全な解消は、特定の光子エネルギ及び１つの入射角度に限って達成することができる。

Ｊ．Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他に付与された、「周期的誘電構造体を利用した発光装置」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に対する手法が説明されている。米国特許第５，９５５，７４９号によれば、フォトニック結晶が、発光ダイオードの半導体層を完全に貫通する正孔から成る格子を形成することによって作り出される。正孔を有する格子により、周期的に変調された誘電率を有する媒体が発生し、媒体を通る光の伝播の方法に影響を与える。発光ダイオードの光子は、光子のエネルギと波長の関係を説明するそ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。この関係をプロットすることができ、バンドギャップによって分離されたバエネルギバンド又は光子バンドから成るフォトニックバンド図が得られる。フォトニックバンド図は、電子バンド図で表されるような結晶格子内の電子のスペクトルと類似のものであるが、フォトニックバンド図は、電子バンド図とは関係がない。フォトニック結晶がＬＥＤ内に形成された時、それは、構造体内の光の伝播の方法に影響を与える。従って、適切な光子間隔が選択された場合、そうでなければ内部全反射によって構造体内に捕捉されたであろう光が今や逃げることができ、ＬＥＤの抽出量を増大させる。また、代わりの格子は、ＬＥＤ構造内の光子モード容積を小さくすることができ、ＬＥＤの放射率又は放射効率を増大させる。

光生成に対するフォトニック結晶の有用性を探求する試みにおいて、米国特許第５，９５５，７４９号は、フォトニック結晶装置の理論的構造の部分的な説明を与えている。
米国特許第５，９５５，７４９号では、ｎドープ層、活性層、ｐドープ層、及びこれらの層に形成された正孔の格子が説明されている。しかし、米国特許第５，９５５，７４９号の装置は作動的ではなく、従ってＬＥＤではない。第１に、フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）の作動の成功に電極が必要であるとしても、電極については説明されていない。通常のＬＥＤにおける電極の作製は、当業技術で公知であるが、ＰＸＬＥＤについては、電極の作製及びＰＸＬＥＤの作動に及ぼすその影響のいずれも明らかではない。例えば、電極層のマスクを正孔の格子と適切に位置合わせするには、新しい作製技術が必要であると考えられる。また、電極は、一般的に、発せられた光の一部分をＬＥＤ内に反射して戻し、発せられた光の別の一部分を吸収するので、抽出効率を小さくすると考えられている。

第２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装置を作製することが提案されている。ＧａＡｓは、勿論、通常のＬＥＤの作製に便利であり、従って一般的な材料である。しかし、例えば、アカデミックプレス（１９９２年）の「化合物半導体装置物理学」においてＳ．Ｔｉｗａｒｉが説明するように、それは、約１０⁶センチメートル／秒という高い表面再結合速度を有する。表面再結合速度は、ダイオード表面上での電子と正孔の再結合の割合を表すものである。電子と正孔は、ｎドープ層とｐドープ層からそれぞれ出ているＬＥＤの接合領域に存在する。電子と正孔が電子バンドギャップに亘って再結合した時、再結合エネルギは、光子の形で発せられて光を生成する。しかし、電子バンドギャップにおいて電子と正孔が中間電子状態を通じて再結合した時には、再結合エネルギは、光子ではなく熱の形で発せられ、ＬＥＤの発光効率を低減する。理想的な結晶においては、電子バンドギャップにいかなる状態も存在しない。また、今日の高純度半導体結晶においては、バルク材の電子バンド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、一般的に多数の表面状態及び欠陥状態が存在し、その多くは電子バンドギャップ内にある。従って、表面近く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じて再結合されることになる。この表面再結合により光ではなく熱が発生し、ＬＥＤの効率をかなり低減する。

この問題は、通常のＬＥＤ構造に対しては深刻な効率の損失をもたらすものではない。しかし、ＰＸＬＥＤは、多数の正孔を含み、従って、ＰＸＬＥＤは、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、フォトニック結晶構造がない同じＬＥＤの効率よりも低くＰＸＬＥＤの効率を低減することができ、フォトニック結晶の形成を無意味なものにする場合がある。ＧａＡｓは、高い表面再結合速度を有するので、フォトニック結晶ＬＥＤを作製するための有望な候補ではない。この問題の深刻さは、これまでのところ本出願人の知る限りでは、ＧａＡｓを用いて向上した抽出又は内部効率を主張する活性領域を通るフォトニック結晶を備えた電気作動式ＬＥＤが文献に報告されていないという事実によって反映されている。特に、米国特許第５，９５５，７４９号は、フォトニック結晶ＬＥＤの作動の成功について説明していない。また、米国特許第５，９５５，７４９号は、ＬＥＤの内部効率に影響を与える可能性がある発光過程に及ぼすフォトニック結晶の影響についても説明していない。

米国特許第５，９５５，７４９号 米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号 米国特許出願出願番号第１０／０５９，５８８号 Ｓ．Ｔｉｗａｒｉ著「化合物半導体装置物理学」、アカデミックプレス（１９９２年） Ｒ．Ｋ．Ｌｅｅ他著「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自然発光」、アメリカ光学学会紙Ｂ、第１７巻、１４３８ページ（２０００年）

フォトニック結晶は以上説明した理由から光抽出に関して有望であるが、その設計には問題がある。半導体のスラブに形成された正孔の格子に関する実験を説明するいくつかの論文がある。フォトニックバンドギャップ内の光子エネルギでの抽出率の強化は、アメリカ光学学会紙Ｂ、第１７巻、１４３８ページ（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自然発光」においてＲ．Ｋ．Ｌｅｅ他によって報告されている。Ｌｅｅ他は、発光設計におけるフォトニック結晶の抽出の利点を示しているばかりでなく、フォトニック格子が自然発光に影響を与えることができるということも示している。しかし、Ｌｅｅ他は、この設計で発光装置を形成して作動させる方法は示していない。フォトニック結晶ＬＥＤは、電極を含むことによってＬｅｅ他の発光設計から形成することができる。しかし、電極を追加すれば、ＬＥＤの抽出及び自然発光に実質的に影響を与えることになる。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ものである。Ｌｅｅ他の設計にはこのような電極が含まれていないので、その設計から形成されるＬＥＤの全体的特性は明らかではない。このためにＬｅｅ他の設計の有用性については疑問がある。当業技術で必要とされるのは、ＬＥＤのための改良形フォトニック結晶の設計である。

本発明の実施形態によれば、半導体発光装置は、半導体層内の正孔の格子であるフォトニック結晶構造体を含む。フォトニック結晶構造体は、複数の格子を含む。一部の実施形態では、装置は、半導体層の第１の領域上に形成された第１の格子と半導体層の第２の領域上に形成された第２の格子とを含む。第１の格子のパラメータは、装置からの全放射パワーを最大化するように選択することができる。第２の格子のパラメータは、スタックの表面上の３０°円錐内への光の抽出を最大化するように選択することができる。

図１及び図２は、ＩＩＩ族窒化物フォトニック結晶装置を示すものである。図１及び図２に示す装置は、本明細書において引用により組み込まれている、本発明の出願人に譲渡された２００４年３月１９日出願の「フォトニック結晶発光装置」という名称の米国特許出願出願番号第１０／８０４，８１０号でより詳細に説明されている。図１は、装置の断面図であり、図２は、装置の平面図である。装置は、ｎ型領域１０８、活性領域１１２、及びｐ型領域１１６を含むエピタキシャル構造体２０を含む。領域１０８、１１２、及び１１６の各々は、同じか又は異なる組成、厚み、及びドーパント濃度を有する複数の層を含むことができる。活性領域１１２は、例えば、単一の発光層又は障壁によって分離された複数の量子井戸とすることができる。エピタキシャル構造体２０は、反射性ｐ接点１２及び光学結合層１４によってホスト基板１６に結合される。光学接点１８は、装置層２０の反対側にあるホスト基板１６の表面上に形成することができる。装置は、従来の成長基板上でエピタキシャル層を成長させ、エピタキシャル層をホスト基板に取り付けて、次に成長基板を除去することによって形成される。

フォトニック結晶１２２は、基板除去によって露出したｎ型領域１０８の表面上に形成された正孔の周期的なアレイである。フォトニック結晶構造体を覆うように任意的な誘電体１１を形成することができる。フォトニック結晶で織り込まれていないｎ型領域１０８の領域上にｎ接点１０が形成されるが、ｎ接点１０は、ｎ型領域１０８のフォトニック結晶区域上に形成してもよい。フォトニック結晶は、ｎ型領域内に形成されるので、ｎ型材料は、接点１０からフォトニック結晶１２２に横方向に電流を注入することができる。光は、フォトニック結晶１２２を通じて装置から抽出され、従って、ｎ接点１０の配置は、フォトニック結晶の面積を最大化するように選択される。例えば、図２に示すように、ｎ接点１０は、フォトニック結晶１２２−ｉを取り囲むことができる。ｎ接点１０によって吸収される光を回避するために、移植又は誘電体をｎ接点１０の下のエピタキシャル材料上で使用することができ、又は、ｐ接点１２をｎ接点１０の反対側の区域から除去してその区域での電流の流れや光の生成を防止することができる。

図３及び図４は、フォトニック結晶構造体内の正孔の周期的なアレイが正孔の三角形格子である、図１及び図２に示すような装置の性能を示すものである。これらの計算は、「有限差分時間ドメイン（ＦＤＴＤ）」法を用いて行ったものである。エピタキシャル層の厚み２０は、０．６２５ａであり、ここで、ａは、三角形格子の格子定数である。正孔１２２−ｉの下にあるエピタキシャル材料の厚みは、０．３１２５ａである。図３は、全放射パワーを示している。１を超える全放射パワーの値では、装置は、フォトニック結晶がない同じ構造体よりも良好な光の生成を示している。光生成量が増加すると、その結果、装置の放射効率が大きくなる。図４は、装置平面から装置表面に垂直な３０°円錐に入る光の抽出を示すものである。３０°円錐内への光抽出量の増加は、抽出量の増加及び抽出光の方向性の増大を示している。図３及び図４は、いずれも格子定数を波長で割算したものａ／λの関数として示されている。図３に示すように、全放射パワーの最大値は、ａ／λ＝０．４で発生する。しかし、同じａ／λ値では、３０°円錐内への光抽出量は極小値を取る。逆に、３０°円錐内への光抽出量の最大値は、約ａ／λ＝０．６５で発生し、この場合、全放射パワーは１未満である。従って、全放射パワー及び３０°円錐内への光の抽出の最適地点は、ａ／λの異なる値で発生する。

本発明の実施形態によれば、フォトニック結晶装置は、複数の格子形を含む。装置の第１の実施形態では、複数の格子形は、装置の異なる領域で形成される。本明細書で「増強フォトニック結晶」と呼ぶ少なくとも１つのフォトニック結晶構造体は、全放射パワー（放射効率）を最適化するように設計され、本明細書で「抽出フォトニック結晶」と呼ぶ少なくとも１つのフォトニック結晶構造体は、光抽出（抽出効率）を最適化するように設計される。

図５及び図６は、本発明の実施形態による増強フォトニック結晶を含む装置の一部分及び抽出フォトニック結晶を含む装置の一部分の平面図を示すものである。両装置においては、抽出フォトニック結晶領域５２は、増強フォトニック結晶領域５０を取り囲んでいる。金属ウェブ５４は、抽出領域及び増強領域間に挿入されて電流を増強領域５０に供給するものである。
図７及び図８は、図５及び図６に示す装置のいずれかの軸線６０に沿った２つの可能な断面図を示すものである。ｎ型領域１０８、活性領域１１２、及びｐ型領域１１６を含むエピタキシャル構造体は、ホスト基板構造体５８に接合され、ホスト基板構造体５８は、図１に示すように、ホスト１６、接合層１４、及び接点１８を含むことができる。ｐ型領域１１６とホスト構造体５８の間には、ｐ接点１２が配置される。エピタキシャル層は、増強フォトニック結晶領域５０と抽出フォトニック結晶領域５２に分割される。

本発明の一部の実施形態では、増強フォトニック結晶領域５０には電流が注入され、抽出フォトニック結晶領域５２は、電気的に不活性であることが好ましい。図７及び図８に示す両装置においては、増強領域５０におけるフォトニック結晶は、装置のエピタキシャル層に形成された正孔の周期的な格子である。正孔は、エピタキシャル層のｎ型領域内に形成され、一般的には活性領域１１２又はｐ型領域１１６内には延びないが、一部の実施形態では、活性領域１１２又はｐ型領域１１６内に延びることができる。活性領域１１２のｐ側に対する電気接点は、ｐ接点１２によってもたらされ、活性領域１１２のｎ側の電気接点は、金属ウェブ５４によってもたらされ、金属ウェブ５４は、電流をｎ型領域１０８に注入し、そこにおいて電流は、フォトニック結晶を形成する正孔を取り囲んで正孔の下にあるｎ型領域１０８の連続的な領域を通じて横方向に広がることができる。

図７に示す装置においては、抽出領域５２内のフォトニック結晶は、エピタキシャル材料の柱の周期的なアレイである。柱は、ｎ型領域１０８が遮られるように形成される。電流は、抽出領域５２内のｎ型領域１０８を通じて金属ウェブ５４から広がることができないので、抽出領域５２は、電気的に不活性である。
図８に示す装置においては、抽出領域５２内のフォトニック結晶は、エピタキシャル材料内の正孔の周期的なアレイである。抽出領域５２の絶縁は、残っているｎ型材料の厚みが金属ウェブ５４から電流を広げるには不十分であるようにｎ型領域１０８内に十分な深さの正孔を形成することにより、又は抽出領域５２を移植して抽出領域５２を非常に抵抗性のあるものにすることにより達成される。

図９は、図５及び図７に示すような増強領域及び抽出領域を有する装置の性能のＦＤＴＤモデルを示すものである。図９の装置においては、増強領域５０におけるフォトニック結晶は、０．７８ａの深さを有する正孔の三角形格子である。正孔のこの格子の下にあるエピタキシャル材料は、０．４５２ａ厚である。活性領域１１２は、正孔の底部に位置している。増強領域５０内の正孔の半径は、０．４２ａである。三角形格子を有する増強領域については、格子定数を波長で割算したａ／λの関数としての全放射パワーは、細い実線で示されている。格子定数を波長で割算したものの関数としての３０°円錐内への光の抽出は、太い実線で示されている。増強領域５０は、全放射パワーを最適化するように意図しているので、増強フォトニック結晶に対する適切な格子定数は、全放射パワー曲線上の各極大にある。図９は、上述の正孔から成る三角形格子の場合のものを示しており、このような極大は、ａ／λ＝０．３２で発生する。ａ／λのその値では、３０°円錐内への光の抽出量はかなり低い。増強領域５０は、その中で発生した光を半導体層スタックを通じて抽出領域５２に送るものである。

図９の装置においては、抽出領域５２内のフォトニック結晶は、装置内のエピタキシャル層の全厚である１．２５ａの深さを有する柱から成るハニカム格子である。柱は、０．３６ａの半径を有する。ハニカム格子を有する抽出領域については、格子定数を波長で割算したａ／λの関数としての全放射パワーは、細い点線で示されている。格子定数を波長で割算したものの関数としての３０°円錐内への光の抽出は、太い点線で示されている。抽出領域５２は、３０°円錐内への光の抽出を最適化するように意図しているので、抽出フォトニック結晶の適切な格子定数は、３０°円錐内への光の抽出の曲線上の各極大にある。抽出領域５２は、半導体スタックを通じて増強領域５０から光を受け入れ、装置構造体から出る光の方向を変えるものである。図９は、上述の正孔のハニカム格子の場合のものを示しており、このような極大は、ａ／λ＝０．４５で発生する。ａ／λのその値では、全放射パワーは満足できるものである。

装置内の増強及び抽出フォトニック格子の最適網羅面積は、ＬＥＤ材料の内部量子効率（η_IQE）によって判断される。ここで、内部量子効率は、放射効率及び注入効率の積であり、また、注入効率は１００％であると仮定される。増強及び抽出領域の最適面積は、以下によって示されるＬＥＤのパワーから始めて導出することができる。
Ｐ＝Ｃ_ext*η_IQE*Ｊ*Ａ*（ｈν／ｑ） （１）
ここで、Ｃ_extは抽出効率、η_IQEは内部量子効率、Ｊは電流密度、Ａはチップ面積、及びｈν／ｑは光子エネルギである。単一フォトニック結晶格子のみを有する装置は、フォトニック結晶構造体がない装置と比較すると、η_IQE（ＴＲＰ〜１）の増加ではなく抽出効率の増加（Ｃ_ext）のみを示すことになると仮定される。従って、以下のようになる。
Ｐ₁＝Ｃ_ext1*η_IQE1*Ｊ₁*Ａ₁*（ｈν／ｑ）₁ （２）
ここで、添え字「１」は、１つの格子を有するフォトニック結晶装置を意味している。

次に、２つの格子の装置においては、Ｃ_ext1＝Ｃ_ext2であるように、単一格子のフォトニック結晶装置において使用されたのと同じフォトニック結晶格子が抽出に対して使用されると仮定される。添え字「２」は、２つの格子を有するフォトニック結晶装置を意味する。また、増強領域は、η_IQEを１００％まで増加すると仮定される。電流注入及び光生成は増強領域のみに発生するので、Ａ₂＝Ａ_enhancerである。また、２つの格子の装置の総面積は単一の格子の装置の総面積に等しく、Ａ₁＝Ａ_totalである。電流密度及び光子エネルギは同じである。従って、以下のようになる。
Ｐ₂＝Ｃ_ext1*Ｊ₁*Ａ_enhancer*（ｈν／ｑ）₁ （３）

２つの格子の装置が同じ電流密度で単一の格子の装置に優る改良であるためには、Ｐ₂＞Ｐ₁である。上述の式（２）及び（３）を用いると以下が得られる。
Ａ_enhancer／Ａ_total＞η_IQE （４）
従って、増強領域の面積は、フォトニック結晶が導入される前の装置材料のη_IQEによって判断される。複数の格子の装置は、ＩＩＩ族窒化物材料のようなη_IQEが１００％未満の装置材料において有用である。η_IQEが大きくなる時に、Ａ_enhancerも大きくなる。増強フォトニック結晶領域５０は、増強フォトニック結晶格子の５から２０単位セルの大きさとすることができる。単位セルは、構造体全体を再構成するために使用することができる形態の最小の分類である。例えば、三角形格子の単位セルは、三角形形状内の３つの正孔である。一部の実施形態では、各増強フォトニック結晶領域の最長横方向寸法は、約５ミクロン未満である。

図１２は、増強及び抽出フォトニック結晶領域と金属接触ウェブとを有する装置の一部分の平面図である。この装置は、装置に亘って電流を搬送する主金属トレース２３によって小区分に分割されている。主トレース２３は、主トレース２３内での材料のエレクトロマイグレーションのような電気的欠陥なしに大きな電流密度を支えるほど十分に厚いものである。主トレース２３は、１０μｍから２０μｍの幅とすることができ、少なくとも３μｍの厚みを有することができ、また、エレクトロマイグレーションに抵抗する材料を含むことができる。主トレース２３によって形成された小区分内には、主トレース２３の電流の一部分を搬送する小トレース２２がある。小トレース２２は、増強領域５０及び抽出領域５２が互いに密接した状態で位置するように、主トレース２３よりも狭いものである。小トレース２２は、主トレース２３よりも狭く（例えば、１μｍから５μｍ）かつ薄くなっている（例えば、３μｍ未満）。小トレース２２は、反射性とすることができ、かつ、Ａｇ又はＡｌのいずれかを含むことができる。主トレース２３は、小トレース２２を損傷することなくどれだけの電流を小区分に分割することができるかにより、２０μｍと２５０μｍの間のピッチ２４を有する。

増強フォトニック結晶領域５０及び抽出フォトニック結晶領域５２内の格子は、単位セル、正孔の直径ｄ、最も近い隣接正孔の中心間の距離の尺度である格子定数ａ、正孔の深さｗ、正孔内に配置された誘電体の誘電定数ε_h、及び正孔が形成される半導体材料の誘電定数ε_Sによって特徴付けられる。パラメータａ、ｄ、ｗ、ε_h、及びε_S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エッジでの状態の密度に影響を及ぼすものである。従って、パラメータａ、ｄ、ｗ、及びε_hは、装置によって発せられる放射パターンに影響を及ぼすので、装置からの抽出効率を高めるように選択することができる。可能な抽出フォトニック結晶及び増強フォトニック結晶の単位セルの例としては、三角形、正方形、六角形、ハニカム、又は他の公知の二次元格子形がある。一部の実施形態では、回折格子のような一次元格子を使用することができる。フォトニック結晶構造体を形成する正孔は、円形、正方形、六角形、又は他の断面を有することができる。一部の実施形態では、格子定数ａは、０．１λと１０λの間の範囲であり、深さｗは、ｎ型領域１０８の全厚までの範囲であるが、一部の実施形態では、正孔１２２−ｉは、活性領域１１２及び／又はｐ型領域１１６内に延びることができ、また、直径ｄは、０．１ａと０．５ａの間の範囲である。

増強領域及び抽出領域内の格子パラメータは、増強領域内の光の生成量及び抽出領域内の抽出量を大きくするように選択される。装置の性能に影響を及ぼすように増強領域又は抽出領域内で変えることができる格子パラメータの例としては、格子定数ａ、正孔直径ｄ、格子形、誘電定数ε_h、及び半導体材料誘電定数ε_sがある。以上の格子パラメータのいずれも、増強領域及び抽出領域において同じか又は異なることができる。

図１３、図１４、及び図１５は、本発明の代替的実施形態、つまり、図５、図６、及び図１２に示すような接触ウェブではなく、単一の抽出領域と、単一の増強領域と、単一の接点とを有する装置を示すものである。図１３及び図１４に示す装置においては、第３のフォトニック結晶領域、つまり、反射領域３０が含まれている。増強領域５０においては、光子は、高い内部効率で発生する。接点５４は、装置を電気的に作動させるために増強領域５０の一部分の上に置かれる。増強領域５０において発生した光は、抽出領域５２内に、図１３の増強領域５０の中央に、又は図１４の増強領域５０の側面に伝播する。反射領域３０は、増強領域５０及び抽出領域５２を取り囲んでいる。反射領域３０に入射する光のいずれも、半導体層スタックを通じて増強領域５０に方向が変えられる。反射領域３０が、発生した光の損失を防止することにより、光は、確実に抽出領域５２内に伝播する。これらの領域の各々は、適正な光学特性を与える異なる格子定数、格子形、深さ、及び充填比を有するフォトニック結晶構造体で作られる。

図１５に示す装置においては、抽出領域５２は、反射領域が不要であるように増強領域５０を取り囲んでいる。増強領域５０の外側に伝播する全ての光は、抽出領域５２に入り、そこで装置から逃げることができる。
複数の格子を有するフォトニック結晶ＬＥＤにおいては、増強領域から抽出領域に結合される光が大きいほど装置は効率的になる。抽出領域及び増強領域の格子定数が近いものであって格子形が同じ場合には、一般的に十分な光の結合がある。一部の実施形態では、増強領域から抽出領域までの光の結合は、結合構造によって向上する。結合構造の一例は、増強領域と抽出領域の間に配置された結合格子である。結合格子は、結合量を大きくするように設計される。例えば、増強領域と抽出領域の両方が、異なる格子定数を有する三角形格子を有する場合、結合格子は、増強格子定数から抽出格子定数に徐々に変化する段階的な格子定数を有することができる。結合構造の別の例は、フォトニック結晶がない増強領域と抽出領域の間の間隙である。間隙の大きさは、高い光結合を促進するように選択される。

図１０は、増強フォトニック結晶領域と抽出フォトニック結晶領域とを含むフォトニック結晶装置を形成する方法を示すものである。ｎ型領域１０８と、活性領域１１２と、ｐ型領域１１６とを含むエピタキシャル構造体７２を成長基板上で成長させる。ｐ接点１２をｐ型領域１１６の表面上に形成し、次に、エピタキシャル構造体をホスト基板構造体５８に接合する。成長基板を除去すると、エピタキシャル構造体７２（一般的に、ｎ型領域１０８）の表面が露出状態となる。図１０の段階７０においては、第１のマスク層７４を表面のエピタキシャル構造体７２上に堆積させ、増強領域５０内に形成されるフォトニック結晶構造体に対応するようにパターン化される。抽出区域５２は、マスク層７４によって完全に覆われたままである。次に、段階７１に示すように、増強領域５０のフォトニック結晶構造体をエッチングし、第１のマスク層７４を除去する。抽出領域５２内で形成されるフォトニック結晶構造体に対応するパターンで、第２のマスク層７６を堆積させる。増強領域５０は、マスク層７６によって覆われたままである。次に、抽出領域５２のフォトニック結晶構造体をエッチングすると、段階７３に示す装置が残ることになる。マスク層７４及び７６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、深刻Ｘ線リソグラフィ、干渉リソグラフィ、ホットエンボス加工、又はマイクロコンタクト印刷のような高解像度リソグラフィ手法を用いてパターン化することができる。マスク層がパターンされると、公知のエッチング手法を用いてフォトニック結晶構造体をエッチングすることができる。フォトニック結晶構造体を形成する手法は、本明細書において引用により組み込まれている、本出願の出願人に譲渡された２００２年１月２８日出願の「フォトニック結晶構造体を用いたＬＥＤ効率」という名称の米国特許出願出願番号第１０／０５９，５８８号でより詳細に説明されている。フォトニック結晶を増強領域及び抽出領域内に形成した後に、金属ウェブ５４を形成することができる。
一部の実施形態では、エピタキシャル層７２の厚みは、抽出フォトニック結晶領域と増強フォトニック結晶領域では異なってもよい。このような実施形態では、図１０に示す方法で段階７０の前に、エピタキシャル層の表面をパターン化かつエッチングして、異なる厚みの増強領域と抽出領域を形成することができる。

図１１は、増強フォトニック結晶領域と抽出フォトニック結晶領域を含むフォトニック結晶装置を形成する他の方法を示すものである。図１１に示す装置においては、増強フォトニック結晶領域５０は、図１０に示すように装置の表面上に形成するのではなく、装置内に埋設される。図１１の段階８０においては、エピタキシャル層７２を成長基板８５上で成長させる。先に挙げた手法の１つによって増強フォトニック結晶領域５０を形成する。次に、増強フォトニック結晶領域５０を含むエピタキシャル層７２の表面をｐ接点１２を通じてホスト基板５８に接合する。成長基板８５を除去すると、段階８２に示す構造体が残ることになる。次に、エピタキシャル層７２を薄くすることができる。次に、先に挙げた手法の１つによって抽出領域５２をエピタキシャル層内に形成すると、段階８４に示す装置をもたらすことになる。図１１は、まず増強領域５０が形成され、従って装置内に埋設される装置を示すが、一部の実施形態では、まず抽出領域５２を形成して装置内に埋設し、装置の表面上に増強領域５０が形成される。

本発明の第２の実施形態では、準結晶における装置の同じ領域には複数の格子形が含まれる。図１６及び図１７は、準結晶を形成する正孔の配置の２つの例を示すものである。図１６及び図１７に示すように、準結晶は、正方形３１及び三角形３２の繰返しパターンの頂点に位置する正孔のパターンである。このような繰返しパターンは、アルキメデス格子又はペンローズタイルということが多い。準結晶の格子定数は、繰返しパターンにおいては三角形又は正方形の辺の長さである。格子定数、及び正孔深さ及び直径のような準結晶フォトニック結晶の他のパラメータは、他のフォトニック結晶格子に関して上述のものと同じ範囲を有することができる。装置は、装置内の唯一のフォトニック結晶として準結晶を組み込むことができ、又は上述のように準結晶格子を増強領域、抽出領域、又は反射領域として使用することができる。
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本発明の開示が与えられると本明細書で説明した革新的概念の精神から逸脱することなく修正を行うことができることを認めるであろう。従って、本発明の範囲は、図示して説明した特定的な実施形態に限定されることを意図していない。

単一のフォトニック結晶構造体を有するフォトニック結晶発光装置の断面図である。 単一のフォトニック結晶構造体を有するフォトニック結晶発光装置の平面図である。 格子定数を波長で割り算したａ／λの関数として図１及び図２に示す装置の全放射パワーを示す図である。 格子定数を波長で割り算したａ／λの関数として３０°円錐内への光の抽出を示す図である。 増強フォトニック結晶領域と抽出フォトニック結晶領域とを含むフォトニック結晶発光装置の平面図である。 増強フォトニック結晶領域と抽出フォトニック結晶領域とを含むフォトニック結晶発光装置の平面図である。 図５及び図６に示す装置のいずれかの軸線６０に沿った断面図である。 図５及び図６に示す装置のいずれかの軸線６０に沿った断面図である。 図５及び図７に示す装置に対して格子定数を波長で割算したものの関数として全放射パワー及び３０°円錐内への光の抽出を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 図５、図６、図７、及び図８に示す装置を作製する方法を示す図である。 増強フォトニック結晶領域と、抽出フォトニック結晶領域と、接触ウェブとを含む装置を示す図である。 増強フォトニック結晶領域と、抽出フォトニック結晶領域と、反射フォトニック結晶領域とを含む装置を示す図である。 増強フォトニック結晶領域と、抽出フォトニック結晶領域と、反射フォトニック結晶領域とを含む装置を示す図である。 単一増強領域及び単一抽出領域を有する装置を示す図である。 準結晶フォトニック結晶を示す図である。 準結晶フォトニック結晶を示す図である。

符号の説明

１６ ホスト基板
２０ エピタキシャル構造体
１０８ ｎ型領域
１１２ 活性領域
１１６ ｐ型領域

Claims (27)

1. ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光層を含む半導体スタックと、
   前記半導体スタックの少なくとも一部分に形成され、該スタック内に正孔の格子を含むフォトニック結晶構造体と、
   接点と、
   を含み、
   前記フォトニック結晶構造体は、少なくとも２つの異なる格子を含み、
   前記スタックの第１の領域に正孔の第１の格子が形成され、
   前記スタックの第２の領域に正孔の第２の格子が形成され、
   前記接点及び前記第１及び第２の格子は、該接点が電流を前記第１及び第２の領域の一方のみに注入するように構成されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも２つの異なる格子は、異なる格子形であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも２つの異なる格子は、異なる格子定数を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の格子の格子定数は、装置から放射されたパワーに対する格子定数のプロットにおける極大値に対応することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
6. 前記第２の格子の格子定数は、前記スタックの表面上の３０°円錐内への光の抽出に対する格子定数のプロットにおける極大値に対応することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
7. 前記第２の格子の格子定数は、光の抽出に対する格子定数のプロットにおける極大値に対応することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
8. 前記第１及び第２の正孔の格子は、前記第１の領域で発生した光の少なくとも一部分が前記半導体スタックを通じて前記第２の領域の方向に向けられるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
9. 前記第１及び第２の格子は、前記スタックの同じ表面上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
10. 前記第１の格子は、前記スタックの上面に形成され、前記第２の格子は、該スタックの底面に形成されることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
11. 前記第１の領域は、前記第２の領域に隣接することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
12. 前記第１の領域は、前記第２の領域を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
13. 前記第２の領域を取り囲む第１の接点を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の構造体。
14. 前記第１の格子は、単位セルを有し、前記第１の領域は、該第１の格子の５から２０単位セルの幅を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
15. 前記第１の領域は、約５ミクロンよりも小さい幅を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
16. 前記第１の格子及び前記第２の格子の一方は、三角形格子、正方形格子、六角形格子、及びハニカム格子のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
17. 前記第１の格子及び前記第２の格子の一方は、正方形及び正三角形の繰返しパターンの頂点上に配置された正孔の配列を含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
18. 前記スタックの第３の領域上に形成された第３の正孔の格子、
    を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
19. 前記第３の領域は、前記第１及び第２の領域を取り囲むことを特徴とする請求項１８に記載の構造体。
20. 前記第３の格子は、前記第１の領域及び前記第２の領域の一方で発せられた光を前記半導体スタック内に反射するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の構造体。
21. 前記第３の領域は、前記第１の領域と前記第２の領域の間に配置され、前記第３の正孔の格子は、該第１の領域からの光を該第２の領域に結合するように構成されることを特徴とする請求項１８に記載の構造体。
22. 誘電体が、前記第１の正孔の格子及び前記第２の正孔の格子内の正孔を埋め、
    前記少なくとも２つの異なる格子は、前記正孔を埋める異なる誘電率を有する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
23. 前記第１の領域の誘電率は、前記第２の領域の誘電率と異なることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
24. 前記少なくとも２つの異なる格子は、異なる正孔直径を有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
25. 前記少なくとも２つの異なる格子は、異なる正孔深さを有することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
26. 前記スタックの上に重なる金属ウェブを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の構造体。
27. 前記金属ウェブは、
    複数の主トレースと、
    複数の小トレースと
    を含み、
    前記主トレースは、１０から２０μｍの幅を有し、
    前記小トレースは、１から５μｍの幅を有し、
    前記主トレースは、２０と２５０μｍの間の間隔で配置されている、
    ことを特徴とする請求項２６に記載の構造体。

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