(57)【要約】基板と、前記基板の上に形成された緩衝層（そのような層が必要である場合）、電気的に注入される第１発光種（ＰＥＳ）を含む第１活性領域と、前記ＰＥＳから発光された光によって光学的に励起される第２発光種（ＳＥＳ）を含む第２活性領域と、フォトニック結晶とを含む高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、前記フォトニック結晶は回折格子として作用し、高い光抽出効率とＳＥＳの効率的な励起を提供し、また遠視野放射パターンを調整する。
2009512220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板と、
（ｂ）該基板の上に形成され、電気的に注入される１つ以上の第１発光種（ＰＥＳ）を含む第１活性領域と、
（ｃ）該第１領域の上に形成された１つ以上のフォトニック結晶と、
（ｄ）該フォトニック結晶の上に形成され、光学的に励起される１つ以上の第２発光種（ＳＥＳ）を含む第２活性領域と
を備え、
（ｅ）該フォトニック結晶は、該ＰＥＳによって放射された導波モードを抽出することにより、該ＳＥＳを光学的に励起する、高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項２】
（ａ）電気的に注入されるＰＥＳ層に１つ以上の第１発光種を含む第１活性領域と、
（ｂ）光学的に励起されるＳＥＳ層に１つ以上の第２発光種を含む第２活性領域と、
（ｃ）該第１および第２領域に近接して形成された１つ以上のフォトニック結晶であって、該フォトニック結晶は該ＰＥＳおよび該ＳＥＳによって発光された導波（ＷＧ）モードを抽出する、フォトニック結晶と
を備える、高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）。
【請求項３】
前記第１活性領域、第２活性領域およびフォトニック結晶は、基板または他の構造によって支持される、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
散乱中心または回折格子として作用する前記フォトニック結晶は、前記ＰＥＳによって発光されたＷＧモードを抽出し、前記ＳＥＳによって発光されたＷＧモードを抽出し、遠視野放射パターンの指向性または等方性を制御する、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
１つ以上の中間層は、前記ＰＥＳ層または前記ＳＥＳ層の上方または下方に統合される、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
１つ以上の中間層が加工される、請求項５に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
前記フォトニック結晶のパラメータは、光抽出が上方または下方に最適化されるよう選択される、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
前記フォトニック結晶のパラメータは、前記ＬＥＤにわたって変化する、請求項７に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
前記フォトニック結晶は、全方向に光抽出を提供する一次元（１Ｄ）回折格子であって、その方向は該格子に対して垂直方向に近接している、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
前記フォトニック結晶は、全方向性光抽出または指向性遠視野放射パターンを提供する、周期的、準周期的、または短距離秩序を有する二次元（２Ｄ）散乱中心または回折格子である、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶は、全方向性光抽出および等方性発光遠視野パターンを提供する、ランダムに加工された二次元（２Ｄ）散乱領域である、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
好ましくない方向に逃げる放射光の一部を再配向するための金属性または誘電性の鏡をさらに含む、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
前記ＰＥＳまたはＳＥＳから放射された光をリサイクルするための金属性または誘電性の鏡をさらに含む、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
前記ＰＥＳ層または前記ＳＥＳ層の上方または下方に配置されて微小空洞を形成する金属性または誘電性の鏡をさらに含む、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
前記ＳＥＳ層は、空気絶縁または高い光抽出効率を提供する別の層でコーティングされる、請求項２に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
（ａ）電気的に注入されるＰＥＳ層に１つ以上の第１発光種（ＰＥＳ）を含む第１活性領域を形成することと、
（ｂ）光学的に励起されるＳＥＳ層に１つ以上の第２発光種（ＳＥＳ）を含む第２活性領域を形成することと、
（ｃ）１つ以上のフォトニック結晶を該第１および第２領域に近接して形成することと
を含み、
該フォトニック結晶は該ＰＥＳおよびＳＥＳによって放射された導波（ＷＧ）モードを抽出する、高効率発光ダイオード（ＬＥＤ）を加工する方法。
【請求項１７】
前記第１活性領域、第２活性領域およびフォトニック結晶は、基板または他の構造によって支持される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
散乱中心または回折格子として作用する前記フォトニック結晶は、前記ＰＥＳによって発光されたＷＧモードを抽出し、前記ＳＥＳによって放射されたＷＧモードを抽出して、遠視野放射パターンの指向性または等方性を制御する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
１つ以上の中間層は、前記ＰＥＳ層または前記ＳＥＳ層の上方または下方に統合される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
１つ以上の中間層が加工される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記フォトニック結晶のパラメータは、光抽出が上方または下方に最適化されるよう選択される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記フォトニック結晶のパラメータは前記ＬＥＤにわたって変化する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記フォトニック結晶は、前記格子に対して垂直方向に近接して、全方向に光抽出を提供する一次元（１Ｄ）回折格子である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記フォトニック結晶は、全方向性光抽出または指向性遠視野放射パターンを提供する、周期的、準周期的、または短距離秩序を有する二次元（２Ｄ）散乱中心または回折格子である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記フォトニック結晶は、全方向性光抽出および等方性発光遠視野パターンを提供する、ランダムに加工された二次元（２Ｄ）散乱領域である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
好ましくない方向に逃げる放射光の一部を再配向するための金属性または誘電性の鏡を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＰＥＳまたはＳＥＳから放射された光をリサイクルするための金属性または誘電性の鏡を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ＰＥＳ層または前記ＳＥＳ層の上方または下方に配置されて微小空洞を形成する金属性または誘電性の鏡を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２９】
前記ＳＥＳ層は、空気絶縁または高い光抽出効率を提供する別の層でコーティングされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項３０】
請求項１６の方法に基づいて加工された装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は以下の同時係属中の同一譲受人の出願：
２００５年２月２８日出願のＣｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．ＳｐｅｃｋおよびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国出願第１１／０６７，９１０号「ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」(代理人事件番号３０７９４．１２２−ＵＳ−０１（２００５−１４５−１）)；
２００５年２月２８日出願のＣｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．ＤａｖｉｄおよびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国出願第１１／０６７，９５６号「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ（ＬＥＤ）ＷＩＴＨ  ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＥＸＴＲＡＣＴＯＲ」(代理人事件番号３０７９４．１２６−ＵＳ−０１（２００５−１９８−１）)；
２００５年２月２８日出願のＣｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．ＳｐｅｃｋおよびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる米国出願第１１／０６７，９５７号「ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ，ＢＥＡＭ  ＳＨＡＰＥＤ，ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ  ＦＥＥＤＢＡＣＫ（ＤＦＢ）ＬＡＳＥＲＳ  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」(代理人事件番号３０７９４．１２１−ＵＳ−０１（２００５−１４４−１）)；
２００４年９月１０日出願のＣａｒｏｌｅ  Ｓｃｈｗａｃｈ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｈｅｎｒｉ  ＢｅｎｉｓｔｙおよびＳｈｕｊｉ  ＮＡＫＡＭＵＲＡによる米国出願第１０／９３８，７０４号「ＷＨＩＴＥ，ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＢＹ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ  ＧＵＩＤＥＤ  ＭＯＤＥＳ」(代理人事件番号３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４−１）)に関し、上記の出願のすべては参照することによって本明細書に援用される。
（発明の分野）
本発明は、フォトニック結晶および蛍光体などの複数の波長光源を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術に関する説明）
原子または分子の結晶に類似して、フォトニック結晶は、その屈折率または誘電率が空間に変化を示す材料またはシステムとして記述されることができる。この変化は周期的、準周期的であってもよく、または短距離秩序のみを有する。適用できる場合、格子の周期性は一次元（１Ｄ）、二次元（２Ｄ）、または三次元（３Ｄ）であり、通常ほとんどの用途の可視波長から赤外線波長に対応する。分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、１Ｄフォトニック結晶の典型である。ＤＢＲは、結晶中の電子の構造に類似した、禁制エネルギまたはフォトニックギャップを有するバンド構造を提示する。この構造において光子が伝播する可能性はない。格子に欠陥が伝わると、フォトニック空洞または導波管が形成される（こうした欠陥は、強い局部的モードを可能にするフォトニックバンドギャップまたは光伝播の状態を対応する周波数で伝える）。フォトニック結晶は、オプトエレクトロニクスおよびフォトニック統合装置において多くの用途をもたらした。
【０００３】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、順方向に電気的にバイアスされると光を放射する半導体装置であり、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）として知られている。ＬＥＤは一般に半導体材料から成る２つの層を含む。一方の層は不純物でドープされてｎドープ状態となり（例えば、可動性電子）、もう一方の層は別のタイプの不純物でドープされてｐドープ状態となる（例えば、可動性正孔）。これによってｐ−ｎ接合と呼ばれる構造が形成される。順方向にバイアスされると、電子はｎ領域からこの接合部に注入され、正孔はｐ領域から注入される。電子および正孔は、再結合するとエネルギを光子の形で放出する。光の波長およびその色は、ｐ−ｎ接合を形成する材料のバンドギャップエネルギに依存する。ｐ層およびｎ層と比較して小さいバンドギャップ材料から成る非常に薄い活動層は、量子井戸（ＱＷ）と呼ばれ、ｐ層とｎ層との間に導入されてＬＥＤの全体効率を著しく向上し、放射光の波長を変えることができる。
【０００４】
半導体材料の質は、それらの統合または主に過去２０年に渡る技術の進歩、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、液相エピタキシ（ＬＰＥ）などによって向上した。続いて半導体装置の外部量子効率が著しく向上し、新たな波長範囲が得られた。窒化物（ＧａＮおよび関連合金ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ）は現在、紫色および青色光の効率的な放射体であり、市販のＬＥＤで〜３０ルーメン／ワットを生成する。一方、リン化物（ＡｌＧａＩｎＰ）およびヒ化物（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）は赤色および赤外線用途に広く使用され、市販のＬＥＤで〜３０ルーメン／ワットを生成する。ＬＥＤは蛍光灯とほぼ同程度に効率的であるが、青色および赤色波長範囲に限られる。
【０００５】
したがって、可視スペクトルの緑色−黄色部分は効率性に乏しい。しかし、異なる色を単一の基板上で組み合わせることは（例えば、カラー表示用途、白色発光、または色混合を必要とする任意の他のカラー光生成用のＲＧＢピクセルに求められるように）、前述の従来の方法によって生成された半導体に限られる。そのため代替材料を使用する必要があり、蛍光体は優れた解決策を提供できる。
【０００６】
蛍光体は、外部光源からエネルギを吸収することによって励起した後、光を生成することが可能な材料である。励起光源は、ＬＥＤによって生成された十分に高いエネルギ光線を含み得る。蛍光体が吸収光から光を生成することはフォトルミネセンス（ＰＬ）、また蛍光とも呼ばれる。
【０００７】
蛍光体は、無機物（希土ガーネット）、発光分子または重合体、あるいは半導体ナノ結晶量子ドット（ＮＱＤ）で生成できる。ＩＩ−ＶＩおよびＩＩＩ−Ｖ  ＮＱＤシステムは、紫外線（ＵＶ）および青色範囲における高い吸収係数（よって短い吸収長）を提供する。またＱＤ内部発光特性（発光帯の中心波長および幅）を修正することなくこれらのＮＱＤが組み込まれるマトリクス（例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、または重合体および樹脂）を変えることによって、効率的な屈折率を変えることも可能である。
【０００８】
以下「蛍光体」という用語は、その本来の性質から独立して、光変換を行う任意のタイプの材料（無機物、発光分子または重合体、コロイド量子ドット、または任意の他のタイプの発光ナノ粒子）を意味する。
【０００９】
蛍光体およびＬＥＤを伴う２つの基本的な組み合わせスキームがある。
【００１０】
（１）蛍光体と組み合わされた青色発光ＬＥＤ。現在この解決策を使用して、（ＧａＮ／ＩｎＧａＮシステムにおける）青色発光ＬＥＤを黄色光輝性蛍光体と組み合わせることによって白色ＬＥＤが生成されている。演色、混合、ＬＥＤ（指向性）および蛍光体（等方性）発光の異なる方向性、およびそのような装置の全体効率は、このスキームに関する最も重要な事項である。
【００１１】
（２）蛍光体と組み合わされたＵＶ放射ＬＥＤ。一般に、この方法は、（１）より優れた演色および等方性、または優れた白色均衡を実現する。しかしながら全体効率は依然として低い。
【００１２】
これらの方法は、青色から赤色まで広い範囲の色を提供することができ、蛍光体を精密に配置して異なるピクセルを形成することが可能であるため、ＲＧＢ表示の低コスト加工に対する解決策となる。
【００１３】
図１は、ＬＥＤ１０４の上部を覆う第２発光種（ＳＥＳ）１０２としても知られる蛍光体層１０２を含む従来のＥＬ−ＰＬ多色構造１００を示す。ＬＥＤ１０４は、第１発光種（ＰＥＳ）１０６、緩衝層１０８、基板１１０および電源１１４に接続された金属接触１１２を含む。順方向にバイアスされると、電子（ｅ-）はｎ領域のからＰＥＳ１０６のｐ−ｎ接合部に注入され、正孔（ｈ＋）はｐ領域から注入される。この電子および正孔が再結合すると、ＰＥＳ１０６はエネルギを光子１１８の形で放出する。ＳＥＳ１０２は、電気的に励起されたＰＥＳ１０６によって生成された直接抽出光１１８を部分的または完全に吸収した後、光学的に励起される１１６である。ＳＥＳ１０２による吸収は、ＰＥＳ１０６光子エネルギと共鳴状態にある許可電子遷移の存在のため生じる。次にＳＥＳ１０２は基底状態に減衰すると低エネルギ、または長い波長の光子１１６を再放射する。ＳＥＳ１０２によるこのＰＬは、ＰＥＳ１０６によって放射された光と組み合わせて、表示または照明に使用されることがある。この発光スキームは光変換としても知られている。
【００１４】
この構造の効率を高めるには、以下の要件を満たす必要がある。
【００１５】
−高い内部量子効率（全体吸収光度に対する全体放射光度の割合として定義される）を有する発光種で構成される。
【００１６】
−ＰＥＳおよびＳＥＳ発光の抽出を（場合によっては異なる方向で）最大化する。
【００１７】
−ＳＥＳによるＰＥＳ発光の吸収を最大化する。
【００１８】
しかしながら、そのような半導体ベースの構造に関する主な問題点の１つは、図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃで概略的に示されるように、総内部反射（ＴＩＲ）のためにＰＥＳおよびＳＥＳ光放射の大部分が失われることによって生じる。
【００１９】
図２Ａは、高い屈折率（ｎ）の平面層を持ち、ＰＥＳ２０４を含む半導体（誘電体）基板２０２で構成される装置２００を示す。装置２００の上には、低いｎを有する外側媒体２０６（空気またはエポキシ層）が存在する。基板２０２に向かう放射２１０は失われるので、ＰＥＳ２０４から外側媒体２０６に向かって抽出された放射２０８が示されている。また、総内部反射（ＴＩＲ）２１２も示されている。これは、基板２０２の薄い層を介して、単にガイドモードとしても知られる最下位の導波（ＷＧ）モード２１４を生じる。
【００２０】
高いｎ値を有する基板２０２の平面層の中で光が放射されると、限られた光錐のみを外側媒体２０６へと上方２０８に直接抽出できる。この「エスケープ錐」は可能な直接抽出２０８の方向に関連する立体角の一部を定義する。以下、エスケープ錐の開口半角は、θｃとして称される（θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎｏｕｔ／ｎｉｎ））。屈折率の相違が大きいほど、θｃは小さく、エスケープ錐は狭くなる。
【００２１】
光学的に密度の高い（高屈折率）材料から成る基板２０２に残るＴＩＲモード２１２は、内部再吸収および非放射緩和機構のために大部分が失われるが、装置２００の側面を通って逃げる場合もある。ＷＧモード２１４として、これらは高屈折率層に組み込まれ、ＰＥＳ２０４による全体放射の５０％以上に相当し得る。この損失機構は、ＰＥＳ２０４放射抽出の最大化にとって弊害となる。
【００２２】
蛍光体２１６（低屈折率）が光学的高密度層２０２（高屈折率）の上部に配置されると、その放射２０８の大部分は、図２Ｂおよび２Ｃに示されるように、高屈折率層の中の導波２１４でもある。ここで２０８ａは、蛍光体２１６によって直接抽出および吸収される放射光であり、２０８ｂは蛍光体２１６から放射されたＰＬである。また２１４ａは低位励起ＷＧモード、２１４ｂは高位励起ＷＧモードである。
【００２３】
実際に、高屈折率層に十分近接して配置された電子的双極子は、常にＴＩＲモードに効率的に連結可能なエバネセント波から成る放射を示す。これはλ０で放射する光源として電子的双極子３０２を含む図３Ａの装置３００において、高密度平面媒体３０４（ｎｉｎ＞ｎｏｕｔ）の付近、例えば通常λ０より小さい距離ｄだけ離れて示され、高屈折率層３０４の中のＴＩＲまたはＷＧモード３０８と連結するエバネセント波３０６を生成する。
【００２４】
図３Ｂは、ｎ＝２．５の平面空洞付近にあるｎ＝１．５の媒体における水平および垂直双極子の双極放射図を示す。空気は構造の上に存在し、ｎ＝１．７の基板は構造の底面に含まれるよう選択されている。この図は、結合して双極子放射を生成する異なる要素を示す。直接抽出光（ｋ‖／ｋ０＜１）、ＴＩＲ（１＜ｋ‖／ｋ０＜１．７）、およびＷＧモード（ｋ‖／ｋ０＞１．７）は空気中に存在する。ここで、ｋ０は真空における光の波数ベクトルであり、ｋ‖は媒体３０４の光の波数ベクトルの面内構成要素である。図３Ｃは、これらのシミュレーション用に選択された多層構造を示す概略図である。
【００２５】
放射双極子３０２が高密度平面媒体３０４に近づくほど、エバネセント波３０６の屈折は大きくなる（インターフェイスの周辺に配置された双極子の場合、全体放射の＞５０％、ｄ＜１００ｎｍ）。そのため、高密度平面媒体３０４におけるＴＩＲモードも大きくなる。インターフェイス付近において、１Ｄパーセル要素は無視されず、これらの構造の場合、１．６に達することに留意されたい。この要素はＳＥＳの同時放射率ｋｒの増加に対応し、大部分の発光材料の場合、内部量子効率および非放射性再結合率ｋｎｒを用いてηｉｎｔ＝ｋｒ／（ｋｒ＋ｋｎｒ）と表される。ＮＱＤは、ＰＥＳ光が高パーセル要素の領域に対応して、数百ナノメータ内で吸収されるよう、十分に高い吸収係数を提供することができる。
【００２６】
現行の最先端の多色ＬＥＤの場合、ＴＩＲまたはＷＧライトは通常失われる。これがＬＥＤの外部効率を制限する主な要因である。全体効率が低いことで損失の補完に高い印加電圧が必要となるため、装置はオーバーヒートし、材料の劣化が早まる。
【００２７】
さらに、一般に使用される蛍光体（希土ガーネット）は、発光イオンの濃度に制限される。これは、ＬＥＤが、厚いエポキシおよび蛍光体の混合物（一般に高さ１ｍｍ以上）、多くの場合、半球形の形状で覆われ、いくつかのＴＩＲモードを結合することを示唆する。寸法が大きくなるにつれて明るさ、および当然のことながら装置の稠密度が低下することを示唆する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
当該技術分野において、演色を角度依存にする、異なる発光構成要素（ＱＷ、蛍光体）の遠視野パターンを改善する必要がある。例えば、青色ＱＷおよび黄色系光体を結合することによって生成される白色灯ＬＥＤは、遠視野パターンの中央は青みを帯び、外側領域は黄色に見える（演色は等方性でない）。
【００２９】
これらの理由から、当該技術分野において多色ＬＥＤ特性を改善する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、複数の発光種および最適化されたフォトニック結晶を使用することによって、様々な波長で発光する高効率光輝発光ダイオード（ＬＥＤ）の設計原理および例を開示する。ＬＥＤは、基板と、基板の上に形成された緩衝層（そのような層が必要である場合）、電気的に注入される第１発光種（ＰＥＳ）を含む第１活性領域と、ＰＥＳから発光された光によって光学的に励起される第２発光種（ＳＥＳ）を含む第２活性領域と、ＰＥＳによって放射された導波モードを抽出することによりＳＥＳを光学的に励起するフォトニック結晶とを含む。フォトニック結晶は、回折格子として作用し、高い光抽出効率とＳＥＳの効率的な励起、および／または最適形状の遠視野放射パターンの設計方法を提供する。
【００３１】
ここで、全体を通して同じ参照番号が対応する部分を表している図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
好ましい実施例に関する以下の説明において、その一部を成す添付図面を参照する。また、これは本発明を実施できる特定の実施例の図で示される。当然のことながら、他の実施例を利用してもよく、また本発明の範囲を逸脱することなく構造を変更してもよい。
【００３３】
（概要）
本発明は、平面構造を維持しながら一層の光抽出および変換効率とともに更なる明るさを提供する新しい複数光源ＬＥＤについて説明する。ＬＥＤは複数の発光種を含み、それぞれが波長の範囲において光を放射する。この種には電気的に励起されるものと、光学的に励起されるものがある。回折格子として作用するフォトニック結晶は、効率的な光抽出および光学的に励起される種の効率的な励起を保証し、遠視野放射パターンを修正する手段を提供する。
【００３４】
ＬＥＤは基板、基板の上に形成された緩衝層（そのような層が必要である場合）、電気的に注入されるＰＥＳを含む第１活性領域、回折格子として作用するフォトニック結晶、および光学的に励起されるＳＥＳを含む第２活性領域を含む。ＳＥＳはＰＥＳによって放射された光の一部を吸収して、異なる波長範囲または複数の発光種がＳＥＳにおいて結合される場合は複数の範囲で光を再放射する。例えば、ＬＥＤは白色光源として作用する。光抽出の問題を解決するため、１つ以上のフォトニック結晶を（例えば、２つの発光種の間に）含めることができる。これらの格子はＴＩＲモードで放射された光を回折することによって、光抽出を全体的に強化することができる。また、これらはＰＥＳによって放射された光との相互作用を強化することによって、ＳＥＳの励起を増加できる。格子は放射された波長の１つまたはすべてに作用し、場合によっては全体効率および遠視野放射パターンに異なる影響を及ぼす。
【００３５】
ＳＥＳ層が高屈折率層の上部に配置される場合は、フォトニック結晶をすべてのＴＩＲまたはＷＧ空洞モードの抽出子として使用する。例えば、膜および空気ギャップ、あるいはＳＥＳと高屈折率層の間にある非常に低い屈折率の中間層を使用してＳＥＳ層が高屈折率層から離れて配置される場合は、２つのフォトニック結晶を使用してもよい。１つは高屈折率層の上部で使用してＰＥＳ  ＷＧモードを抽出し、もう一方はＳＥＳ層においてこの層に導入されたＷＧモードを同様に散乱させる。次にフォトニック結晶の深さを修正して、上方に放射される光の屈折を増加させる。フォトニック結晶のピッチおよび基礎を使用して遠視野放射パターンを制御する。
【００３６】
（技術的説明）
現行の構造では、ＰＥＳ光の一部分、例えば約１０％のみが直接抽出されるため、ＰＥＳの放射によるＳＥＳの励起効率は低い。ＴＩＲモードに必要な抽出は、蛍光体の光変換効率を改善する多くの新規のアイデアを生み出す。
【００３７】
１つのアプローチは、２００４年９月１０日提出のＣａｒｏｌｅ  Ｓｃｈｗａｃｈ、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｈｅｎｒｉ  Ｂｅｎｉｓｔｙ、およびＳｈｕｊｉ  Ｎａｋａｍｕｒａによる「ＷＨＩＴＥ，  ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥＳ  ＢＹ  ＲＥＣＹＣＬＩＮＧ  ＧＵＩＤＥＤ  ＭＯＤＥＳ」と題する米国実用新案出願第１０／９３８，７０４号（代理人整理番号３０７９４．１１５−ＵＳ−０１（２００４−０６４−１））に記載されている。この出願は参照することによって本明細書に組み込まれる。この出願は、薄いＬＥＤ構造のＴＩＲモードがＷＧモードに効率的に変換されるため、蛍光体を用いないＬＥＤからの光抽出の問題に注目している。
【００３８】
一方、本発明はＬＥＤの上の蛍光体についての効率、演色、および明るさの問題に関する。すべてのＴＩＲモードを抽出し、ＳＥＳによるＰＥＳ放射の吸収を増加し、遠視野ＰＥＳおよびＳＥＳ放射パターンを再分配する鍵は、装置を構成するフィルムの屈折率を３Ｄ処理することにある。フォトニック装置の典型的な構成要素である導波または平面空洞、反射器、格子、フォトニック結晶などを従来の幾何学的アプローチ（球形蛍光体層、加工表面など）との組み合わせで考慮および実施する必要がある。明るさおよび稠密度は、例えば、放射分子またはＮＱＤなどの放射中心または双極子の濃度が高い高吸収係数のＳＥＳを使用することによって改善できる。
【００３９】
図４Ａおよび４Ｂは、蛍光体のＷＧ空洞モード励起を示す。ここで、その効果は、例えば、緩衝層の上部で屈折率の小さい中間層を使用することによって、インターフェイス半導体／蛍光体層の付近にできる限り領域を集中させることによって強化される。
【００４０】
特に、図４Ａは、屈折率の低い基板４０２、１つ以上の活動層４０４、および蛍光体４０６から成る装置４００を示す。ＷＧモード４０８は、蛍光体層４０６中にリークし、その結果、蛍光体層４０６からＰＬ放射４１０を生じる。
【００４１】
さらに、図４Ｂは、ｎ＝１．８であるサファイア基板４１４、ｎ＝２．５である２μｍ厚のＧａＮ緩衝層４１６、ｎ＝２．３−２．４である５００−１０００ｎｍ厚のＡｌＧａＮバリア層４１８、ｎ＝２．５であり、ＱＷ４２２を含む１００−３００ｎｍ厚のＧａＮ導波層４２０、およびｎ≒１．５±１．０である１μｍ厚のＱＤフィルム４２４から成る装置４１２を示す。ここで、ＷＧモード４２６はＱＤフィルム４２４にリークする。対応する屈折率（ｎ）は、グラフ４２８において装置４１２の右側に示される。
【００４２】
そのような効果は、低屈折率の中間層をＰＥＳ層に組み込むことによって強化され、ＰＥＳ  ＷＧ空洞モードによるＳＥＳの励起を増加する。また、２つの材料間の屈折率差を最適化することによっても強化される。そのような幾何学を用いて、ＳＥＳは多層構造のＴＩＲまたはＷＧモードに対して全体放射の大部分を放射する。重ねて、この放射は、装置の全体効率を制限する。格子またはフォトニック結晶を蛍光体および高屈折率層との間に組み込むことによって、これらのモードを抽出できる。以下に図示されるように、２つの発光帯の間に大きなエネルギ差が存在するが、両者の効果（ＰＥＳからおよびＳＥＳから）を抽出するには単一のフォトニック結晶で十分である。
【００４３】
図５Ａは、支持構造５０２（例えば、基板の上部に形成された緩衝層）、電気的に注入されるＰＥＳ層に１つ以上のＰＥＳを含む第１活性領域５０４、１つ以上の格子またはフォトニック結晶５０６、および光学的に励起されるＳＥＳ層に１つ以上のＳＥＳを含む第２活性領域５０８を含む構造５００を示す。フォトニック結晶５０６は、第１および第２領域５０４および５０８に近接して形成されることに留意されたい。
【００４４】
フォトニック結晶５０６は、ＰＥＳ５０４によって放射されたＷＧモード５１０を抽出して、ＳＥＳ５０８を光学的に励起する。さらに、フォトニック結晶５０６は散乱中心または回折格子として作用し、ＰＥＳ５０４によって放射されたＷＧモード５１０を抽出し、ＳＥＳ５０８によって放射されたＷＧモード５１２を抽出することによってＳＥＳ５０８を通って放射される回折光５１４を生じ、遠視野放射パターンの指向性または等方性を制御する。
【００４５】
一般に、フォトニック結晶５０６は、ＰＥＳ層５０４またはＳＥＳ層５０８の上または下に統合された１つ以上の中間層を含む。１つ以上の中間層は加工されてもよい。
【００４６】
一実施例において、フォトニック結晶５０６は、格子に垂直な方向に近接して全方向に光抽出を提供する一次元（１Ｄ）回折格子である。別の実施例において、フォトニック結晶５０６は周期的、準周期的、または短距離範囲に配列された二次元（２Ｄ）散乱中心または回折格子であり、全方向性光抽出または指向性遠視野放射パターンを提供する。さらに別の実施例において、フォトニック結晶５０６はランダムに加工された二次元（２Ｄ）散乱領域であり、全方向性光抽出および等方性遠視野放射パターンを提供する。
【００４７】
フォトニック結晶５０６のパラメータは、光抽出が上方または下方に最適化されるよう選択される。さらにフォトニック結晶５０６のパラメータはＬＥＤによって異なる場合がある。
【００４８】
図５Ｂおよび５Ｃは、図５Ａの概略図に示されたような、表面に浅い１Ｄ格子を有する平面空洞を含む多層構造における、ＷＧモードの計算された複合分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）を示す。点線は、空気中またはサファイア基板における放射用の光線である。このＷＧモードおよび装置幾何学の場合、両方の周波数（励起光および蛍光体ＰＬに対応する）は、同時に異なる角度で抽出することができる。ＬＥＤの上の蛍光体の場合、異なる周波数が正確に生じる。
【００４９】
実験結果によって概念実証が確立された。
【００５０】
２μｍ厚のＧａＮ緩衝層をＭＯＣＶＤによってサファイア基板の上に生成し、複数の試料をこのウエハから切り取った。次に、ホログラフィック露出を含む処理ステップを行って、（種々の周期性Λの）１Ｄ格子を試料表面の広い領域に渡って形成した。格子の深さは、図６に示すように１５０−２００ｎｍの間とした。
【００５１】
特に、図６は周期性１６５ｎｍ、深さ１８０ｎｍの１Ｄ格子であり、サファイア基板の上部に生成された２μｍ厚のＧａＮ緩衝層ＭＯＣＶＤにエッチングされている。またＧａＮ緩衝層は（このＳＥＭ画像では解像されない）ＰＥＳとしてＩｎＧａＮ  ＱＷを含む。空気およびサファイアの間の２μｍ厚のＧａＮ層は、理論上１０〜２０ＷＧモード（波長範囲４００〜８００ｎｍ）の間に含むことができる。格子は、約１μｍ厚に形成された層であるＣｄＳｅ  ＮＱＤ（トルエン溶液からキャストを落とす）でコーティングした後、乾燥した。
【００５２】
図７Ａおよび７Ｂは、ＭＯＣＶＤによってサファイア基板７０８の上部に生成されたＩｎＧａＮ  ＱＷ７０６を含むＧａＮ層７０４をコーティングするＣｄＳｅ  ＮＱＤ蛍光体７０２、およびＧａＮ層の上部に１Ｄ格子７１０を含む同一の多層構造７００を示す。図７Ａおよび７Ｂにおいて、検出器７１２はアジマス角度θで多層構造７００の上に配置される。試料を回転させて、検出器の回転平面に平行（図７Ａ）または垂直（図７Ｂ）な格子線を表す。
【００５３】
２つの異なる格子周期性と同一のＧａＮ／ＡｌＧａＮウエハ、および同一のＣｄＳｅ  ＮＱＤ蛍光体を使用して、図７Ａおよび７Ｂの構造上で測定を行う。図７Ｃおよび７Ｄは、２つの角度に分解されたＰＬ測定を示す。これはアジマス角度の関数として収集された異なるＰＬスペクトル（遠視野放射パターン）を組み合わせた後、ＵＶ  ＨｅＣｄレーザ光（λ０＝３２５ｎｍ）を用いて紫色ＩｎＧａＮ  ＱＷおよび黄色−緑色ＮＱＤ蛍光体を励起する。
【００５４】
図７Ｃは、参照として（周期性２６０ｎｍの）格子に平行な角度測定を示す。実際に、格子は光を格子線に対する垂線に近い方向にだけ効率的に回折できる。２つの主な放射帯は、約４１０ｎｍおよび５２０ｎｍで見られる。これらはそれぞれＩｎＧａＮ  ＱＷおよびＮＱＤ蛍光体から直接抽出されたＰＬである。側面頂点から離れた準等方形の放射性は、試料の側面から逃げる散乱光および／またはＷＧモードに割り当てられることに留意されたい。最終的に、スペクトルは、複数の薄い曲線から成る精密な構造で構成される。これらは２つのインターフェイスＧａＮ／空気およびＧａＮ／サファイアと同様に格子線に対して平行に伝播しないＷＧモードの回折から生じるＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ構造干渉に起因する。
【００５５】
図７Ｄは、格子に垂直な角度測定を示す。この場合、複数の密接配置された曲線がスペクトルにおいて直接抽出されたＰＬおよびＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ変化の上部に明確に現れる。それらの線はＷＧモードの放射構成要素であり、格子に対して垂直方向に回折を介して生成される。以下、これらの線は「屈折モード」と表示される。
【００５６】
図７Ｃおよび７Ｄを比較すると、スペクトルは同一試料上および同一条件において得られたため、水平方向のそれと比較して、ほぼすべての波長および角度において垂直方向のＰＬ信号の増加がはっきりと認められる。そのため、少なくとも格子に対する垂線に近接する方向におけるＰＥＳおよびＳＥＳ放射の光抽出が増加する（２Ｄ格子またはフォトニック結晶は全方向性抽出を提供する）。
【００５７】
図８Ａおよび８Ｂは、（ｋ‖＝ｋ０ｓｉｎθであるため）図５Ｃの測定角度スペクトルから直接得られたモード分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）を示す。ここで、図８ＡではΛ＝２６０ｎｍであり、類似試料上での別の測定では、図８ＢにおいてΛ＝２２０ｎｍである。２つのプロットの主な相違は、周期性が減少すると、スケール不変性から予測できるように、回折モードが単に下方に移行することである。周期性の変更は、両放射からの回折光の光抽出および方向性を修正する。周期性が大きい場合、抽出はさらに垂直になる。最後にそれら２つのプロットから、十分に高位のＷＧモード（屈折の効率屈折率が低い）のみが効率的に回折されること、高屈折率のＷＧモードはＧａＮ層の内部に配置され、できるだけ格子と重ならないことが明らかとなる。
【００５８】
これらの結果は、単純な格子がＰＥＳおよびＳＥＳ放射の抽出を増加させることを示す。そのため、全体的に増加したＳＥＳのＰＬは２つの相補効果から生じる。１つは向上したＰＥＳ放射の抽出によってＳＥＳの励起を増し、次に極めて強い直接抽出放射を生成する。２つ目は、格子がＳＥＳ放射によってエバネセント波に誘導されたＷＧモードを抽出する。また、これらは、単一の格子が放射の一部を制御可能な方法で再指向し（回折モード方向は、層の幾何学および格子の周期性にのみ依存するため）、現行のＬＥＤに関する非等方性演色の問題を補完できることを示す。
【００５９】
これらの基本的な例から、原理を一般化し、多くの代替および／または相補的構造を説明することが可能である。
【００６０】
［１］ＳＥＳ層は、屈折率の低い層（空気ギャップまたは多孔性二酸化ケイ素などの低屈折率双極子）の上に配置することができるため、ＴＩＲ基板モードまたはＷＧ空洞モードに対するＳＥＳエバネセント波の連結を解除する。ＳＥＳ  ＷＧモードは、次に高屈折率層ではなくこの層の内部に表れる。この層ではＰＥＳ  ＷＧモードのみが伝播する。蛍光体層を主要基板から分離することでＰｕｒｃｅｌｌ効果が抑制されるが、ＬＥＤ基板からの蛍光体層の断熱を可能にする。その温度は、作動時に１００℃まで上昇する。この分離は以下を示唆する。
【００６１】
［２］２つ以上の１Ｄ格子を構造に組み入れて、種々の光放射構成要素をそれぞれ回折することができる。図９に示されるように、別の格子を蛍光体の上部表面で加工することも可能である。図９は、基板９０２、第１および第２格子９０６、９０８を有し、境界層としても作用する緩衝層９０４、ＰＥＳ層９１０、および基板９０２および緩衝層９０４から空気ギャップまたは低屈折率双極子９１４分だけ離れて配置された蛍光体層９１２含む装置９００を示す。蛍光体層９１２は、表面格子またはフォトニック結晶９１６を含む。さらに、この図において９１８はＰＥＳ層９１０からのＷＧモードを含み、９２０はＰＥＳ層９２０から抽出された光を含み、９２２は蛍光体層９１２（ＳＥＳ）からのＷＧモードを含み、９２４はＳＥＳから回折された光を含む。
【００６２】
代わりに、周期性を有する１Ｄ格子を生成して、ＰＥＳ  ＷＧモードが層に対してほぼ平行な角度で回折されるようにしてもよい。次に、回折光を蛍光体層における面内付近で伝播する。これは、光が吸収材料において長距離伝播することが可能な場合、大規模な吸収が生じるため興味深い。平面装置において、より長い距離が面内で得られると、次にＳＥＳによるＰＥＳ光の高吸収が得られることで、蛍光体の薄いコーティングのみが必要となる。
【００６３】
［３］複数の１Ｄ格子をそれぞれ異なる配向性を有する位置で統合して、２つ以上の方向の回折を得ることができる。
【００６４】
［４］２Ｄ回折格子として作用する２Ｄフォトニック結晶を、複数の１Ｄ格子の代わりに統合して、全方向の抽出を改善しながら、処理の複雑性を削減できる。２つ以上の２Ｄフォトニック結晶を順に使用して、種々の光放射構成要素に異なる影響を及ぼすことができる。他の代替案も使用可能であるが、上述のスキームはそれら新しいアプローチにおいて依然として実践的関心であり、側面エピタキシ過成長（ＬＥＯ）などの処理を含む。（２００５年２月２８日提出、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、Ｊａｍｅｓ  Ｓ．Ｓｐｅｃｋ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる「ＳＩＮＧＬＥ  ＯＲ  ＭＵＬＴＩ−ＣＯＬＯＲ  ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ  （ＬＥＤ）  ＢＹ  ＧＲＯＷＴＨ  ＯＶＥＲ  Ａ  ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ  ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ」と題する米国実用新案第１１／０６７，９１０号（代理人整理番号３０７９４．１２２−ＵＳ−０１（２００５−１４５−１）を参照。この出願は参照することにより本明細書に組み込まれる）。適切な周期性を上述のとおり選択して、両方の抽出を可能にする。
【００６５】
［５］境界層を導入するか、または基板除去技術を適用し、主要ＷＧ層を効率的に薄くして、外側ＷＧモードの漏れまたはフォトニック結晶との重複を増加させ、および／または場合によっては微小空洞効果を利用することができる。（２００５年２月２８日提出、Ｃｌａｕｄｅ  Ｃ．Ａ．Ｗｅｉｓｂｕｃｈ、Ａｕｒｅｌｉｅｎ  Ｊ．Ｆ．Ｄａｖｉｄ、およびＳｔｅｖｅｎ  Ｐ．ＤｅｎＢａａｒｓによる「ＨＩＧＨ  ＥＦＦＩＣＩＥＮＣＹ  ＬＩＧＨＴ  ＥＭＩＴＴＩＮＧ  ＤＩＯＤＥ  （ＬＥＤ）  ＷＩＴＨ  ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ  ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＥＸＴＲＡＣＴＯＲ」と題する米国実用新案第１１／０６７，９５６号（代理人整理番号３０７９４．１２６−ＵＳ−０１（２００５−１９８−１）を参照。この出願は参照することにより本明細書に組み込まれる）。また、ここでＬＥＯ技術を適用して、図９に示されているのと同様に、蛍光体９１０の表面格子またはフォトニック結晶９１４と組み合わせてもよい。
【００６６】
［６］２つ以上の発光種をＰＥＳまたはＳＥＳとして含めてもよい。この方法は、ＵＶまたは青色ＰＥＳに適用できる。
【００６７】
［７］異なるＳＥＳを装置の異なる領域に配置して多色ピクセルを形成し、それぞれのピクセルのタイプに対して順に、異なるフォトニック結晶を処理してすべての色に対する同種の効率および指向性を得ることができる。
【００６８】
［８］活動層の下または上に配置された金属または双極子鏡の統合（分布ブラッグ反射器、すなわちＤＢＲ）は、高い光変換効率のＰＥＳおよびＳＥＳ  ＷＧモードの同時抽出と組み合わせて光子「リサイクル」の使用を示す図１０Ａおよび１０Ｂに示されるように、抽出効率を改善することができる。直接抽出されたＰＥＳ光を再配向して、ＳＥＳ層を一度以上通過するようにする。これは、金属性または双極性の鏡をＳＥＳ層の上に導入することによって行う。特に、図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ基板／緩衝層１００２、境界層１００４、ＰＥＳ１００８を含む活動層１００６、格子１０１０、蛍光体層１０１２および蛍光体層１０１２のＰＬに対して透明な励起用のＤＢＲ１０１４を含む装置１０００を示す。図１０Ａにおいて、ＷＧモード１０１６、１０１８は蛍光体層１０１０にリーク、結果として放射モード１０２０および鏡１０１４によって反射されたモード１０２２を生じる。図１０Ｂにおいて、ＷＧモード１０１６、１０１８は蛍光体層１０１０にリークし、結果として放射の損失１０２４および鏡１０１４によって反射されたモード１０２２を生じる。鏡は直接抽出された励起および格子またはフォトニック結晶光によって誘導された放射光を反射する。
【００６９】
図１１は、どのように中間層を、蛍光体と高屈折率層との間に、金属または双極子鏡と組み合わせて含めることができるかを示す。特に、図１１は基板／緩衝層１１０２、パターン化境界層またはＤＢＲ１１０４、ＰＥＳ１１０８を含む活動層１１０６、および空気ギャップまたは低屈折率双極子１１１０を含む装置１１００を示す。ＤＢＲ１１１２、１１１４、１１１６は蛍光体層１１１８のＰＬに対して透明な励起を提供する。ＰＥＳ１１０８のＷＧモード１１２０は蛍光体層１１１８にリーク１１２２、結果として蛍光体層１１１８（ＳＥＳ）のＷＧモード１１２４、回折ＳＥＳ放射１１２６、および反射されたモード１１２８およびモード１１３０を生じる。
【００７０】
さらに、金属または双極子鏡の統合によって、装置は、望ましくない方向に逃げる放射光の一部を再配向することができる。これはＤＢＲ１１１２、１１１４、１１１６によって行われる。例えば、ＤＢＲ１１１２は基板１１０２の下に配置されて、上方に伝播する放射光を下方に反射する。
【００７１】
他の鏡またはＤＢＲを異なる放射種の上および下に配置して、微小空洞（例えば、約１波長の厚みを有する平面空洞）を形成することができる。例えば、これによって、抽出効率を改善し、遠視野放射パターンの指向性を修正する発明が可能になる。
【００７２】
活動層の上で直接処理することによって、欠損および内部効率の損失を招く可能性がある（例えば、ＩｎＧａＮ  ＱＷはドライエッチングによって損傷する場合がある）。ＬＥＤ表面上での格子加工を避けるための代替アプローチは以下を含む。
【００７３】
［９］高い屈折率を有する個別の膜上（例えば、Ｓｉ３Ｎ４膜上）でフォトニック結晶の複数を加工した後、ＬＥＤの上に配置する。
【００７４】
［１０］高い屈折率（例えば、ＴｉＯ２）を有するゾルゲルフィルムをＬＥＤ表面の上に堆積して、フォトニック結晶を加工した後、蛍光体フィルムを堆積させる。
【００７５】
（プロセスステップ）
最後に、図１２は、本発明の実施例に基づく装置の加工において行われるステップを示すフローチャートである。
【００７６】
ブロック１２００は、緩衝層を基板の上に（任意で）形成するステップを表す。
【００７７】
ブロック１２０２は、第１活性領域層を緩衝層の上に（または緩衝層が使用されない場合は直接基板の上に）形成するステップを表す。ここで、第１活性領域層は、電気的に注入されるＰＥＳ層に１つ以上の第１発光種（ＰＥＳ）を含む。
【００７８】
ブロック１２０４は、第１活性領域層の上に１つ以上のフォトニック結晶を形成するステップを表す。好ましくは、フォトニック結晶は異なる方向で異なる位置に統合された１つ以上の中間層を含み、例えばＰＥＳ層またはＳＥＳ層の上方または下方といった２つ以上の方向に回折を得ることができる。さらに、１つ以上の中間層を加工してもよい。
【００７９】
結果として生じる構造において、散乱中心または回折格子として作用するフォトニック結晶は、ＰＥＳによって放射されたエバネセントＷＧモードを抽出して、ＳＥＳを光学的に励起し、ＳＥＳによって放射されたＷＧモードを抽出して、遠視野放射パターンの指向性または等方性を制御する。
【００８０】
一実施例において、フォトニック結晶は、格子に垂直な方向の付近で全方向の光抽出を提供する一次元（１Ｄ）回折格子である。別の実施例において、フォトニック結晶は、全方向式光抽出または指向性遠視野放射パターンを提供する周期的、準周期的、または短距離秩序の二次元（２Ｄ）散乱中心または回折格子である。さらに別の実施例において、フォトニック結晶は、全方向式光抽出および等方性遠視野放射パターンを提供するランダムに加工された二次元（２Ｄ）散乱領域である。
【００８１】
フォトニック結晶のパラメータは、光抽出が上方または下方に最適化されるよう選択してもよい。さらに、フォトニック結晶のパラメータは、ＬＥＤによって異なる。
【００８２】
ブロック１２０６は、フォトニック結晶の上に第２活性領域層を形成するステップを表す。ここで、第２活性領域層は光学的に励起されるＳＥＳ層に１つ以上の第２発光種（ＳＥＳ）を含む。
【００８３】
ブロック１２０８は、装置の上に金属性または双極性の鏡を（任意で）形成するステップを表す。これらの鏡を使用して、好ましくない方向に逃げる放射光の一部を再配向するか、またはこれらの鏡を使用して、ＰＥＳまたはＳＥＳから放射された光をリサイクルすることができる。さらに、これらの鏡をＰＥＳ層またはＳＥＳ層の上または下に配置して微小空洞を形成してもよい。
【００８４】
ブロック１２１０は、（任意で）ＳＥＳ層を空気絶縁または高い光抽出効率を提供する別の層でコーティングするステップを表す。他の実施例では、第１および第２活性領域の間にある必要はないが、それらに近接してフォトニック結晶を形成するため、ステップの順序を変えるか、または種々のステップを繰り返してもよい。
【００８５】
さらに、一実施例において、第１活性領域、第２活性領域、およびフォトニック結晶は基板によって支持されているが、他の実施例では、基板から第１活性領域、第２活性領域、およびフォトニック結晶を除去するステップ、次に第１活性領域、第２活性領域、およびフォトニック結晶を複数の他の構造上で支持するステップを追加してもよい。
【００８６】
（結論）
これは本発明の好ましい実施例に関する説明の結論である。本発明の１つ以上の実施例に関する前述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。本発明を網羅すること、または開示された明確な形態に制限することを意図するものではない。上記の説明に照らして、多くの修正および変型が可能である。本発明の範囲は、この詳細な記述によってではなく、本明細書に添付されている請求項によって制限される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、従来の電界発光ルミネセンス多色ＬＥＤ構造を示す。ここで蛍光体または第２発光種（ＳＥＳ）は、電気的に注入される第１発酵種（ＰＥＳ）を含む半導体発光ダイオードによって光学的に励起される。
【図２Ａ】図２Ａは装置構造を示す。（単一導波モードとして表される）全反射（ＴＩＲ）モードは従来の装置にはない。
【図２Ｂ】図２Ｂおよび２Ｃは、２つの発光種およびその両方に関わるＴＩＲを表す従来構造を示す。
【図２Ｃ】図２Ｂおよび２Ｃは、２つの発光種およびその両方に関わるＴＩＲを表す従来構造を示す。
【図３Ａ】図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、外部電気的双極子源によって生成されて伝播するエバネセント波および付近にある高屈折率平面層内のＴＩＲまたはＷＧモードの結合を示す。
【図３Ｂ】図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、外部電気的双極子源によって生成されて伝播するエバネセント波および付近にある高屈折率平面層内のＴＩＲまたはＷＧモードの結合を示す。
【図３Ｃ】図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、外部電気的双極子源によって生成されて伝播するエバネセント波および付近にある高屈折率平面層内のＴＩＲまたはＷＧモードの結合を示す。
【図４Ａ】図４Ａおよび４Ｂは、エバネセント波ＷＧモードの蛍光体励起を示す。ここで、屈折率の小さい中間層を使用し、電界をインターフェイス半導体／蛍光体層の近くに可能な限り集中させることによってその効果が強化される。
【図４Ｂ】図４Ａおよび４Ｂは、エバネセント波ＷＧモードの蛍光体励起を示す。ここで、屈折率の小さい中間層を使用し、電界をインターフェイス半導体／蛍光体層の近くに可能な限り集中させることによってその効果が強化される。
【図５Ａ】図５Ａは、緩衝層、ＰＥＳを含む第１活性領域、フォトニック結晶または格子、およびＳＥＳを含む第２活動層を含む構造を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂおよび５Ｃは、図５Ａの概略図に示されたような、その表面上の格子によって変化させられる平面空洞における複合分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）のＷＧモードを示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｂおよび５Ｃは、図５Ａの概略図に示されたような、その表面上の格子によって変化させられる平面空洞における複合分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）のＷＧモードを示す図である。
【図６】図６は、サファイア基板の上に生成されたＧａＮ緩衝層ＭＯＣＶＤに周期１６５ｎｍ、深さ１８０ｎｍ、２μｍ厚でエッチングされた１Ｄ格子を示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。ＧａＮ緩衝はＰＥＳとしてＩｎＧａＮ  ＱＷも含む。
【図７Ａ】図７Ａおよび７Ｂは、ＬＥＤの構造を示し、図７Ｃおよび７Ｄは、ＬＥＤの２つの角度分解ＰＬ測定を示すプロットである。
【図７Ｂ】図７Ａおよび７Ｂは、ＬＥＤの構造を示し、図７Ｃおよび７Ｄは、ＬＥＤの２つの角度分解ＰＬ測定を示すプロットである。
【図７Ｃ】図７Ａおよび７Ｂは、ＬＥＤの構造を示し、図７Ｃおよび７Ｄは、ＬＥＤの２つの角度分解ＰＬ測定を示すプロットである。
【図７Ｄ】図７Ａおよび７Ｂは、ＬＥＤの構造を示し、図７Ｃおよび７Ｄは、ＬＥＤの２つの角度分解ＰＬ測定を示すプロットである。
【図８Ａ】図８Ａおよび８Ｂは、図５Ｃの測定角度スペクトルから推定される測定モード分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）を示すプロットである。
【図８Ｂ】図８Ａおよび８Ｂは、図５Ｃの測定角度スペクトルから推定される測定モード分散関係（換算周波数対換算面内波数ベクトル）を示すプロットである。
【図９】図９は、複数の格子またはフォトニック結晶を結合して異なるＷＧモードを抽出するための補足的装置構造を示す。
【図１０Ａ】図１０Ａおよび１０Ｂは、高い光変換効率のための励磁（紫色）および蛍光体ＰＬ（緑色）ＷＧモードの同時抽出と組み合わされた光子リサイクルを示す装置構造である。
【図１０Ｂ】図１０Ａおよび１０Ｂは、高い光変換効率のための励磁（紫色）および蛍光体ＰＬ（緑色）ＷＧモードの同時抽出と組み合わされた光子リサイクルを示す装置構造である。
【図１１】図１１は、高い光変換効率のためのＰＥＳおよびＳＥＳのＷＧモードの同時抽出と結合された光子リサイクルを示す装置構造であり、ＴＩＲまたはＷＧモードとフォトニック結晶との連結を改善する中間層を有する。
【図１２】図１２は、本発明の好ましい実施例に基づく装置の加工において行われるステップを示すフローチャートである。
【図１】
2009512220.tif 000003
【図２Ａ】
2009512220.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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