(57)【要約】【課題】  帯域依存性や視野角依存性を低減して、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させ、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すこと。【解決手段】  発光面の構成を並進対称性を持つ周期構造に代えて、並進対称性を持たない準結晶構成とすることによって、周期構造に伴う帯域依存性や視野角依存性を低減し、発光の空気中への取り出し効率を向上させる。発光素子は、発光体の発光面に、並進対称性を有しないフォトニック準結晶による格子構造を形成する構成とすることで、発光面の構成を並進対称性を持たない準結晶構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光体の発光面に、並進対称性を有しないフォトニック準結晶による格子構造を形成したことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
発光体の発光面に、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を形成したことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
発光体の発光面に、フォトニック結晶を構成する屈折率領域を、並進対称性を有しない準結晶のパターンに従って配列したことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記屈折率領域は、並進対称性と相容れない回転対称性を備えることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
発光体の発光面に、第１の屈折率を有する複数の第１の領域と、前記第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する複数の第２の領域を、準結晶のパターンに従って配列してフォトニック準結晶の格子構造を形成し、
前記第１の領域及び／又は第２の領域は、長距離規則性、短距離不規則性、及び並進対称性と相容れない回転対称性を備えることを特徴とする発光素子。
【請求項６】
前記格子構造は、前記第１の領域又は第２の領域の一方の領域を半導体層とし、前記第１の領域又は第２の領域の他方の領域を前記半導体層に形成する部位とし、
前記部位を並進対称性を有しない準結晶のパターンに従って配列することを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
前記部位は前記半導体層に形成する開口部又は凹部であり、
当該開口部又は凹部の配列位置は準結晶のパターンの格子点の位置であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記格子構造は、半導体層上において、前記第１の領域及び第２の領域を、並進対称性を有しない準結晶のパターンを構成する単位胞に対応付けて配列することを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
【請求項９】
前記第１の領域及び第２の領域の何れか一方は、前記準結晶のパターンを構成する単位胞に形成した開口部又は凹部であることを特徴とする請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記開口部又は凹部の配列ピッチは発光波長λの０．２倍から１．６倍程度であり、口径は配列ピッチの０．３倍から１倍程度であることを特徴とする請求項７又は９に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記準結晶のパターンは、ペンローズタイリングのパターン、又は１２回対称を有する正方形−三角形タイリングのパターンであることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記ペンローズタイリングのパターンが有する１０角形のパターンにより前記開口部又は凹部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記正方形−三角形タイリングのパターンが有する６角形のパターンにより前記開口部又は凹部を形成することを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬ等の自発発光する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や有機ＥＬなどの自発発光する発光素子は、表示、ディスプレイ、照明等の広い分野での利用が期待されているが、発光体から放射された光は全反射によって外部への取り出しが制限されるため、発光体で発光した光の利用効率が低いという問題が指摘されている。例えば、ＬＥＤ等の半導体を用いた発光素子の効率は１０％以下と言われている。
【０００３】
この課題を解決するものとして、半導体表面に周期構造を形成する手法が提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。半導体表面に形成した周期構造は、周期構造の波数変換作用によって半導体内部の光の方向を変化させ、全反射していた光を空気中に取り出すようにするものである。
【０００４】
【特許文献１】米国特許  第５７７９９２４号
【特許文献２】特開平１０−４２０９号公報
【特許文献３】特開２００４−１２８４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光体が放射する光を空気中により効率良く取り出すことが求められている。
【０００６】
また、上記した半導体表面に周期構造を形成した発光素子では、波長と周期に若干の関連性があり、周期構造により帯域依存性や視野角依存性を有するため、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させるには限界があるという課題がある。
【０００７】
本発明は前記した従来の問題点を解決し、帯域依存性や視野角依存性を低減して、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させ、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、発光面の構成を並進対称性を持つ周期構造に代えて、並進対称性を持たない準結晶構成とすることによって、周期構造に伴う帯域依存性や視野角依存性を低減し、発光の空気中への取り出し効率を向上させる。
【０００９】
本発明の発光素子は、発光体の発光面に、並進対称性を有しないフォトニック準結晶による格子構造を形成する構成とすることで、発光面の構成を並進対称性を持たない準結晶構成とする。
【００１０】
ここで、一般に結晶とは、物質が規則正しく周期的に並んだ固体であり、単位胞を周期的にずらすことで空間を埋めることができる並進対称性を備えるものである。
【００１１】
これに対して、準結晶は結晶が備える並進対称性を持たず、通常の並進対称性を有する結晶では許されない回転対称性（例えば、５回、８回、１０回、１２回対称）を備える。なお、本発明において、準結晶は、結晶の周期性が外乱等によって乱れたものとは異なるものであり、上記の回転対称性等のように所定の性質に基づいて積極的に周期性からずれるような特性を持たせたものである。
【００１２】
また、フォトニック結晶は、屈折率が異なる二つの物質が光の波長程度の周期で規則正しく繰り返し並んだ固体である。
【００１３】
したがって、本発明のフォトニック準結晶は、発光体の発光面に、屈折率について並進対称性を持たず、長距離秩序及び回転対称性を有する屈折率の準周期構造を備えるものとすることができる。この構成は、発光体の発光面に、フォトニック結晶を構成する屈折率領域を、並進対称性を有しない準結晶のパターンに従って配列することで形成することができる。
【００１４】
また、上記構成により、本発明の発光素子の発光面において、フォトニック結晶を構成する屈折率領域は並進対称性と相容れない回転対称性を備える。
【００１５】
また、本発明の発光素子の構成は、より詳細には、発光体の発光面に、第１の屈折率を有する複数の第１の領域と、この第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する複数の第２の領域を備える構成であり、これらの領域は準結晶のパターンに従って配列することでフォトニック準結晶の格子構造を形成している。これにより、第１の領域及び／又は第２の領域は、長距離規則性、短距離不規則性、及び並進対称性と相容れない回転対称性を備える。
【００１６】
上記の格子構造の第１の形態は、第１の領域又は第２の領域の一方の領域を半導体層により形成し、他方の領域を半導体層内に分散させて形成する部位とし、この部位を第１の領域を形成する半導体層内に並進対称性を持たないように準結晶のパターンに従って配列する。そして、この部位として半導体層に形成する開口部又は凹部とし、準結晶のパターンの格子点の位置に配列する。このように、準結晶のパターンの格子点位置に配列することにより、開口部又は凹部の半導体層上における配置は、準結晶のパターン配置となる。
【００１７】
また、上記の格子構造の第２の形態は、半導体層上に準結晶のパターンを形成し、準結晶のパターンを構成する各単位胞に対応付けて第１の領域及び第２の領域を配列する。準結晶の各単位胞は並進対称性を有しない準結晶のパターンであるから、このパターンに対応付けられた配列した第１の領域及び第２の領域は、並進対称性を有しない配列となる。そして、この第１の領域及び第２の領域の何れか一方は、準結晶のパターンを構成する単位胞に形成した開口部又は凹部とすることができる。
【００１８】
上記した第１の形態及び第２の形態において、開口部又は凹部内は例えば空気で満たされる。半導体層と空気の屈折率は異なるため、第１の領域と第２の領域の屈折率は異なりことになり、フォトニック準結晶を構成する。
【００１９】
なお、開口部又は凹部の配列ピッチは発光波長λの数分の一から数倍程度、例えば、０．２〜１．６倍であり、口径は配列ピッチの数分の一から同程度、例えば、０．３〜１．０倍とすることができる。
【００２０】
準結晶のパターンは、ペンローズタイリングのパターン、又は１２回対称を有する正方形−三角形タイリングのパターンとすることができる。ペンローズタイリングのパターンが有する１０角形のパターンにより開口部又は凹部を形成ことができる他、正方形−三角形タイリングのパターンが有する６角形のパターンにより開口部又は凹部を形成することができる。
【００２１】
本発明の発光素子において、上記した準周期構造は、完全な周期的構造からはずれた構造となり、周期的構造と非周期的構造とを同一の発光面に備える。周期的な構造によって光の取り出しにおいてフォトニック結晶と同等以上の高効率を得ることができ、また、非周期的構造によって光の取り出しにおいて広帯域性及び広角度性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、帯域依存性や視野角依存性を低減し、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させることができる。
【００２３】
また、発光体が放射する光を空気中により効率よく取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明の発光素子の概略構成を説明するための図である。ここでは、半導体を用いて発光素子を例として説明する。
【００２６】
図１において、発光素子１は、活性層３とこの活性層３を上下に挟むクラッド層２，４からなるＬＥＤの発光体部分と、外界と接触して活性層３で放射した発光を外界に取り出す発光面５とを備える。各層の屈折率は、例えば活性層３では３．０としクラッド層４，５では２．７としている。
【００２７】
なお、図１に示す形状は、発光素子の解析用モデルを示すものであって、λを発光波長としたとき、例えば、縦方向及び横方向の寸法を８λ、３つの層の厚さの寸法を２λとし、活性層３の厚さの０．３λとしているが、縦方向及び横方向の寸法は任意に設定することができる。また、図１では、発光体部分を活性層とクラッド層の層状構造の例について示しているが、後述するようにバルク構造とすることもできる。
【００２８】
本発明の発光素子１は、発光体部分の上側のクラッド層５の上面に発光面５を備える。
【００２９】
発光面５は、半導体層に孔部（あるいは凹部）６を形成して構成される。この孔部６内には空気が満たされるため、発光面５は半導体部分の領域と孔部６による空気部分の領域の屈折率を異にする２つの領域によって構成され、この２つの屈折率を異にする領域を光の波長程度の周期で繰り返して並べることでフォトニック結晶を構成している。
【００３０】
孔部６の形状は円形の他に任意の形状とすることができる。孔部６は、半導体層上に並進対称性を持たない準結晶のパターンに従って配列される。本発明の孔部６は、前記した２つの異なる屈折率領域を光の波長程度の周期で繰り返すフォトニック結晶において、配列パターンを準結晶のパターンに従うことによってフォトニック準結晶（Quasiperiodic Photonic Crystal:ＱＰＣ）を構成している。
【００３１】
準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）のパターンを用いることができる。
【００３２】
ペンローズタイリング(Penrose-type)のフォトニック準結晶は５回対称の回転対称性を持ち、正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）フォトニック準結晶は１２回対称の回転対称性を持ち、いずれも並進対称性を持つ通常の結晶に許されない回転対称性を備えている。なお、回転対称性は、図形の回転の前後において区別がつかない性質であり、５回対称の回転対称性は７２°（＝３６０°／５）の回転で図形が重なり、１２回対称の回転対称性は３０°（＝３６０°／１２）の回転で図形が重なることになる。図１では、１２回対称の回転対称性に基づいて孔部６を配置している。
【００３３】
なお、発光面５はクラッド層５の上面部分を用いる構成とすることも、あるいはクラッド層５の上方に半導体層を生成して形成する構成としてもよい。また、円孔６は、この半導体層にレーザー光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。
【００３４】
活性層３で発光した光は発光面５から外界（空気側）に放出される。このとき、本発明の発光素子１の発光面５は、当該発光面にフォトニック準結晶構造を形成することによって、発光体内から外界への光の取り出し効率を向上させ、また、光の取り出しにおいて広帯域性及び広角度性を向上させる。
【００３５】
以下、図２を用いて、本発明のフォトニック準結晶（QPC-LED）による発光素子において、光の入射角に対する強度分布と、発光素子から外部に取り出される放射パワーのシミュレーション結果を、発光面が平面であるＬＥＤ（平面LED）とフォトニック結晶によるＬＥＤ（PC-LED）と比較して示す。
【００３６】
なお、シミュレーションでは、波長をセルサイズがｎ(屈折率）の１／１０以下となる範囲で変化させ、活性層中の中央部でＥy成分のみの１点に励振を与えている。なお、図２では、波長λ＝１．００μｍ，ピッチａ＝０．６λ、円孔径２ｒ／ａ＝０．６６とし、このときの横断面電界分布を図２（ａ）に示し、縦断面電界分布を図２（ｂ）に示し、発光面での光の入射角に対する強度分布を図２（ｃ）に示し、放射パターンの時間変化を図２（ｄ）に示している。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）において、左側は平面LEDによるシミュレーション結果であり、中央はPC-LEDによるシミュレーション結果であり、右側は本発明のQPC-LEDによるシミュレーション結果である。
【００３７】
図２（ｃ）の光の入射角に対する強度分布に示すように、平面LEDによる発光素子では、クラッドと空気との屈折率差により決まる全反射角θ1＝２１．７°以内の狭い範囲の光しか取り出せないのに対して、PC-LEDやQPC-LEDによる発光素子では、全反射角以上の光についても取り出すことができる。
【００３８】
また、図２（ｄ）の放射パターンに示すように、QPC-LEDによる発光素子は、平面LEDによる発光素子に対して１．７倍の出力を得ることができ、PC-LEDによる発光素子に対しては１．２倍の出力を得ることができる。
【００３９】
次に、図３を用いて、円孔径２ｒとピッチａに対する放射パワーの変化を示す。ここでは、ピッチａを固定し、発光波長λと円孔径２ｒを変化させた解析結果を示している。図３（ａ）は、円孔径、ピッチに対する平面LEDで規格化したPC-LEDの放射パワーに変化を示し、図３（ｂ）は、同様に規格化したQPC-LEDの放射パワーに変化を示している。図３（ａ）において、フォトニック結晶によるPC-LEDでは、２ｒ／ａ＝０．６〜０．８の範囲で高出力が得られ、最大で平面LEDの約１．５倍を示している。一方、図３（ｂ）において、本発明のフォトニック準結晶によるQPC-LEDでは、２ｒ＝０．５λ，ａ＝０．６λのときに最も高い出力１．８倍が得られることを示している。
【００４０】
なお、図３において、黒丸印は２ｒ／ａ＝０．８，黒四角印は２ｒ／ａ＝０．７５，黒三角印は２ｒ／ａ＝０．６６，白丸印は２ｒ／ａ＝０．６０，白四角印は２ｒ／ａ＝０．５０，白三角印は２ｒ／ａ＝０．４０，×印は２ｒ／ａ＝０．３３を示している。
【００４１】
上記図２，３のシミュレーション結果によれば、本発明のフォトニック準結晶による発光素子を用いることで、広い立体角や広いスペクトルに対する効率を向上させ、帯域依存性や視野角依存性を低減することができる。
【００４２】
次に、発光体が層構造とバルク構造の比較について、図４，５を用いて説明する。
【００４３】
発光体が活性層とクラッド層の層構造である場合、活性層から放射された光は、図４に示すように活性層とクラッド層の屈折率差により全反射を受ける。クラッド層を導波されずに活性層に閉じ込められる光の放射パワーへの影響について見ると、活性層，クラッド層，空気の各屈折率をそれぞれ３．０，２．７，１．０とすると、クラッド層と空気の境界面での全反射角θ1は次式（１）で表される。
Sin-1（ｎAir／ｎClad）＝２１．７４°      …（１）
【００４４】
また、活性層とクラッド層の境界面での全反射角θ2も同様にして次式（２）で表される。
Sin-1（ｎClad／ｎAct）＝６４．１６°      …（２）
【００４５】
上記式（２）から、活性層から放射された光の内で入射角６４．１６°以上で進む光は活性層に閉じ込められる。
【００４６】
ここで、活性層のないバルク構造とすると、全ての光がクラッド層へ導波するため、全反射角以上で進む光を取り出せるPC-LEDやQPC-LEDでは出力が向上する。
【００４７】
図５は、平面LEDとQPC-LEDにおいて、活性層がある場合と活性層がなくバルク構造である場合の縦断面電界分布と放射パワーの時間的変化を示している。
【００４８】
このとき、波長λ＝１．００μｍとし、QPCのピッチａ＝０．６λ、円孔径２ｒ／ａ＝０．６６とすると、活性層がある場合には屈折率により光が縦長の楕円状となり、活性層がない場合には真円に近い形状となる。
【００４９】
活性層がない場合の出力は、活性層がある場合と比較して、平面LEDでは０．９倍となるのに対して、QPC-LEDでは、でほとんど変化を示していない。これは、垂直方向に減少する分を全反射角以上で進む光を多く取り込むことと推測される。
【００５０】
本発明の発光素子を構成するためのフォトニック準結晶を形成するパターンとしては、例えば、ペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンや正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）のパターンを用いることができる。以下、フォトニック準結晶を形成するパターン例を図６を用いて説明する。
【００５１】
図６（ａ）はペンローズタイリング(Penrose-type) のパターンを示し、図６（ｂ）は正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）のパターンを示している。
【００５２】
図６（ａ）に示すペンローズタイリング(Penrose-type)のパターン１１は５回対称の回転対称性を持つ。ペンローズタイリングは、異なる角度を有する隣接菱形の単位格子１２，１３（内角が３６°と１４４°の菱形と、内角が７２°と１０８°の菱形）によって形成され、このタイル（単位格子）を平面内で貼り合わせることによって、５回対称軸を持ちかつ非周期的なパターンを形成することができる。
【００５３】
このペンローズタイリング(Penrose-type)のパターンを用いてフォトニック準結晶の構造を構成するには、種々の態様とすることができる。
【００５４】
例えば、第１の態様では、ペンローズタイリングのパターンを１０角形の領域１４とその他の領域に分け、両領域部分の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において１０角形の領域１４に孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００５５】
また、第２の態様では、半導体の平面においてペンローズタイリングを構成する格子構造の頂点１５に孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００５６】
また、第３の態様では、ペンローズタイリングを構成する２種類の菱形パターン（単位格子１２，１３）の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において一方の種類の菱形パターンに孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００５７】
図６（ｂ）に示す正方形−三角形タイリング（12-fold Symmetric）フォトニック準結晶は１２回対称の回転対称性を持つ。
【００５８】
正方形−三角形タイリングは、隣接する正方形と三角形の単位格子２２，２３によって形成され、この単位格子を平面内で貼り合わせることによって、１２回対称軸を持ちかつ非周期的なパターンを形成することができる。
【００５９】
この正方形−三角形タイリング(12-fold Symmetric )のパターンを用いてフォトニック準結晶の構造を構成するには、種々の態様とすることができる。
【００６０】
例えば、第１の態様では、正方形−三角形タイリングのパターンを１２角形の領域２４とその他の領域に分け、両領域部分の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において１２角形の領域２４に孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００６１】
また、第２の態様では、半導体の平面において正方形−三角形タイリングを構成する格子構造の頂点２５に孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００６２】
また、第３の態様では、正方形−三角形タイリングを構成する２種類の単位格子（正方形パターンと三角形パターン）の屈折率をそれぞれ異ならせることによってフォトニック準結晶を構成することができる。ここで、異なる屈折率は、例えば、半導体の平面において一方の単位格子に孔（開口部）あるいは凹部を形成することで形成することができ、半導体の屈折率部分と空気の屈折率部分とによって異なる屈折率を繰り返すことができる。
【００６３】
上記発光素子及び発光面を構成する半導体は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、ＧａＩｎＡｓＰとすることができる。
【００６４】
また、半導体部分に孔（開口部）あるいは凹部は形成する手法は、光照射による凹部の生成するレーザー加工技術や、マスクを用いて半導体層をエッチングする等の半導体生成技術を用いることができる。
【００６５】
上記では、半導体ＬＥＤの構成を例として説明しているが、発光部分と外界との境界部分における全反射によって、発光部分からの光の取り出しが制限されている構成であれば同様に適用することができ、本発明のフォトニック準結晶による格子構造を備えた発光面を適用することによって、光の取り出し効率を高めることができ、また、視野角依存性を低減して高い立体角を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、半導体ＬＥＤ、有機ＥＬ、白色照明、ライト、インジケータ、ＬＥＤ通信等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の発光素子の概略構成を説明するための図である。
【図２】本発明のフォトニック準結晶（QPC-LED）による発光素子における、光の入射角に対する強度分布、及び取り出される放射パワーのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】本発明の発光素子の円孔径とピッチに対する放射パワーの変化を示す図である。
【図４】本発明の発光部に層構造とバルク構造を説明するための図である。
【図５】層構造とバルク構造による縦断面電界分布と放射パワーの時間的変化を示す図である。
【図６】フォトニック準結晶を形成するパターン例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…発光素子
２…クラッド層
３…活性層
４…クラッド層
５…発光面
６…孔部
１１…パターン
１２，１３…単位格子
１４…１０角形の領域
１５…頂点
２１…パターン
２２，２３…単位格子
２４…１２角形の領域
２５…頂点
【図１】
2006059864.tif 000003
【図３】
2006059864.tif 000004
【図４】
2006059864.tif 000005
【図６】
2006059864.tif 000006
【図２】
2006059864.tif 000007
【図５】
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