JP7479279B2 - 発光デバイス及び発光ダイオードデバイス - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年10月17日に出願された米国仮特許出願第62/573,382号、及び2018年10月15日に出願された「NANO-PHOTONICS REFLECTOR FOR LED EMITTERS」と題する米国特許出願第16/160,713号、及び2018年1月23日に出願された欧州特許出願第18152921.5号の利益を主張するものであり、これらの出願は、いずれも、引用により、あたかも完全に記載されているかのように本明細書に組み込まれている。
技術分野
本発明は、発光ダイオード(LED)エミッタ用のナノフォトニクス反射器、より詳細には、入射光を完全に遮断するために分布ブラッグ反射器(DBR)の制限された反射率を改善する反射器構造に関する。
典型的な複合ミラーアーキテクチャの反射率は、半導体と損失金属反射器を分離するかなり厚い酸化物層との間の屈折率コントラストによって制限される。臨界錐体の外側の角度で入射する光は、金属と相互作用し、その結果、部分的に吸収される。これを改善するために、分布ブラッグ反射器(DBR)構造が、厚い酸化物層と金属反射器との間に配置されることができる。しかしながら、実用的なDBR設計は、制限された屈折率コントラストを有する層を採用しており、最終的に性能向上を制限している。
したがって、入射光を効率的に完全に遮断するために、制限されたDBR反射率を改善する反射器構造が必要とされる。
発光ダイオード(LED)用の反射器として使用するためのシステム、方法及びデバイスが開示されている。システム、方法及びデバイスは、LEDによって放出される横電界(transverse-electric)(TE)放射を反射するように設計された第1層と、LEDから放出される横磁界(transverse-magnetic)(TM)放射を遮断するように設計された第2層と、透明伝導性酸化物層として作動するように設計された複数のITO層と、
を有する。
第1層は、一次元(1D)分布ブラッグ反射(DBR)層であり得る。第2層は、二次元(2D)フォトニック結晶(PhC)、三次元(3D)PhC及び/又は双曲線メタ材料(HMM)であり得る。2DPhCは、水平シリンダーバー、垂直シリンダーバー又はその両方を含み得る。システム、方法及びデバイスは、Agフリー(Ag free)であり得、結合層として作用し得る底部金属反射器を含み得る。
以下の説明から、添付の図面と関連して例示的に与えられる、より詳細な理解を得ることができる
発光ダイオード(LED)複合ミラー損失寄与を示す図である。 損失が青色及び60°の入射角(AOI)で最も高いことを示す、複合ミラーLEDエミッタにおける角度分解スペクトル分布ブラッグ反射器(DBR)損失内訳を示す図である。 図1の極大の位置に対応する450nm、60°AOIにおけるDBR累積損失を示す図である。 450nmでの偏光依存性反射率を示し、ブルースター角領域での横磁界(TM)偏光反射率が低いことを示す図である。 図3と比較可能な典型的なDBR解に対するバンド図と反射率との関係を示す図である。 一次元(1D)DBRに二次元(2D)フォトニック結晶(PhC)又は三次元(3D)PhCを加えた反射器を示す図である。 SiO2及びTiOx層を用いた図6の反射器の種々のAOI(450nm)における垂直電界を示す図である。 1D DBR及び図6の反射器の両方の450nmにおける反射率応答を示す図である。 1D DBR及び双曲線メタ材料(HMM)層を有する反射器を示す図である。 深いサブ波長の厚さの金属/誘電体対によって形成されたHMMを用いた、図9の反射器のバンドギャップ図を示している。 LEDから放出された光を反射する方法を示す図である。
以下の説明では、本実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、及び技術などの多数の特定の詳細が説明される。しかしながら、当業者によれば、実施形態はこれらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解されるであろう。他の例では、実施形態を不明瞭にすることを回避するために、周知の構造又は処理ステップは詳細には説明されていない。層、領域、又は基板などの要素が別の要素の「上(on)」又は「上方(over)」にあると言及される場合、それは他の要素の直接上に存在することができ、又は介在要素も存在し得る。対照的に、要素が「直接上(directly on)」又は「直接上方に(directly over)」あると言及されている場合、介在要素は存在しない。要素が別の要素の「下側に(beneath)」、「下方に(below)」、又は「下に(under)」あると言及される場合、それは他の要素の直接下に存在することができ、又は介在要素も存在し得る。対照的に、要素が「直接下側に(directly beneath)」又は「直接下方に(directly below)」、又は「直接下に(directly under)」あると言及される場合、介在要素は存在しない。
以下の詳細な説明における実施形態の提示を不明瞭にしないために、当技術分野で公知のいくつかの構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、及び技術は、提示及び説明の目的で一緒に組み合わされていてもよく、いくつかの例では詳細に説明されていないことがある。他の例では、当技術分野で公知の幾つかの構造、構成要素、材料、寸法、処理ステップ、及び技術は全く記載されない場合がある。以下の説明は、本明細書に記載される種々の実施形態の特徴的な特徴又は要素に焦点を当てていることが理解されるべきである。
入射光を効率的に完全に遮断するために、分布ブラッグ反射器(DBR)の制限された反射率を改善する反射器構造が開示されている。特に、反射器構造は、実際のDBRアーキテクチャにおける反射率を増加させ、横磁界(TM)偏光関連損失を低減し、実用的な(工業的に成熟した)材料選択(二酸化ケイ素(SiO)、酸化チタン(TiO)、フッ化マグネシウム(MgF)及び酸化ニオブ(wb2O))によってTM偏光放射を反射し、金属反射器との光相互作用を緩和し、かくして、銀(Ag)を含まない(silver (Ag) free)ソリューションを可能にし、これは、高温、高電流密度(即ち、信頼性の高いロバストなソリューション)及び/又は紫外線(UV)エミッタにおいて顕著な利点を提供し、より信頼性の高いソリューションを提供するためにAgの代替として金(Au)反射器を提供し、直接蛍光体変換LED(pcLED)エミッタにおける抽出効率(ExE)及び色効率(CE)を増加させ、指向性を改善する(即ち、増加した輝度)。さらに、本反射器構造は、極めて高い屈折率(RI)を有する材料などの材料を使用することによって完全なバンドギャップDBRを提供することができる。
現在のDBR設計では、屈折率コントラストが制限された層を採用しており、最終的に性能向上を制限している。例えば、図1は、発光ダイオード(LED)損失内訳(loss breakdown)の複合ミラー損失寄与を示す。いずれのLEDも、本明細書の設計から利益を得ることができる。これは一般に、銀ミラー間のDBRである。図1は、DBRを含む複合ミラーダイを装備したLEDの損失内訳100を示す。損失内訳は、ダイ損失110の55%(5.5/9.9)が複合ミラー吸収120に起因することを示す。損失は、生成されたた(青色)光の約5.5%に相当する。青色光損失の5.5%のうち、50%(2.7/5.5)は、DBR(Ag)損失130による。DBR(Ag)損失130の約2.7%のうち、約80%(79.4%)はAg損失140に起因する。したがって、DBRは金属との光相互作用を遮断している。示されるように、DBR(Ag)中のTiO2損失は吸収損失の17%を占める。これらの統計に基づいて、Ag損失が緩和又は除去されるシナリオには改善の機会が存在する。
図2は、図1から示された複合ミラーLEDエミッタにおける、角度分解スペクトル分布ブラッグ反射器の損失内訳200を示している。損失内訳200は、損失が、例えば約450nmなどの青色波長210かつ約60°の入射角において最も高いことを示している。この領域220は、図2内でハイライトされている。
図3は、図1の極大の位置に対応する450nmにおける60°の入射角(AOI)でのDBR累積損失300を示している。P偏光は、横磁界(TM)と称され、本分野ではπ偏波又は接線面偏光とも称される。S偏波は、横電界(TE)と称され、本分野では、σ偏光又は矢状面偏光とも称される。図3には、32°AOIに対する450nmにおける横電界(TE)累積損失320及び横磁界(TM)累積損失310が示されている。TM累積相対損失310は、200nmの厚さ(Ag層)で約80%(点330に示されている)までピークに達し、着実に上昇し続けた後に、約2000nmの厚さ(ITO層)においてジャンプ340が示される。TE累積相対損失320は、ほぼゼロのままであり、厚さ約2000nm(ITO層)において、小さな増加350を有する。損失(TM損失の大部分は、Ag層に起因する厚さの最初の200nmで生じる)は、ブルースター角領域におけるTM放射のAg吸収360によって支配される。
図2及び図3は、角度分解されたスペクトル損失から、450nmにおいてブルースター角と一致する60°の入射角近傍で、損失がピークに達することを示す。ピーク損失領域でのDBR層にわたる累積損失分布は、TM吸収がAg層に到達し吸収されるにつれて支配的になるとともに、TE損失寄与は非常に低く、主にインジウムスズ酸化物(ITO)損失によることを明らかに示した。
図4は、450nmにおける複合ミラーLEDの偏光依存性反射率400を示す。反射率のプロット400は、TM偏光反射410がブルースター角(60°付近)領域で低いことを示す。図4のp偏光(Rp)の反射とs偏光(Rs)の反射を比較すると、TM反射率が最も低いことが確認される(Rpは3つの反射率の値のうち低いもの、Rは中央、Rsは最大)。最大Ag露出である、最も弱いTM反射率410は、約60°である。
ブルースター角(100%透過)は、
Figure 0007479279000001
によって定義され、かつ、それ故に関連する損失は選択された材料によって回避されることができない。
図5は、図3に関して説明したように、DBRの場合のバンド図508と反射率504との間の関係500を示す。図5に示すように、濃い灰色の領域は許容状態である。DBRについての図5のバンド図508は、フォトニックバンドギャップが、ポンプ波長の周りのTEのために設計されてもよいが(損失が最も高い)、TM偏光を遮断できい(即ち、完全に反射される)ことを示す。完全なTEバンドギャップは、図中では510の符号が付された、全て明るい灰色のままであるボックスで表される。不完全なTMバンドギャップは、図中では520の符号が付された、完全に明るい灰色のままではないボックスで表される。その結果、結論として図4に関して述べられたように、不完全なTMバンドギャップは、選択した材料では損失を回避できないことを示す。
図6は、一次元(1D)DBR610に、二次元(2D)フォトニック結晶(PhC)620及び/又は三次元(3D)PhC620を加えた反射器600を示す。図6は、半導体層650に隣接する反射器600の1つの可能な実施形態を示す。反射器は、1D DBR構造610と、2D PhC620及び/又は3D PhC620とを組み合わせる。PhC620は、当業者によって理解されるように、SiO2及びTiO2のような材料対を含んでもよい。図は2D PhC620の水平配置を示しているが、PhC620は、垂直又は水平に配置されたシリンダーバーを含んでもよい。垂直配置では、PhC620は3Dになる。垂直シリンダ、球体(spheres)、木材パイル(woodpiles)、及びこれらの組み合わせを含む他の幾何学的形状を使用することができる。底部金属反射器は、Agフリーであってもよく、したがって、結合層630であると理解され得る。
反射器の各層は、TE放射線を反射するように設計された1D DBR610と、TM放射線を遮断する2D/3D PhC620構造とを含む。2D/3D PhC構造620の厚さは、DBR層610とほぼ同じサイズであり得る。また、半導体層650の多重量子井戸(MQW)と隣接する(複数の)ITO層640が存在し得るい。(複数の)ITO層640は、透明伝導性酸化物層として動作する。
本明細書は、TM放射線が反射される前に、TE放射線が反射されることを示すが、この順序は逆であってもよい。また、層は、TM放射を反射し、その後TE放射線を反射するように動作してもよく、その後、追加の層は、任意の追加のTM放射を反射するように設計されてもよい。当業者に理解されるように、層における金属の使用は、TE放射及びTM放射の両方の透過及び反射に影響を及ぼす。
図6のこれらの構造は、完全なフォトニックバンドギャップを特徴としないが、これらの構造は、TM放射に対して完全なバンドギャップを特徴とし得る。したがって、TE放射線を反射するために1D DBR610を使用する必要がある。
図7は、450nm光に対する種々のAOIにおける正規電界(the electric field normal)700を示す。図6のSiO2層及びTiOx層を用いた2D PhC及び1D DBRの組み合わせと、DBRと、の正規電界が図示されている。これから分かるように、電界強度は、入射波を完全に反射するのにわずかな周期的な層しか必要とされないことを示す。
具体的には、5つの比較の最初の(AOI=0度)710に示されるように、DBとDBR+2DPhCとは同じように見えるので、AOI-0度において示される差はない。同様に、AOI=30°の720では、DBRとDBR+2DPhCとは同じように見えるが、性能のわずかな変動が示され始めている。注目すべきことに、DBR部分は、例えば、0度における同じ描写からわずかにずれている。AOI45°の730、60°の740、75°の750における、次の3つの比較は、DBR+2DPhCの組み合わせがはるかに良好に機能することを示し、さらにDBRパフォーマンスの低下を示す。
図8は、1D DBR反射率810と図6の反射器の反射率820の両方の450nmにおける反射率プロット800を示す。示されるように、TMの1D DBR反射率810は、約40°AOIにおいて減少し始め、50°から80°近傍までに20%より低くなり、最終的に80°を超えて増加する。一方、TM820の1D DBR+2D PhC反射率は依然として非常に高く、約100%に近づいている。
まとめると、図7と図8は、ポンプ波長でほぼ100%の反射率を得るための、1D DBRと2D PhCの組み合わせ(図6の反射器)の効果を示している。
図9は、1D DBR910と双曲線メタ材料(HMM)層925を有する反射器900を示す。反射器の各層は、TE放射線を反射するように設計された1D DBR910と、TM放射線を遮断するHMM層925とを含む。HMM層925の厚さは、DBR層910とほぼ同じサイズであり得る。HMM層925は、図6の対応するPhC層620よりも薄くてもよい。HMM層925は、ナノスケールで発光体相互作用を調整するために、特定の特性を有するように設計されたナノ設計材料を含み得る。また、半導体層950のMQWに隣接して(複数の)ITO層940が存在し得る。(複数の)ITO層940は、透明伝導性酸化物層として動作する。底部金属反射器は、Agフリーであり得る(例えば、結合層930)。
図9に示される反射器900において、層の多くは、図6の反射器600に関して述べられる層と類似している。図6のPhC620は、HMM層925によって置き換えられている。HMM層925は、例えば、サブ波長の厚さの金属/誘電体層を交互に配置すること(alternating)によって、複数の異なる方法で形成することができる。HMM層925を生成する他の方法は、Evgenii E. NarimanovによるPhotonic Hypercrystalsと題する論文に記載されている(Phys. Rev X4, 041014(2014))。HMM層925の存在は、完全なTMバンドギャップの形成を可能にする表面モードを生成する。
図10は、サブ波長の厚さの金属/誘電体対によって形成されたHMM層925を有する図9の反射器900のバンドギャップ図1000を示す。バンドギャップ図1000は、完全なTMバンドギャップ1010が形成され得ることを示す。ここでも、濃い灰色の領域は許容状態である。TM領域の示された領域は、領域全体が明るい灰色であるため、完全なTMバンドギャップ1010を提供する。したがって、このHMM層925を従来の1D DBR910と組み合わせることによって、完全なバンドギャップ構造が達成される。
図11は、LEDから放出された光を反射する方法1100を示す。方法1100は、ステップ1110において、第1層によってLEDによって放出される横電界(TE)放射を反射するステップと、ステップ1120において、第2層によってLEDから放出される横磁界(TM)放射を遮断するステップと、ステップ1130において、複数のITO層を有する透明伝導性酸化物層を提供するステップと、を含む。
第1層は、一次元(1D)分布ブラッグ反射(DBR)層610、910であり得る。第2層は、二次元(2D)フォトニック結晶(PhC)620、三次元(3D)PhC620、及び/又は双曲線メタ材料(HMM)925であり得る。2D PhC620は、水平シリンダーバー、垂直シリンダーバー、又はその両方を含み得る。方法1100は、Agを含まない金属反射器を有し得る結合層630、930を提供することを含み得る。第1層及び第2層は、ほぼ同じ厚さであり得る。
特徴及び要素は、特定の組み合わせで上述されているが、当業者は、各特徴又は要素が、単独で、又は他の特徴及び要素の有無にかかわらず、任意の組み合わせで使用され得ることを理解するであろう。さらに、本明細書に記載の方法は、コンピュータ又はプロセッサによって実行するためのコンピュータ読取可能媒体に組み込まれたコンピュータ・プログラム、ソフトウェア、又はファームウェアで実施することができる。コンピュータ読取可能媒体の例には、電子信号(有線又は無線接続を介して伝送される)及びコンピュータ読取可能記憶媒体が含まれる。コンピュータ可読記憶媒体の例としては、読出専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、レジスタ、キャッシュメモリ、半導体メモリデバイス、内部ハードディスク及びリムーバブルディスク等の磁気媒体、光磁気媒体、CD-ROMディスク及びデジタル多用途ディスク(DVD)などの光媒体、が挙げられるが、これらに限定されない。

Claims (15)

  1. 第1のと第2の光とを作動中に放出する発光半導体構造であって、前記第1の光はピーク波長及びTE偏光を有し、前記第2の光は前記ピーク波長及びTM偏光を有する、発光半導体構造と、
    反射構造と、を備える発光デバイスであって、
    前記反射構造は、
    前記反射構造にTE偏光で入射する前記第1の光を射するように構成された分布ブラッグ反射器(DBR)であって、前記DBRは前記第1の光に対して、前記反射構造にTM偏光で入射する前記第2の光に対してより大きい反射率を有する、DBR、及び、
    前記反射構造にTM偏光で入射する前記第2の光を射するように構成されたォトニック結晶であって、前記フォトニック結晶は前記第2の光に対して前記第1の光に対してより大きい反射率を有し、前記フォトニック結晶は2Dフォトニック結晶若しくは3Dフォトニック結晶である、フォトニック結晶を有する、
    発光デバイス。
  2. 複数のITO層をさらに有する、
    請求項1記載の発光デバイス。
  3. 前記フォトニック結晶は2Dフォトニック結晶である、
    請求項1記載の発光デバイス。
  4. 前記フォトニック結晶は材料対を含む、
    請求項1記載の発光デバイス。
  5. 前記材料対はSiOとTiOとを含む、
    請求項4記載の発光デバイス。
  6. 前記フォトニック結晶は3Dフォトニック結晶である、
    請求項1記載の発光デバイス。
  7. 前記3Dフォトニック結晶は、垂直シリンダーバーを含む、
    請求項6記載の発光デバイス。
  8. 前記3Dフォトニック結晶は、球体及び木材パイルのうち少なくとも1つを含む、
    請求項6記載の発光デバイス。
  9. 底部金属反射器をさらに有する、
    請求項1記載の発光デバイス。
  10. 前記底部金属反射器はAgフリーである、
    請求項9記載の発光デバイス。
  11. 前記発光デバイスに隣り合って配置されるべき部材に結合すべき前記底部金属反射器は結合層として作用する、
    請求項9記載の発光デバイス。
  12. 前記分布ブラッグ反射器と前記フォトニック結晶とは略同じ厚さを有する、
    請求項1記載の発光デバイス。
  13. 発光ダイオードデバイス(LED)であって、
    III/V直接バンドギャップ半導体として形成され、作動中に第1のと第2の光とを放出する半導体層であって、前記第1の光はピーク波長及びTE偏光を有し、前記第2の光は前記ピーク波長及びTM偏光を有する、半導体層と、
    反射構造と、を備え、
    前記反射構造は、
    前記反射構造にTE偏光で入射する前記第1の光を高度に反射するように構成された分布ブラッグ反射器(DBR)であって、前記DBRは前記第1の光に対して、前記反射構造にTM偏光で入射する第2の光に対してより大きい反射率を有する、DBRと、
    前記反射構造にTM偏光で入射する前記第2の光を高度に反射するように構成されたォトニック結晶であって、前記フォトニック結晶は前記第2の光に対して前記第1の光に対してより大きい反射率を有し、前記フォトニック結晶は2Dフォトニック結晶若しくは3Dフォトニック結晶である、フォトニック結晶と、を有し、
    前記発光ダイオードデバイスはさらに、
    複数のITO層と、
    Agフリーであり、前記発光ダイオードデバイスに隣り合って配置されるべき部材に結合すべき結合層である底部金属反射器と、を備え、
    前記半導体層上に前記ITO層、前記反射構造、前記底部金属反射器が順に配置されている、
    発光ダイオードデバイス。
  14. 前記底部金属反射器はAuを含む、
    請求項13記載の発光ダイオードデバイス。
  15. 前記フォトニック結晶は、3Dフォトニック結晶である、
    請求項13記載の発光ダイオードデバイス。
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