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パターニングされた基板上の成長による単色またはマルチカラーの高性能な発光ダイオード(LED)
説明

パターニングされた基板上の成長による単色またはマルチカラーの高性能な発光ダイオード(LED)

【課題】高い抽出効率を有する単色またはマルチカラーの発光ダイオード(LED)を提供する。
【解決手段】高い抽出効率を有する単色またはマルチカラーの発光ダイオード(LED)は、基板78と、基板上に形成されたバッファ層76と、バッファ層の上部に堆積された1つ以上のパターニングされた層72と、パターニングされた層の上または層の間に形成された1つ以上のアクティブ層70から構成される。上記発光ダイオードは、例えば、横方向エピタキシャル成長(LEO)によるものであり、1つ以上の発光種80(例えば、量子井戸)を含む。パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク74(絶縁材料または半導性材料または金属材料から構成されている)と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
(関連出願の引用)
本出願は、同一出願人による以下の同時継続出願の優先権を主張する:
米国特許出願第11/067,910号、2005年2月28日出願、Claude C.A.Weisbuch、Aurelien J.F.David、James S.Speck、およびSteven P.DenBaars、題名「SINGLE OR MULTI−COLOR HIGH EFFICIENCY LIGHT EMITTING DIODE(LED) BY GROWTH OVER A PATTERNED
SUBSTRATE」、代理人管理番号第30794.122−US−01(2004−145−1)号
上記出願は、参考のために本明細書に援用される。
【0002】
本出願はまた、同一出願人による以下の同時継続出願にも関連する:
米国特許出願第10/938,704号、2004年9月10日出願、Carole Schwach、Claude C.A.Weisbuch、Steven P.DenBaars、Henri Benisty、およびShuji Nakamura、題名「WHITE、SINGLE OR MULTI−COLOR LIGHT EMITTING DIODES BY RECYCLING GUIDED MODES」、代理人管理番号第30794.115−US−01(2004−064−1)号、
米国特許出願第11/067,957号、2005年2月28日出願、Claude C.A.Weisbuch、Aurelien J.F.David、James S.Speck、およびSteven P.DenBaars、題名「HORIZONTAL EMITTING、VERTICAL EMITTING、BEAM SHAPED、DISTRIBUTED FEEDBACK(DFB) LASERS BY GROWTH OVER A PATTERNED SUBSTRATE」、代理人管理番号第30794.121−US−01(2005−144−1)号;ならびに
米国特許出願第11/067,956号、2005年2月28日出願、Claude C.A.Weisbuch、Aurelien J.F.David、およびSteven P.DenBaars、題名「HIGH EFFICIECY LIGHT EMITTING DIODE(LED) WITH OPTIMIZED PHOTONIC CRYSTAL EXTRACTOR」、代理人管理番号第30794.126−US−01(2005−198−1)号
上記出願は、参考のために本明細書に援用される。
【0003】
(委託研究開発に関する陳述)
本発明は、University of California、Santa Barbara Solid State Lighting and Display Centerのメンバーカンパニーからの支援のもとでなされたものであり、上記メンバーカンパニーは、Stanley Electric Co.、Ltd.、Mitsubishi Chemical Corp.、Rohm Co.、Ltd.、Cree、Inc.、Matsushita Electric Works、Matsushita Electric Industrial Co.、およびSeoul Semiconductor Co.、Ltdを含む。
【背景技術】
【0004】
(本発明の背景)
(1.本発明の分野)
本発明は、発光ダイオード(LED)に関し、より詳細には、パターニングされた基板上の成長による単色またはマルチカラーのLEDに関する。
【0005】
(2.関連技術の記載)
発光ダイオード(LED)は、順方向に電気的にバイアスされたときに、誘導放出するように光を放出する半導体デバイスである。この効果は、エレクトロルミネセンスの一形態である。
【0006】
LEDは、不純物で含浸またはドープされた半導性材料のチップから構成され、pn接合と称される構造を形成する。順方向にバイアスされると、n領域から接合に電子が射出され、p領域からはホールが射出される。電子およびホールは、それらが再結合する際に、光子の形態で、エネルギーを解放する。光の波長、そしてその色は、pn接合を形成する材料のバンドギャップエネルギーに依存する。
【0007】
半導体材料が改良されるにつれて、半導体デバイスの効率もまた改良されてきており、新しい波長範囲もまた、用いられるようになった。窒化ガリウム(GaN)ベースの発光体は、おそらく、様々な用途に対して最も有望である。GaNは、例えば、可変濃度のインジウム(In)と混合されたときに、紫外線(UV)から黄色スペクトルまでの効率的な照射を提供する。
【0008】
不都合にも、半導体LED材料内で発光された光は、半導体−空気の界面における全内反射が原因で、ほとんどが損失する。典型的な半導体材料は、高い屈折率を有しているので、Snellの法則にしたがうと、光のほとんどは、材料内に捕獲され得、その結果、効率が低減される。LEDに対して適切な幾何学的配置を選択することにより、高い抽出効率が達成され得る。
【0009】
図1は、同質な発光材料10の断面図を示しており、これは、材料14内部で発光された光の一部12が、エスケープコーン16内に存在し、材料10から逃げ得る一方で、発光された光の大部分18が、材料10内に捕獲され、反射されることを示している。この状況において、反射された光18は、導波光モード(guided light mode)または導波モード(guided mode)と称される。なぜならば、この光18は、デバイス10内に閉じ込められ、材料10内において横方向にガイドされるからである。
【0010】
全内反射の影響を低減させるための1つの方法は、デバイスの表面のランダムなテクスチャを介して光の散乱または再分配を形成することであり、これは、デバイスの半導体−空気の界面における、複数の可変角度の入射を引き起こす。このアプローチは、高い内部効率と低い内部損失の結果として、発光効率を9〜30%向上させることが示されており、これは、光がデバイスから逃げる前に多数の光の経路を与える。
【0011】
図2は、このコンセプトを示す半導体LED20の断面図であり、LED20の上面22は、テクスチャ加工されており、LED20の底面24は、反射体を備えており、空気は、屈折率n=1を有しており、LED20の半導体材料は、屈折率n=3.5を有している。LED20のテクスチャ加工された上面22は、幾何光学的アプローチで光の軌道をランダム化するために用いられる。
【0012】
捕獲される光の割合を低減させるための別の方法は、共振キャビティLED(RCLED)またはマイクロキャビティLED(MCLED)を用いることである。MCLEDは、「伝統的な」LEDを用いる既存のシステムよりも高い効率を有する固体発光システムを形成する機会を提供する。共振キャビティ内に利得媒体を組み込む結果として、MCLEDは、非常にコンパクトで指向性の光線を発光する。これらのデバイスの比較的高い抽出効率と比較的強い明るさは、従来のLEDに対するこれらの技術の主要な利点である。
【0013】
抽出効率とは、特定のシステムによって生成された光子が「有用」な照射としてシステムから実際に出る能力を意味する。しかしながら、マイクロキャビティ構造はまた、導波モードおよび漏れモードへの非常に有効な放出にもつながるので、この比較的高い抽出効率は、40%の範囲に制限される。したがって、これらの導波モードが抽出され得るならば、有用であり得る。
【0014】
上述のように、導波モードは、構造層の間の屈折率の違いに起因してデバイス平面内に導かれるモードである。漏れモードは、層を介して、空気または基板へと放射される。漏れモードは、それらのエネルギーが様々な損失機構(例えば、金属ミラー損失、自由キャリア吸収、アクティブ層による再吸収等)によって消散されるまでに、通常、界面において複数の全内反射を経て、デバイス内であちらこちらに動く際に、損失する。
【0015】
図3は、放射モード、導波モード、漏れモードを示す半導体LED26の断面図であり、LED26は、基板28、バッファ層30、およびアクティブ層32を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸(QW)34を含んでいる。放出された光の一部は、空気に向けて抽出36され、放射モード36を形成し、放出された光の一部は、デバイス26の様々な層を介することにより、基板28に漏れ38、漏れモード38を形成し、放出された光の一部は、アクティブ層32(またはアクティブ層32およびバッファ層30の両方)において反射され40、導波モード40を形成する。
【0016】
高性能なLEDを得るためには、構造の外への光の放射36を最適化し、漏れモード38および導波モード40の放出を最小化し、そして出来る限り、導波モードの放出40を再放出し、さらには漏れモード38の放出の一部を再放出することが必要である。本発明は、容易に製造可能な構造により、この目的を満たすことを目標としている。
【0017】
図4A〜図4Bおよび図5A〜図5Bは、マイクロキャビティ放出の構造(図4Aおよび図5A)およびシミュレーション(図4Bおよび図5B)を、窒化ガリウム(GaN)材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体(DBR)ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、示している。図4Bおよび図5Bは、半導体内部の対数目盛りの角放出図(angular emission diagram)であり、図4Bは、図4Aの構造の放出を示しており、図5Bは、図5Aの構造の放出を示している。図4Bおよび図5Bの両方に対し、図の左半分は、TM(transverse magnetic)放出を示しており、右半分は、TE(transverse electric)偏向放出を示している。平面内のモノクロのダイポールのみが仮定されている。
【0018】
図4Aにおいて、構造は、金属ミラー42およびアクティブ層44を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸46を含んでおり、上記構造は、3λ/4のキャビティであり、量子井戸46は、金属ミラー42のλ/4(48)に配置されている。図4Bにおいて、矢印50は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印52は、基板に向けての放出を示している。また、図4Bにおいて、ブレース36は、抽出された光を示しており、ブレース40は、導波モードを示している。
【0019】
図5Aにおいて、構造は、バッファ54、7周期DBRミラー56、およびアクティブ層58を含んでおり、上記アクティブ層は、量子井戸60を含んでいる。ここで、構造は、λのキャビティであり、量子井戸60は、7周期DBRミラー56のλ/2(62)に配置されている。図5Bにおいて、矢印64は、空気に向けての放出を示しており、その一方で、矢印66は、基板に向けての放出を示している。また、図5Bにおいて、ブレース36は、抽出された光を示しており、ブレース38は、漏れモードを示しており、ブレース40は、導波モードを示している。
【0020】
これらの構造からの抽出効率は、それぞれ、図4Aにおいて、空中で31%および24%であり、図5Aにおいて、エポキシ内で44%および27%である。
【0021】
LEDのマイクロキャビティ抽出に関し、大幅な改善を得ようと試みるときに、ほとんどの材料システムでは、困難に直面する。図4Bおよび図5Bは、放出図を示しており、最適化されたGaNマイクロキャビティLEDの期待される効率がこれらから抽出されるが、以下の問題点を示している:
(i)エピタキシャルに成長された材料に対する屈折率コントラストは、特に、非常に重要な窒化物材料に対し、かなり制限されている。これは、図5AのDBRミラー56の構造において多数の漏れモードへの放出が見られるからであり、これは、図5AのDBRミラー56の構造の効率を、図4Aの金属ミラー42の効率よりも低くする。
(ii)表示された効率は、非常に薄い構造が考えられ、下位キャビティ(以下では、参照番号10で記載されている)をもたらすからこそ可能である。そのような薄いアクティブ層を得ることは、困難である。例えば、通常は、アクティブ層のための良い品質の材料を成長させる前に、窒化物の薄い(数ミクロンの)バッファ層を基板上に成長させる必要がある。窒化物材料(バッファ層およびアクティブ層)を基板からリフトオフすることは、既にデリケートな操作であるが、それに加え、図4Aに示されている薄い金属ミラー構造の優れた性能をもたらし得る良好な金属ミラーによって囲まれた薄い層を得ることが(すなわちバッファ層の一部または全部をさらに除去することが)、極めて困難だからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
したがって、当該技術においては、増大された光抽出効率を提供する改良されたLED構造を提供することに対する必要性が存在する。加えて、当該技術においては、構造の外への直接または放射モードの放出を最適化し、漏れモード放出を最小化し、導波モード放出を再放出する、改良されたLED構造に対する必要性が存在する。さらに、そのような改良されたLEDを提供する一方で、そのような構造を容易に製造できるようにするために、平面状の構造を維持することに対する必要性が存在する。本発明は、これらの必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【0023】
(本発明の概要)
本発明は、高い抽出効率を有する単色またはマルチカラーの発光ダイオード(LED)を開示し、上記発光ダイオードは、基板、基板上に成長されたバッファ層、バッファ層の上部に堆積されたパターニングされた層、パターニングされた層の上に形成されたアクティブ層から構成され、例えば、横方向エピタキシャル成長(LEO;Lateral Epitaxial Overgrowth)によるものであり、1つ以上の発光種を含む。パターニングされた層は、パターニングされ穿孔または貫通されたマスク(絶縁材料または半導性材料または金属材料から構成されている)と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率の差、および/またはマスクとマスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、光閉じ込め層としてと、埋め込み回折格子としてとの両方で機能する。このようにして、放出モードおよび導波モードへのアクティブ層の放出を制御し、その後これらは、抽出される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
発光ダイオード(LED)であって、
(a)1つ以上のパターニングされた層であって、各パターニングされた層は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料を含んでいる、パターニングされた層と、
(b)該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に形成された1つ以上のアクティブ層であって、該アクティブ層は、1つ以上の発光種を含んでいる、アクティブ層と
を備えており、
(c)各パターニングされた層は、該アクティブ層の該発光種に対し、光閉じ込め層または埋め込み回折格子として機能する、LED。
(項目2)
基板および該基板上に成長されたバッファ層をさらに備えており、上記パターニングされた層は、該バッファ層の上部に堆積される、項目1に記載のLED。
(項目3)
上記バッファ層は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料である、項目2に記載のLED。
(項目4)
上記パターニングされた層は、上記アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能する、項目1に記載のLED。
(項目5)
上記パターニングされた層は、上記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する、項目1に記載のLED。
(項目6)
上記アクティブ層は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料である、項目1に記載のLED。
(項目7)
上記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長(LEO)によって成長される、項目1に記載のLED。
(項目8)
上記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、項目1に記載のLED。
(項目9)
上記マスク内の上記ホールを充填する上記材料は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料を含んでいる、項目1に記載のLED。
(項目10)
上記マスク内の上記ホールを充填する上記材料は、横方向エピタキシャル成長(LEO)によって成長される、項目1に記載のLED。
(項目11)
上記パターニングされた層の上または下に配置されたミラーをさらに備えており、所望の方向の放出を向上または低減させる、項目1に記載のLED。
(項目12)
上記パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折による異なる波長を抽出するか、あるいは該回折の方向を変化させる、項目1に記載のLED。
(項目13)
追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ、導波モードを再利用することにより、別の周波数で該導波モードの一部を再放出する、項目1に記載のLED。
(項目14)
上記LEDは、分離した放出および抽出ゾーンを有している、項目1に記載のLED。
(項目15)
上記LEDは、分離した放出および回折領域を有している、項目1に記載のLED。
(項目16)
指向性LEDを製造するために、放出は主に、上記導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生する、項目1に記載のLED。
(項目17)
発光ダイオード(LED)を製造する方法であって、
(a)1つ以上のパターニングされた層を堆積することであって、各パターニングされた層は、マスクおよび該マスク内のホールを充填する材料を含んでいる、ことと、
(b)該パターニングされた層の上または該パターニングされた層の間に1つ以上のアクティブ層を形成することであって、該アクティブ層は、1つ以上の発光種を含んでいる、ことと
を包含し、
(c)該パターニングされた層は、該アクティブ層の該発光種に対し、光閉じ込め層または埋め込み回折格子として機能する、方法。
(項目18)
基板および該基板上に成長されたバッファ層をさらに備えており、上記パターニングされた層は、該バッファ層の上部に堆積される、項目17に記載の方法。
(項目19)
上記バッファ層は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料である、項目18に記載の方法。
(項目20)
上記パターニングされた層は、上記アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能する、項目17に記載の方法。
(項目21)
上記パターニングされた層は、上記マスクと該マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する、項目17に記載の方法。
(項目22)
上記アクティブ層は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料である、項目17に記載の方法。
(項目23)
上記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長(LEO)によって成長される、項目17に記載の方法。
(項目24)
上記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、項目17に記載の方法。
(項目25)
上記マスク内の上記ホールを充填する上記材料は、窒化ガリウム(GaN)ベースの材料を含んでいる、項目17に記載の方法。
(項目26)
上記マスク内の上記ホールを充填する上記材料は、横方向エピタキシャル成長(LEO)によって成長される、項目17に記載の方法。
(項目27)
上記パターニングされた層の上または下にミラーを配置することをさらに包含し、所望の方向の放出を向上または低減させる、項目17に記載の方法。
(項目28)
上記パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折による異なる波長を抽出するか、あるいは該回折の方向を変化させる、項目17に記載の方法。
(項目29)
追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ、導波モードを再利用することにより、別の周波数で該導波モードの一部を再放出する、項目17に記載の方法。
(項目30)
上記LEDは、分離した放出および抽出ゾーンを有している、項目17に記載の方法。
(項目31)
上記LEDは、分離した放出および回折領域を有している、項目17に記載の方法。
(項目32)
指向性のLEDを製造するために、放出は主に、上記導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生する、項目17に記載の方法。
(項目33)
項目17に記載の方法を用いて製造されたデバイス。
【図面の簡単な説明】
【0024】
ここで図面を参照すると、図中では、複数の図面を通して、同様の参照番号は、対応する部分を表している。
【図1】図1は、半導体発光ダイオード(LED)の断面図である。
【図2】図2は、半導体LEDの断面図である。
【図3】図3は、半導体LEDの断面図である。
【図4】図4A〜図4Bは、窒化ガリウム(GaN)材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体(DBR)ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティLED放出の構造(図4A)およびシミュレーション(図4B)を示している。
【図5】図5A〜図5Bは、窒化ガリウム(GaN)材料システムにおける、底部の金属または分布型ブラッグ反射体(DBR)ミラーと、上部における空気との単一の界面とによって、マイクロキャビティLED放出の構造(図5A)およびシミュレーション(図5B)を示している。
【図6A】図6Aは、本発明の好適な実施形態にしたがう、LEDの断面側面図であり、図6Bは、LEDの水平断面図である。
【図6B】図6Aは、本発明の好適な実施形態にしたがう、LEDの断面側面図であり、図6Bは、LEDの水平断面図である。
【図7】図7は、横方向エピタキシャル成長(LEO)で成長されたマイクロキャビティLEDの放出特性の簡略化されたシミュレーションを示している。パターニングされた層は、表面の50%をカバーするマスクを備えている。
【図8】図8は、本発明の好適な実施形態にしたがう、回折による導波モードの抽出を示しており、パターニングされた層を回折格子として用いている。
【図9】図9は、本発明の好適な実施形態にしたがう、パターン、ならびにパターニングされた層における穿孔または貫通に用いられ得る、様々な幾何学的形状を示している。
【図10】図10は、本発明の好適な実施形態にしたがう、デバイスのアクティブ領域の断面側面図であり、2つのパターニングされた層を有している。
【図11】図11は、本発明の好適な実施形態にしたがう、デバイスのアクティブ層の断面側面図であり、2つの種が、異なる波長で放出しており、パターニングされた層における2つのパターンが、導波を放射モードに変換している。
【図12】図12は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているLEDの断面側面図である。
【図13】図13は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているLEDの断面側面図である。
【図14】図14は、本発明の好適な実施形態にしたがう、分離した放出および回折領域を有しているLEDの断面側面図である。
【図15】図15は、本発明の好適な実施形態にしたがう、LEDの断面側面図であり、2つのアクティブ領域が、パターニングされた層の間に配置されている。
【図16】図16は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される、製造ステップを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0025】
(本発明の詳細な説明)
好適な実施形態に関する以下の記載では、本明細書の一部を形成する添付の図面に対する参照がなされる。図中では、例示のために、本発明が実施され得る特定の実施形態が示されている。その他の実施形態もまた用いられ得、本発明の範囲から逸れることなしに、構造の変更がなされ得ることが、理解されるべきである。
【0026】
(概説)
本発明は、新しいLED構造を記載し、上記新しいLED構造は、平面状の構造を維持しながらも、増加された光抽出効率を提供する。平面状の構造は、新しいLEDが低コストで製造されることを可能にする。
【0027】
好適には、上記構造は、基板、上記基板上に成長されたバッファ層、バッファ層上に
堆積されたパターニングされた層、パターニングされた層の上に形成された1つ以上の発光種(そのうちの一部は電流注入される)を含んでいるアクティブ層を備えており、例えば、横方向エピタキシャル成長(LEO)によるものである。パターニングされた層は、パターニングされたマスク(絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される)と、マスク内のホールを充填する材料とを備えている。構造の上部には、単一の界面、または幾何学的構造(例えばエポキシドーム)、またはDBRミラー、または金属ミラーのいずれかが存在する。
【0028】
アクティブ層とパターニングされた層との間の屈折率の差が大きいことに起因して、アクティブ層における種の放出パターンは、変化され得、例えば、導光モード、放射モード、または漏れモードにおいて放出される光の相対的な量を増加または減少させる。マスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、パターニングされた層は、回折格子として機能し得、それにより、導波光がLEDの外で放出されることを可能にする。
【0029】
(技術的記載)
図6Aは、デバイス68の断面側面図であり、図6Bは、デバイス68の水平断面図である。上記デバイスは、GaNから構成された300nmのアクティブ層70を有しており、上記アクティブ層は、SiOから構成されたパターニングまたは貫通または穿孔されたマスク74を含む300nmのパターニングされた層72の上に形成されている。上記マスクは、GaNから構成された5ミクロンのバッファ層76の上に堆積されており、上記バッファ層は、サファイアから構成された基板78の上に成長されている。パターニングされた層72は、主要なコンポーネントとしてSiOのマスク74を用いており、放射モードおよび導波モードへのアクティブ層70の放出を制御する。このようにして、デバイス68は、パターニングされた層72の特定の設計を要求し、正確に成長された例えば量子井戸(QW)のような発光種80を含む薄いアクティブ層70を要求する。最大の効率が必要とされる場合、これらの発光種80は、アクティブ層70内に最適に配置され得る。
【0030】
そのような構造の直接的な利点は、成長マスクとしてパターニングされた層を用いることにより、アクティブ層がLEOによって成長される場合に、成長材料が、優れた光電性能を有するものになり得るということである(LEO成長に関する従来の研究から公知である)。図7は、GaN材料から構成されたLEO成長されたマイクロキャビティLEDの放出特性の簡略化されたシミュレーションを示している。300nmの薄いパターニングされた層は、表面の50%をカバーするパターニングされたSiOのマスクと、マスク内のホールを充填するGaNとから構成されている。そして、公知な指標を用いることにより、空中に放出される光の一部、導光モードまたは漏れモードは、アクティブ層の厚さと、アクティブ層に配置された発光体(すなわち、QW)との関数として、計算され得る。簡略化されたシミュレーションは、そのような構造の上手く制御された放出特性を示している:光の15〜20%のみが漏れモードで放出されるが、このことは光の少なくとも80%が回収され得ることを意味している。
【0031】
図7にはまた、相対的な全放出率(relative total emission
rate;パーセル効果)が示されている。効率およびパーセル効果は、SiOの上部の上のGaN層の厚さ(横軸)と、SiO層の上部に対するその層における放出量子井戸の相対的な位置(縦軸)とを対照して、グレースケールとしてプロットされている。
【0032】
光のほとんどが直接的または導波モードで放出される(すなわち、漏れモードが15%未満である)場所に、領域が見出され得(すなわち、層の厚さが270nm、QWがその値の70%に位置する)、直接抽出効率は、導波モードにおける発光の30%から55%の範囲にある。
【0033】
図8は、回折による導波モードの抽出を示しており、回折格子としてパターニングされた層72を用いている。シミュレーションは、80%範囲の抽出効率が可能であるということを示している。パターニングされたマスク内のホールのパターンおよびサイズに依存して、さらにはデバイス構造の上部または底部に配置される金属ミラーの使用にもまた依存して、デバイスの上部または底部に、放出が発生し得る。
【0034】
パターニングされた層72のマスク74におけるパターン、穿孔、または貫通に関し、様々な幾何学的形状が用いられ得る。最も単純な幾何学的形状は、正方形または長方形の配列(例えば、いわゆる周期的なフォトニッククリスタル)であり、それぞれは、図9において、82および84として示されている。図9において86として示されているアルキメデスタイリングのような、より複雑な幾何学的形状もまた、より効率的な光抽出をもたらし得る。最後に、波長に近い特性相関長(characteristic correlation length)を有し得るいくぶんランダムなパターンもまた、効率的な光散乱体として機能し得る。
【0035】
薄膜マイクロキャビティの幾何学的形状でパターニングされた層72の上での成長に関するコンセプトについて、多くの可能なインプリメンテーションが存在する。例えば、図10に示されているように、2つのパターニングされた層72、2つのマスク74、および2つのLEO成長が、アクティブ層70の材料品質を向上させるために用いられ得る。パターニングされた層72の回折によってマイクロキャビティ効果および抽出特性を保持するために、薄い成長(典型的には、200〜1000nmの厚さ)において、出来る限り良い材料を取得することに対する挑戦が存在する。
【0036】
金属または誘電性のミラーが、パターニングされた層72の上または下に(例えば、構造の上部、パターニングされた層72の下、または基板78の下に)配置され得、所望の方向の放出を向上または低減させ、漏れモードに放出された光の一部を基板78に向けて抽出する。
【0037】
パターニングされた層72のマスク74は、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成され得る。パターニングされた層72のマスク74の屈折率が、アクティブ層70の屈折率、および/またはマスク74内のホールを充填する材料の屈折率から、十分に異なっていることが、要求される。
【0038】
図11は、デバイスの断面側面図であり、アクティブ層70における2つの発光種80A、80B(すなわち、量子井戸)は、異なる波長で放出しており、パターニングされた層72におけるマスク74の2つのパターン88Aおよび88Bは、導波を放射モード90Aおよび90Bに変換している。ここで、90Aは80Aに関連しており、90Bは80Bに関連している。このようにして、異なる周期を有する、パターニングされた層72のマスク74における異なるパターン88A、88Bは、回折によって様々な波長で90A、90Bを抽出するために、用いられ得る。パターニングされた層72におけるマスク74のその他のパラメータは、空間的に変化され得(例えば、ホールの形状、マスク74および/またはパターニングされた層72のサイズまたは深さまたは厚さ)、結果として、構造の異なる領域におけるパターニングされた層72のマスク74に関し、異なる性質を有することができる。
【0039】
さらに、追加的なアクティブな光励起された領域が用いられ得、導波モードを再利用することにより、別の周波数で導波モードの一部を再放出する。例えば、そのような構造は、第1の量子井戸80の層が青色の波長で放出し、第2の量子井戸80の層が黄色の波長で放出する場合に、白色光を生成するために用いられ得る。追加的なアクティブ領域は、任意の種類の量子井戸のうちのいずれかであり得、InGaN(Zn:Si)、複数の量子ドット、複数の蛍光体、色素、重合体、または微粒子を含む。発光種の一部または全部は、電流注入され得る。
【0040】
別のアーキテクチャは、LED構造の周辺で分離した放出ゾーンと抽出ゾーンとを有しているLEDを提供する。図12は、LED92の断面側面図であり、分離した放出領域94と回折領域96,98とを有している。
【0041】
本発明の変形は、上部における金属ミラーを含み得、上記ミラーは、放出が発生する基板を保持する。あるいは、基板のリフトオフ技術を用いるときには、基板を用いない。図13は、LED100の断面側面図であり、分離した放出領域104と回折領域104,106とを有している。ここで、LED100は、基板を含んでいないが、金属の裏面接触108を有している。
【0042】
本発明はまた、非常に指向性が高い光源としても機能し得、放出は主に、導波モードの構造の適切な調整により、特定の方向で発生し、その結果、指向性LEDを生成する。上記構造の設計が正しい場合、わずか数個の(理想的には1つの)導波モードが励起され、その後、回折格子によって抽出される。この場合では、各導波モードは正しく定義された角度(これは、回折格子のパラメータを調整することによって選択される)で回折されるので、狭い範囲の方向で発光が発生する。
【0043】
図14は、LED110の断面側面図を示しており、分離した放出領域112と回折領域114,116とを有している。ここで、LED110は、上部の金属ミラー118と、底部の粗くされた表面120とを含んでおり、不規則的に補助された抽出を提供する。漏れモードを抽出するために、デバイス110の裏面の粗くされた表面120が用いられ得る。粗くされた表面120は、裏面全体または裏面の一部を(例えば、その周辺において)含んでいる。
【0044】
窒化物LEDに関連して記載されてきたが、この高性能のLEDの枠組みは、そのような製造技術を受け入れる任意の材料に適用され得る:それは、半導体であり得るが、重合体または有機分子でもあり得る。後者の場合、幅広い発光種が使用されると仮定すると、適切な回折周期を有する特定の回折領域を用いることにより、高性能の白色発光を予見することができ、所与の色の光を放出することができる(さらに、その他の色に対し、キャビティを反共振にすることにより、それらの色での直接放出を抑制することもできる)。あるいは、単色の放出格子を局所アドレス指定に関連付けることにより、単一の重合体を混合したフルカラーディスプレイを得ることができる。
【0045】
図15は、本発明の好適な実施形態にしたがう、LEDの断面側面図であり、2つのアクティブ領域122および124が、パターニングされた層126,128および130の間に配置されている。これらの場合、分離した導波モード132および134が、各アクティブ領域122および124内に存在し、その結果、パターニングされた層126,128および130は、モード132および134の一部で優先的に機能し得る。これは、例えば、2つのアクティブ領域122および124の発光種が異なる波長を放出する(例えば、この場合では格子が各波長に対して最適化される)場合に、有用であり得る。
【0046】
最後に、図16は、本発明の好適な実施形態にしたがって実行される、製造ステップを示すフローチャートである。
【0047】
ブロック136は、基板上にバッファ層を成長させるステップを示しており、上記バッファ層は、GaNベースの材料である。
【0048】
ブロック138は、LEOを用いてバッファ層の上部に1つ以上のパターニングされた層を成長させるステップを示しており、各パターニングされた層は、マスクと該マスク内のホールを充填する材料とを含んでいる。好適には、上記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成され、マスク内のホールを充填する材料は、LEOによって成長されたGaNベースの材料を含んでいる。パターニングされた層は、アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能するか、あるいはマスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する。パターニングされた層において、異なるパターンが用いられ、回折によって異なる波長を抽出するか、あるいは回折の方向を変化させる。
【0049】
ブロック140は、パターニングされた層の上またはパターニングされた層の間に、1つ以上のアクティブ層を形成するステップを示しており、上記アクティブ層は、GaNベースの材料であり、1つ以上の発光種を含んでいる。好適には、アクティブ層は、LEOによって成長される。
【0050】
これらのステップの最終結果は、LED(アクティブ層との屈折率のコントラストに起因して、光閉じ込め層として機能し、かつ/またはマスクと上記マスク内のホールを充填する材料との間の屈折率の変化に起因して、埋め込み回折格子として機能する)である。
【0051】
(文献)
以下の文献は、参考のために本明細書に援用される。
【0052】
1.米国特許第6,538,371号、2003年3月25日公布、Duggal他、題名「White light illumination system with improved color ouput」
2.米国特許第6,525,464号、2003年2月25日公布、Chin、題名「Stacked light−mixing LED」
3.米国特許第6,504,180号、2003年1月7日公布、Heremans他、題名「Method of manufacturing surface textured high−effeciency radiating devices and devices obtained therefrom」
4.米国特許第6,163,038号、2000年12月19日公布、Chen他、題名「White light−emitting diode and method of manufacturing the same」
5.米国特許第5,779,924号、1998年7月14日公布、Krames他、題名「Ordered interface texturing for a light emitting device」
6.米国特許第5,362,977号、1994年11月8日公布、Hunt他、題名「Single mirror light−emitting diodes with enhanced intensity」
7.米国特許第5,226,053号、1993年7月6日公布、Cho他、題名「Light emitting diode」
8.Shnitzer他、「30% External Quantum Efficiency From Surface Textured、Thin Film Light Emitting Diode」、Applied Physics Letters 63、pp.2174−2176、1993
9.M.Boroditsky、E.Yablonovtich、「Light extraction efficiency from light−emitting diodes」、Proceedigs of the SPIE−The International Society for Optical Engineering、SPIE−Int.Soc.Opt.Eng.、3002、pp.119−122、1997
10.H.Bensity、H.D.Neve、およびC.Weisbuch、「Impact of planar microcavity effects on light extraction/Basic concepts and analytical trends」、IEEE J.Quantumn Electron、vol.34、p.1612(1998)
11.D.Delbeke、R.Bockstaele、P.Bienstman、R.Baets、およびH.Benisty、「High−efficiency Semiconductor Resonant−Cavity Light−Emitting diodes:A Review」、IEEE J.on selected topics in Quantum Electron、vol.8、no.2、p.189、2002
12.M.Rattier、H.Benisty、E.Schwoob、C.Weisbuch、T.Krauss、C.J.M.Smith、R.Houdre、およびU.Oesterle、「Omnidirectional and compact light extraction from Archimedean photonic
lattices」、Appl.Phys.Lett.83、1283、2003
13.M.Rattier、H.Benisty、R.Stanley、J.F.Carlin、R.Houdre、U.Oesterle、C.J.M.Smith、C.Weisbuch、およびT.Krauss、「Toward ultrahigh−efficiency aluminum oxide microcavity light−emitting diodes:Guided mode extraction
by photonic crystals」、IEEE Sel.Top.Quantum Electr.8、238、2002
(結論)
本発明の好適な実施形態の記載を終了する。本発明の1つ以上の実施形態に関する上述の記載は、例示および記載を目的として、示されてきた。網羅的であること、あるいは本発明を開示された形に限定することは、意図されていない。上述の教示を踏まえると、多くの改変およびバリエーションが可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなくむしろ、本明細書に添付された請求の範囲によって限定されることが、意図されている。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光電デバイスであって、
(a)パターニングされた貫通または穿孔されたマスクを含むパターニングされた層の上に形成されたアクティブ層
を含み、
(b)前記パターニングされた層は、前記パターニングされた層の屈折率および前記パターニングされた層のホールのパターンに基づいて、放射モードおよび導波モードへの前記アクティブ層の光放出の閉じ込めまたは抽出を制御するように構成されている、デバイス。
【請求項2】
前記パターニングされた層の上に形成された前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長(LEO)層である、請求項1に記載のデバイス。
【請求項3】
前記パターニングされた層は、光閉じ込め層および埋め込み回折格子の両方として機能することにより、前記放射モードおよび導波モードへの前記アクティブ層の前記光放出を制御する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項4】
前記アクティブ層と前記パターニングされた層との間の屈折率の差に起因して、前記アクティブ層の前記光放出のパターンは、前記放射モードおよび導波モードにおいて放出される光の相対量を増加または減少させるように改変される、請求項1に記載のデバイス。
【請求項5】
前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、請求項1に記載のデバイス。
【請求項6】
前記パターニングされた層は、前記マスクにおけるホールを充填する材料をさらに含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項7】
前記マスクと前記マスクにおけるホールを充填する材料との間の屈折率の差に起因して、前記パターニングされた層は、回折格子として機能することにより、前記導波モードが前記デバイスの外で放出されることを可能にする、請求項6に記載のデバイス。
【請求項8】
前記マスクにおけるパターン、貫通または穿孔の幾何学的形状は、正方形配列、長方形配列、アルキメデスタイリング、またはランダムパターンを含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項9】
前記マスクにおける異なるパターンは、回折によって前記光放出の異なる波長を抽出するための異なる周期を有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項10】
前記マスクまたはパターニングされた層のパラメータ、例えば、ホールの形状、サイズまたは深さおよび前記マスクまたはパターニングされた層の厚さは、空間的に変化させられ、その結果、前記デバイスの異なる領域において前記マスクまたはパターニングされた層の異なる特性を有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項11】
前記アクティブ層は、異なる波長において放出する少なくとも2つの発光種を含み、前記パターニングされた層は、少なくとも2つのパターンを含む、請求項1に記載のデバイス。
【請求項12】
1つ以上のミラーが、前記パターニングされた層の上方または下方に配置されることにより、所望の方向における前記光放出を向上または減少させる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項13】
追加的なアクティブな光励起された領域をさらに含み、前記追加的なアクティブな光励起された領域は、前記導波モードを再利用することにより別の周波数において前記光放出の一部を再放出するように用いられる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項14】
前記アクティブ層および前記パターニングされた層は、指向性光源を含み、その結果、前記光放出は、前記パターニングされた層の適切な調整により、特定の方向において主に発生する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項15】
光電デバイスを製造する方法であって、
(a)パターニングされた貫通または穿孔されたマスクを含むパターニングされた層の上にアクティブ層を形成すること
を含み、
(b)前記パターニングされた層は、前記パターニングされた層の屈折率および前記パターニングされた層のホールのパターンに基づいて、放射モードおよび導波モードへの前記アクティブ層の光放出の閉じ込めまたは抽出を制御するように構成されている、方法。
【請求項16】
前記パターニングされた層の上に形成された前記アクティブ層は、横方向エピタキシャル成長(LEO)層である、請求項15に記載の方法。
【請求項17】
前記パターニングされた層は、光閉じ込め層および埋め込み回折格子の両方として機能することにより、前記放射モードおよび導波モードへの前記アクティブ層の前記光放出を制御する、請求項15に記載の方法。
【請求項18】
前記アクティブ層と前記パターニングされた層との間の屈折率の差に起因して、前記アクティブ層の前記光放出のパターンは、前記放射モードおよび導波モードにおいて放出される光の相対量を増加または減少させるように改変される、請求項15に記載の方法。
【請求項19】
前記マスクは、絶縁性材料、半導性材料、または金属材料から構成される、請求項15に記載の方法。
【請求項20】
前記パターニングされた層は、前記マスクにおけるホールを充填する材料をさらに含む、請求項15に記載の方法。
【請求項21】
前記マスクと前記マスクにおけるホールを充填する材料との間の屈折率の差に起因して、前記パターニングされた層は、回折格子として機能することにより、前記導波モードが前記デバイスの外で放出されることを可能にする、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
前記マスクにおけるパターン、貫通または穿孔の幾何学的形状は、正方形配列、長方形配列、アルキメデスタイリング、またはランダムパターンを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項23】
前記マスクにおける異なるパターンは、回折によって前記光放出の異なる波長を抽出するための異なる周期を有する、請求項15に記載の方法。
【請求項24】
前記マスクまたはパターニングされた層のパラメータ、例えば、ホールの形状、サイズまたは深さおよび前記マスクまたはパターニングされた層の厚さは、空間的に変化させられ、その結果、前記デバイスの異なる領域において前記マスクまたはパターニングされた層の異なる特性を有する、請求項15に記載の方法。
【請求項25】
前記アクティブ層は、異なる波長において放出する少なくとも2つの発光種を含み、前記パターニングされた層は、少なくとも2つのパターンを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項26】
1つ以上のミラーが、前記パターニングされた層の上方または下方に配置されることにより、所望の方向における前記光放出を向上または減少させる、請求項15に記載の方法。
【請求項27】
追加的なアクティブな光励起された領域を製造することをさらに含み、前記追加的なアクティブな光励起された領域は、前記導波モードを再利用することにより別の周波数において前記光放出の一部を再放出するように用いられる、請求項15に記載の方法。
【請求項28】
前記アクティブ層および前記パターニングされた層は、指向性光源を含み、その結果、前記光放出は、前記パターニングされた層の適切な調整により、特定の方向において主に発生する、請求項15に記載の方法。
【請求項29】
請求項15に記載の方法を用いて製造されるデバイス。

【図7】
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【図16】
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【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6A】
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【図6B】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2012−114458(P2012−114458A)
【公開日】平成24年6月14日(2012.6.14)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2012−24680(P2012−24680)
【出願日】平成24年2月8日(2012.2.8)
【分割の表示】特願2007−558124(P2007−558124)の分割
【原出願日】平成18年2月28日(2006.2.28)
【出願人】(592130699)ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア (364)
【氏名又は名称原語表記】The Regents of The University of California
【Fターム(参考)】