(57)【要約】【課題】  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】  自発光デバイス１は、半導体層の屈折率分布により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第１の層（半導体層２）と、第１の層（半導体層２）上に重なる発光層３と、発光層３に重なる第２の層（半導体層４）とを備え、第１の層（半導体層２）の屈折率と第２の層（半導体層４）の屈折率とを異ならせ、発光層３を挟む層（半導体層２，４）の屈折率を非対称な構成とする。非対称な層（半導体層）の屈折率分布において、第２の層（半導体層４）の屈折率を第１の層（半導体層２）の屈折率よりも高くする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の層と、
前記第１の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第２の層とを備え、
前記第１の層の屈折率と前記第２の層の屈折率とが異なり、発光層を挟む２つの層の屈折率が非対称であることを特徴とする自発光デバイス。
【請求項２】
前記第２の層の屈折率が前記第１の層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の自発光デバイス。
【請求項３】
第１の層と、
前記第１の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第２の層とを備え、
前記第２の層の表面、又は当該第２の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有し、
前記発光層の上部と前記二次元周期構造の底部との距離が0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λ（λは真空中波長）であることを特徴とする、自発光デバイス。
【請求項４】
前記第１の層の屈折率と前記第２の層の屈折率とが異なり、前記発光層を挟む２つの層の屈折率が非対称であることを特徴とする請求項３に記載の自発光デバイス。  
【請求項５】
前記第２の層の屈折率が前記第１の層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項４に記載の自発光デバイス。
【請求項６】
第１の層と、
前記第１の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第２の層と、
前記第２の層内の中間層とを備え、
前記中間層は、前記発光層に近い屈折率を持ち、かつ、当該発光層が発光する光を吸収しない媒質であることを特徴とする自発光デバイス。
【請求項７】
第１の層と、
前記第１の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第２の層と、
前記第２の層内の中間層とを備え、
前記中間層の屈折率は前記第１の層及び第２の層の屈折率よりも高いことを特徴とする自発光デバイス。
【請求項８】
前記中間層の厚さは0.5λ以上（λは真空中波長）であることを特徴とする請求項６又は７に記載の自発光デバイス。
【請求項９】
前記第２の層の表面、又は当該第２の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有し、
前記中間層は前記二次元周期構造内に設け、前記発光層の上部と前記二次元周期構造の底部との距離が0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λ（λは真空中波長）であることを特徴とする、請求項６乃至８の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１０】
前記第１の層、第２の層、及び中間層はAlGaNであり、中間層のAlの組成率は前記第１の層及び第２の層のAlの組成率よりも低いことを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１１】
前記二次元周期構造は、円孔最密配列又は錘状突起最密配列であることを特徴とする、請求項３，４，５，８，９，１０の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１２】
前記二次元周期構造は、フォトニック結晶により形成することを特徴とする、請求項３，４，５，８，９，１０，１１の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１３】
前記二次元周期構造は、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フォトニック準結晶により形成することを特徴とする、請求項３，４，５，８，９，１０，１１の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１４】
前記第１の層はn-GaNであり、前記発光層はIn GaNであり、前記第２の層はp-GaNであることを特徴とする請求項１〜９、１１，１２の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１５】
前記第２の層上に重なる樹脂層を備えることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の自発光デバイス。
【請求項１６】
第１の層と、
前記第１の層上に重なる発光層と、
前記発光層上に重なる第２の層とを備え、
前記第２の層の表面、又は当該第２の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有し、
前記第１の層は、発光層より低い屈折率であり、かつ、第２の層と同じ若しくは低い屈折率の低屈折率層であることを特徴とする、自発光デバイス。
【請求項１７】
前記低屈折率層の厚さは、発光層の発光波長と同程度であることを特徴とする、請求項１６に記載の自発光デバイス。
【請求項１８】
前記発光層はInGaNであり、
前記第１の層の低屈折率層は、AlGaN、Al２O３（サファイア）、AlN（窒化アルミ）の何れかであることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載の自発光デバイス。
【請求項１９】
サファイア基板上に、順に積層されるInGaNの発光層、及び二次元周期構造を有したAlGaN層を有し、
前記サファイア基板と前記発光層との間に一方の電極を有した層を備え、
前記AlGaN層の一部に他方の電極を備えることを特徴とする、請求項１８に記載の自発光デバイス。
【請求項２０】
前記二次元周期構造の周期性は、１／２周期〜２周期の周期範囲を備えることを特徴とする、請求項９又は１６に記載の自発光デバイス。
【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等の自発発光する自発光デバイスに関する。
【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自発光デバイスは、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】
したがって、上記した自発光デバイスでは、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。
【０００４】
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１，２，３，４参照）。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、内部の光が大きな立体角を有することから、結果的に取り出し効率が向上する。
【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
【特許文献４】特開２００４−３１２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願の発明者は、３次元光波シミュレーションによって前記した周期構造による取り出し効率を算出した結果、見込まれる取り出し効率の向上は、周期構造による回折効率によって制限され、１．５倍から２倍に留まることを確認した。なお、３次元光波シミュレーションは、本出願の発明者が波動光学シミュレーション方法として出願している（特開２００５−６９７０９号公報）。
【０００６】
また、周期構造を形成する加工プロセスによっては、周期構造の周期性を完全なものとすることができず、十分な光の取り出し効率が得られないという問題があり、また、この周期構造の周期性を完全なものとするには、加工プロセスに大きな負担がかかるという問題がある。
【０００７】
この効率を向上させるものとして、発光層（活性層）に回折格子を直接に形成する構造が考えられ、この構造とすることによって、さらに大幅な効率向上が見込まれる。しかしながら、発光層に直接に回折格子を形成する構造では、発光層自体の品質を著しく損傷させてしまうという問題があるため、現実にはこのような構造を採用することはできない。
【０００８】
本発明は前記した従来の問題点を解決し、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。
【０００９】
また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることを目的とする。
【００１０】
また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本出願の発明者は、前記した３次元光波シミュレーションによって自発光デバイスからの光放射を解析した結果、光の取り出しに係わる要因として、自発光デバイスを構成する半導体層等の各層の屈折率分布があることを見出した。
【００１２】
また、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成である場合には、その二次元周期構造の形状、発光層と二次元周期構造との距離があることも見出した。
【００１３】
本発明の自発光デバイスは、上記シミュレーションから得られる知見に基づくものであり、光の取り出し効率を向上させる構成として４つの態様を備える。
【００１４】
本発明の自発光デバイスの第１の態様は、自発光デバイスを構成する各層の屈折率分布により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第１の層と、この第１の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第２の層とを備え、第１の層の屈折率と第２の層の屈折率とを異ならせ、発光層を挟む両層の屈折率を非対称な構成とする。
【００１５】
この非対称な層の屈折率分布において、第２の層の屈折率を第１の層の屈折率よりも高くする。
【００１６】
第１の態様によれば、発光層を挟む層の屈折率を非対称な構成とすることによって、自発光デバイスを構成する各層内における光の存在分布を、屈折率が対称である構成による光分布と異ならせ、この光分布によって発光層内に閉じ込められていた光を発光層外に取り出し易くする。
【００１７】
第２の層の屈折率を第１の層の屈折率よりも高くすることによって、発光層から取り出した光を、屈折率が高い第２の層側に導き、第２の層側の発光面から取り出す発光効率を向上させる。
【００１８】
なお、発光層を挟む両層の屈折率を非対称な構成とする第１の態様は、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備えない構成、及び、二次元周期構造を備える構成のいずれの構成にも適用することができる。
【００１９】
本発明の自発光デバイスの第２の態様は、自発光デバイスの発光面が二次元周期構造を備える構成において、発光層と二次元周期構造との距離により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第１の層と、この第１の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第２の層とを備え、第２の層の表面、又は第２の層上に重なる層の表面に二次元周期構造を設け、λを真空中波長としたとき、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。この距離は、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長き距離である。
【００２０】
発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.3λ〜λのように厚い構成とした場合には、内部で自由発光する光の取り出しを高めることで取り出し効率を向上させる。また、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を0.1λ〜0.3λのように薄い構成とした場合には、光の取り出しを高めると共に、外部に向かっての光放射を高めることで取り出し効率を向上させる。
【００２１】
この第２の態様は、前記した第１の態様と組み合わせることができ、発光面に形成した二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとし、かつ、第１の層の屈折率と第２の層の屈折率とを異ならせ、発光層を挟む両層の屈折率を非対称とし、また、第２の層の屈折率を第１の体層の屈折率よりも高い構成とする。
【００２２】
本発明の自発光デバイスの第３の態様は、第１の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させるものであって、中間層を備える多層構造とする態様であり、第１の層と、この第１の層上に重なる発光層と、この発光層上に重なる第２の層とを備え、この第２の層内に中間層を設けた多層構造とする。
【００２３】
この中間層は、屈折率を発光層と同等とし、かつ、発光層が発光する光を吸収しない媒質により形成する。あるいは、中間層は、屈折率を第１の層及び第２の層の屈折率よりも高く形成する。この中間層の厚さは、例えば、λを真空中波長としたとき0.5λ以上とする。
【００２４】
この第３の態様は、前記した第２の態様と組み合わせることができ、第２の層に二次元周期構造を設け、この二次元周期構造内に中間層を設けた多層構造とし、二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。
【００２５】
第１の層、第２の層、及び中間層はAlGaNとし、中間層のAlの組成率を第１の層及び第２の層のAlの組成率よりも低く形成することで、中間層の屈折率を第１の層及び第２の層の屈折率よりも高くする。
【００２６】
第２の態様及び第３の態様において、二次元周期構造は、円孔最密配列又は錐状突起最密配列とすることができる。錐状突起最密配列としては、例えば、円錐突起最密配列や角錐突起最密配列とすることができる。
【００２７】
また、二次元周期構造は、フォトニック結晶、あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。
【００２８】
なお、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。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。
【００２９】
第１の態様乃至第３の態様において、第１の層及び第２の層を半導体層とする場合には、第１の半導体層はn-GaN（又はp-GaN）であり、発光層はIn GaNであり、第２の半導体層はp-GaN（又は n-GaN）により形成することができる。
【００３０】
また、第１の態様乃至第３の態様において、第２の層を樹脂層で被覆する構成とすることができる。
【００３１】
また、二次元周期構造においてフォトニック準結晶による準周期構造を用いることで、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、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。
【００３２】
前記した第１の層及び第２の層は半導体により形成する他、ガラス基板等によって形成することができ、これにより、発光ダイオードあるいは有機ＥＬを構成することができる。
【００３３】
さらに、本発明の自発光デバイスの第４の態様は、発光面に二次元周期構造を備えると共に、第１の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させる態様である。
【００３４】
この第４の態様は、第１の層と、第１の層上に重なる発光層と、発光層上に重なる第２の層とを備える。第２の層の表面、又はこの第２の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有する。また、第１の層は低屈折率層である。第１の層の屈折率は、発光層よりも低く、かつ、第２の層と同じ若しくは低く設定する。低屈折率層の厚さは、発光層の発光波長と同程度である。
【００３５】
第４の態様において、発光層はInGaNであり、第１の層の低屈折率層は、AlGaN、Al２O３（サファイア）、AlN（窒化アルミ）の何れかである。
【００３６】
第４の態様の自発光デバイスの一構成は、サファイア基板上にInGaNの発光層、及び二次元周期構造を有したAlGaN層を順に積層する。サファイア基板と発光層との間に一方の電極を有した層を備え、AlGaN層の一部に他方の電極を備えることで、発光層に通電する。
【００３７】
また、本発明は、二次元周期構造を備える自発光デバイスにおいて、自発光デバイスが備える二次元周期構造の周期性は、１／２周期〜２周期の周期範囲を備え、この範囲内の周期ずれであれば十分な効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、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。また、加工プロセスに負担をかけることなく光の取り出し効率を向上させることができる。
【００３９】
また、周期構造の周期性が不十分な場合であっても、光の取り出し効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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。なお、以下では、本発明の自発光デバイスは、発光ダイオード等のように、各層を半導体層により形成する構成例を用いて説明するが、有機ＥＬのように各層をガラス基板等により形成する構成にも適用することができる。
【００４１】
本発明の第１の態様を図１を用いて説明する。図１において、第１の態様の自発光デバイス１は、半導体層の屈折率分布により光の取り出し効率を向上させる態様であり、第１の半導体層２と、この第１の半導体層２上に重なる発光層３と、この発光層３上に重なる第２の半導体層４とを備え、第１の半導体層２の屈折率を低屈折率とし、第２の半導体層４の屈折率を高屈折率として、発光層３を挟む上下の半導体層２，４の屈折率を非対称な構成とする。
【００４２】
半導体層２，４及び発光層３は自発光デバイス１の各層を構成する。各層は、例えば、第１の半導体層２及び第２の半導体層４はAlGaNのクラッド層によって形成し、発光層３はInGaNにより形成する。ここで、発光層３の屈折率は例えば２．８とし、第１の半導体層２のAlGaNのクラッド層の屈折率は２．５とし、第２の半導体層４のAlGaNのクラッド層の屈折率は２．７８とする。第２の半導体層４のAlGaNのクラッド層の屈折率は、Alの組成を第１の半導体層２のAlGaNのクラッド層のAlの組成よりも低くすることによって、高い屈折率とすることができる。また、光の真空中波長λとするとき、発光層３の厚さは０．２λとする。
【００４３】
次に、本発明の第２の態様を図２を用いて説明する。図２において、第２の態様の自発光デバイス１は、自発光デバイス１の発光面に二次元周期構造１０を備える構成において、発光層３と二次元周期構造１０との距離dsにより光の取り出し効率を向上させる態様である。なお、二次元周期構造は、半導体層に設ける他、半導体層上に重なる層の表面に形成してもよい。以下では、半導体層に二次元周期構造を設ける例について説明する。
【００４４】
自発光デバイス１は、第１の半導体層２と、この第１の半導体層２の上に重なる発光層３と、この発光層３上に重なる第２の半導体層４とを備え、第２の半導体層４の表面に二次元周期構造１０を設け、λを真空中波長としたとき、発光層３の上部と二次元周期構造１０の底部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする。なお、この距離dsは、消失領域の浸透深さと同程度、あるいはそれよりも長い距離である。
【００４５】
半導体層２，４及び発光層３は、前記した第１の態様と同様に、自発光デバイス１の各層を構成し、例えば、第１の半導体層２及び第２の半導体層４はAlGaNのクラッド層によって形成し、発光層３はInGaNにより形成することができる。
【００４６】
ここで、第１の半導体層２、発光層３、及び第２の半導体層４の屈折率は、第１の態様と同様に非対称な構成とする他、対称な構成としてもよい。非対称な構成では、発光層３の屈折率は例えば２．８とし、第１の半導体層２のAlGaNのクラッド層の屈折率は２．５とし、第２の半導体層４のAlGaNのクラッド層の屈折率は２．７８とする。また、対称な構成では、発光層３の屈折率は例えば２．８とし、第１の半導体層２及び第２の半導体層４のAlGaNのクラッド層の屈折率は２．５とする。
【００４７】
第２の態様が備える二次元周期構造１０は、例えば円孔最密配列又は錐状突起最密配列により構成することができ、フォトニック結晶あるいはフォトニック準結晶により形成することができる。錐状突起最密配列は、錐状体の突起物を最密配列するものであり、錐状体は任意の形状とすることができ、例えば、円錐状突起最密配列や角錐状突起最密配列とすることができる。
【００４８】
なお、フォトニック結晶は、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構成され、フォトニック準結晶は、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って構成するものであり、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。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。
【００４９】
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。
【００５０】
図２（ａ）、（ｂ）は、二次元周期構造として円孔最密配列を用いた場合を示している。図２（ａ）は円孔最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図２（ｂ）は自発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。
【００５１】
この円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイス１では、第２の半導体層４に孔径2ｒ、孔の深さｄhを有する円孔１１が周期的に配列され、円孔１１の底部１２と発光層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（孔間のピッチ）を備える。
【００５２】
３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，２ｒ，及びｄhによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝λ〜1.5λ
2ｒ＝0.5ａ〜0.6ａ
ｄh＝0.5λ〜λ
において、光の取り出し効率が最大となる。
【００５３】
また、図２（ｃ）は円錐突起最密配列による二次元周期構造１０の平面を示し、図２（ｄ）は自発光デバイス１及び二次元周期構造１０の側面を示している。
【００５４】
なお、以下では円錐突起最密配列を用いて説明するが、円錐突起最密配列は錘状突起最密配列の一例に過ぎず、角錘突起体を最密配列する角錘突起最密配列としてもよい。
【００５５】
この円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイス１（発光面は円錐突起によって完全に満たされているものとする）では、第２の半導体層４に角度θを有する円錐突起１３が周期的に配列され、円錐突起１３の底部１４と発光層３の上部との間の距離をｄsとしている。二次元周期構造を定めるパラメータとして格子常数ａ（円錐突起間のピッチ）、及び角度θを備える。
【００５６】
３次元光波シミュレーションの結果によれば、これらのパラメータａ，θによって光の取り出し効率が変化し、
ａ＝0.5λ〜λ
θ＝60°〜65°
において、光の取り出し効率が最大となる。
【００５７】
なお、上記光の取り出し効率は、後述するように、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの光取り出し量を基準とした比較によって得ている。
【００５８】
また、３次元光波シミュレーションの結果によれば、発光層３の上部と二次元周期構造１０の底部（図２（ｂ）に示す円孔最密配列の底部１２、図２（ｄ）に示す円錐突起最密配列の底部１４）との距離ｄsを0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとすることによって、光の取り出し効率が向上する。
【００５９】
距離ｄsを0.3λ〜λとして、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を厚い構成とした場合には、発光層３で自由発光する光の発光層からの取り出しを高め、また、距離ｄsを0.1λ〜0.3λとして、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離を薄い構成とした場合には、発光層からの取り出しと共に、発光面からの光放射をより高めるように光り分布を変化させることで取り出し効率を向上させる。
【００６０】
この二次元周期構造は、モールドや鋳型によって予め二次元周期構造の突起を形成しておき、この突起構造を半導体基板や有機ＥＬ基板に転写することで形成するほか、エピタキシャル等のエッチング処理等によって形成することができる。
【００６１】
この二次元周期構造の形成では半導体層を削る工程を含むため、底部では発光層の近傍まで半導体層を削ることになり、その距離は前記したｄsで定まる。そのため、発光層の上部と二次元周期構造の底部との距離ｄsが薄い構成では、製造プロセス中に発光層を損傷する可能性が高くなるという問題がある。
【００６２】
この場合には、前記した第１の態様の半導体層の屈折率を非対称とする構造と組み合わせ、距離ｄsを0.3λ〜λの厚い構造を採用することによって、この製造プロセス中の発光層の損傷の問題を解決することができる。なお、このときの光の取り出し効率は、後述する図６中の例で示すように、F＝3.61を維持することができる。なお、ここで、Ｆは、二次元周期構造を持たず、また本発明の第１〜第４の何れの態様も備えない構成において取り出される光強度を基準としたときの比率を表している。
【００６３】
二次元周期構造の周期性は、１／２周期〜２周期の周期範囲で周期ずれを許容することができる。図３は二次元周期構造の周期性と出力との関係を示す図である。
【００６４】
図３（ａ），図３（ｂ）は、二次元周期構造が円孔最密配列の例であり、図３（ａ）に示す仕様の二次元周期構造において、ａ/λで規格化したピッチ（横軸）に対する強度（縦軸）を、ｄ/λをパラメータとして示している。また、図３（ｃ），図３（ｄ）は、二次元周期構造が円錐突起最密配列の例であり、図３（ｃ）に示す仕様の二次元周期構造において、ａ/λで規格化したピッチ（横軸）に対する強度（縦軸）を、θをパラメータとして示している。
【００６５】
上記した図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、ピッチａ/λが０．５〜２．０の範囲であれば、出力が有効的に高まることが確認される。したがって、二次元周期構造の周期性は、規格化したピッチａ/λで表したとき０．５〜２．０の周期範囲内で周期ずれを許容することができる。
【００６６】
また、図３（ｅ）は、二次元周期構造の周期性のずれと散乱性と回折性との関係を示している。図３（ｅ）では、ａ/λ（ａ：格子常数、λ：波長）で表される規格化されたピッチに対して、１〜６の間で出力が高まることが確認され、そのうち、散乱性と回折性の寄与の程度を示している。
【００６７】
図３（ｅ）によれば、二次元周期構造の周期性は、規格化したピッチａ/λで表したとき１．０〜６．０の周期範囲内で周期ずれを許容することができる
【００６８】
次に、本発明の第３の態様を図３を用いて説明する。
【００６９】
図４において、第３の態様の自発光デバイス１は、第１の態様と同様に自発光デバイスを構成する半導体層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させるものであって、中間層を備える多層構造とする態様である。
【００７０】
自発光デバイス１は、第１の半導体層２と、この第１の半導体層２上に重なる発光層３と、この発光層３上に重なる第２の半導体層４と、この第２の半導体層４内に中間層５を備えた多層構造である。
【００７１】
この中間層５の第１の形態は、屈折率を発光層３に近い値とし、かつ、発光層３が発光する光を吸収しない媒質により形成する。また、第２の形態は、中間層５の屈折率を半導体層２，４の屈折率よりも高く形成する。中間層５の厚さは、例えば、λを真空中波長としたとき0.5λ以上とする。
【００７２】
例えば、半導体層２，４をAlGaNのクラッド層としたときの屈折率を2.5とし、InGaNの発光層３の屈折率を3.0とした場合には、中間層５をAlGaNのAlの組成を低くすることでその屈折率を2.8とする。
【００７３】
また、この第３の態様は、前記した第２の態様と組み合わせることができ、第２の半導体層に二次元周期構造１０を設け、この二次元周期構造１０内に中間層５を設けた多層構造とし、二次元周期構造の底部と発光層の上部との距離を0.1λ〜0.3λ、又は0.3λ〜λとする構成としてもよい。
【００７４】
図４（ａ）は、二次元周期構造を備えない発光面に周期構造を形成しない構成例であり、図４（ｂ）は、二次元周期構造として円孔最密配列を備えた構成例であり、図４（ｃ）は、二次元周期構造として円錐突起最密配列を備えた構成例である。
【００７５】
多層構造による自発光デバイスは、非対称構造で強度ｄsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成と同様の効果を奏することができる。これは、発光層の導光は、第２の高屈折率の半導体層と結合し、二次元周期構造の格子によって強く回折されるからである。
【００７６】
次に、本発明の第４の態様を図５を用いて説明する。
【００７７】
図５において、第４の態様の自発光デバイス１は、発光面に二次元周期構造１０を備えると共に、第１の態様と同様に自発光デバイスを構成する層の屈折率分布によって光の取り出し効率を向上させる態様である。
【００７８】
この第４の態様の自発光デバイス１は、第１の層と、第１の層上に重なる発光層と、発光層上に重なる第２の層とを備える。第２の層の表面、又はこの第２の層上に重なる層の表面は二次元周期構造を有する。ここで、第１の層は低屈折率層とし、その屈折率は、発光層よりも低く、かつ、第２の層と同じ若しくは低く設定する。
【００７９】
第４の態様は複数の形態とすることができる。図５（ａ）〜図５（ｃ）は第４の態様の各形態を示している。
【００８０】
図５（ａ）に示す第４の態様の第１の形態は、第１の層である低屈折率層２０を発光層３の下方に直接設ける構成である。
【００８１】
なお、発光層３と低屈折率層２０とを直接接合する構成において、両者の間で良好な接合性が得られない場合には、低屈折率層２０上に半導体層（例えば、p-GaN層）等の別の層を挟んで発光層３を重ねる構成としてもよい。この場合、間に挟んだ半導体層には、発光層３に給電する一方の電極を設けることができる。p-GaN層は、電気抵抗を低く、厚さを薄くすることができるため、低屈折率層２０と発光層３との間に挟む層として有効に用いることができる。
【００８２】
図５（ｂ）に示す第４の態様の第２の形態は、発光層３を挟む上方の二次元周期構造１０と下方の半導体層を単一層３０で形成し、発光層３の下方の単一層内に低屈折率層２０を挟んで設ける構成である。
【００８３】
また、図５（ｃ）に示す第４の態様の第３の形態は、発光層３を挟む上方の二次元周期構造１０と下方の半導体層を単一層３０で形成し、この単一層３０の下方に低屈折率層２０を設ける構成である。
【００８４】
この第４の態様において、低屈折率層２０は、発光層３よりも低屈折率であり、かつ、二次元周期構造等を構成する他の層と同等あるいは低い屈折率とする。
【００８５】
なお、第４の態様の低屈折率層２０は、単一の屈折率で構成する他、屈折率を順次変化させて多層膜構成とすることもできるが、本発明の第４の態様は、発光層の下方に単に低屈折率層を設けるという簡易な構成によって、発光効率を高めることができる点を特徴的に備える。
【００８６】
なお、低屈折率層の厚さは、発光層の発光の波長と同程度の長さが適当である。例えば、発光層周辺の屈折率を2.4とし低屈折率層の屈折率を2.2としたときに、発光層からは青色ＬＥＤの波長であるおよそ0.5μmの光が発光する。このとき、発光効率の増大する効果は、低屈折率層の厚さが増すにつれて増加し、波長と同程度の0.5μm程度の厚さで飽和する。この低屈折率層の厚さは、波長と同程度であればある程度の範囲で幅を持たせることができ、例えば、0.4μmであっても発光効率を十分に増大させることができる。
【００８７】
また、発光効率の増大効果が波長と同程度の厚さで飽和するということは、低屈折率装置の厚さがこれよりも厚い場合であっても同じ効果を奏することができることを意味している。
【００８８】
なお、この波長と同程度とする本発明の低屈折率層の厚さは、通常発光層の下側に設ける半導体層の厚さと比較したとき数倍以上の厚さである。
【００８９】
また、低屈折率層の屈折率を、例えば、2.0〜1.6程度に下げた場合には、波長と同程度の厚さよりも薄い方向であって同様の効果を奏することができる。これは、発光層との屈折率の差が大きいことによって、発光層から低屈折率層へ光がしみ出す程度が低下するためである。
【００９０】
この2.0〜1.6程度の屈折率は、Al２O３（サファイア）、AlN（窒化アルミ）の屈折率に相当するため、Al２O３（サファイア）、AlN（窒化アルミ）の基板を低屈折率層として用いることで、本発明の自発光デバイスを構成することができる。
【００９１】
以下、二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率を、単一層の構造における光強度を基準として３次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図６を用いて示す。
【００９２】
なお、図６（ａ）は単一層の構造の平面図であり、図６（ｂ）〜図６（ｆ）は単一層の構造の側面図である。図６（ｃ）は屈折率を異ならせる非対称構造、図６（ｄ）は屈折率を等しくする対称構造、図６（ｅ）は第２の半導体層に中間層を備える多層構造、図６（ｆ）は発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造、及び単一層の構造における光強度を基準としたときの光の取り出し効率Ｆを示している。なお、図６では、発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。
【００９３】
図６（ｂ）に示す単一層による構造では、第１の半導体層２、発光層３、及び第２の半導体層４の各屈折率は2.8とし、このときに得られる光の強度を基準として“1.00”とする。
【００９４】
図６（ｃ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.14”となる。
【００９５】
図６（ｄ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.02”となる。
【００９６】
図６（ｅ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“1.02”となる。
【００９７】
また、図６（ｆ）に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、単一層による構造の光強度を基準として“2.74”となる。
【００９８】
次に、図７，８を用いて、二次元周期構造を備える自発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率を、前記図６で示した二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの場合を基準として示す。
【００９９】
ここでは、３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスでは、ａ＝1.5λ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝λとし、円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスではａ＝0.5λ、θ＝63°とした３次元光波シミュレーション結果である。
【０１００】
図７は、円孔最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、単一層の構造（図７（ｂ），図７（ｇ））、屈折率を異ならせる非対称構造（図７（ｃ），図７（ｈ））、屈折率を等しくする対称構造（図７（ｄ），図７（ｉ））、第２の半導体層に中間層を備える多層構造（図７（ｅ），図７（ｊ））、発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造（図７（ｆ），図７（ｋ））の各構造における光の取り出し効率を比較する。
【０１０１】
なお、図７（ｂ）〜図７（ｆ）は、二次元周期構造の底部と発光層との距離ｄsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図７（ｇ）〜図７（ｋ）は、距離ｄsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、図７の発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。
【０１０２】
はじめに、距離ｄsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図７（ｂ）〜図７（ｆ）を用いて説明する。
【０１０３】
図７（ｂ）に示す単一層による構造では、第１の半導体層２、発光層３、及び第２の半導体層４の各屈折率は2.8とし、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度を基準“1.00”としたとき“1.72”となる。
【０１０４】
図７（ｃ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“2.94”となる。
【０１０５】
図７（ｄ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.84”となる。
【０１０６】
図７（ｅ）に示す多層構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“2.20”となる。
【０１０７】
また、図７（ｆ）に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“3.62”となる。
【０１０８】
次に、距離ｄsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図７（ｇ）〜図７（ｋ）を用いて説明する。
【０１０９】
図７（ｇ）に示す単一層による構造では、前記図７（ｂ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.79”となる。
【０１１０】
図７（ｈ）に示す非対称構造では、前記図７（ｃ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“3.97”となる。
【０１１１】
図７（ｉ）に示す対称構造では、前記図７（ｄ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.24”となる。
【０１１２】
図７（ｊ）に示す多層構造では、前記図７（ｅ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“3.20”となる。
【０１１３】
図７（ｋ）に示す対称構造では、前記図７（ｆ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“3.64”となる。
【０１１４】
次に、図８は、円錐突起最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、単一層の構造（図８（ｂ），図８（ｇ））、屈折率を異ならせる非対称構造（図８（ｃ），図８（ｈ））、屈折率を等しくする対称構造（図８（ｄ），図８（ｉ））、第２の半導体層に中間層を備える多層構造（図８（ｅ），図８（ｊ））、発光面を樹脂カバーで覆う樹脂被覆構造（図８（ｆ），図８（ｋ））の各構造における光の取り出し効率を比較する。
【０１１５】
なお、図８（ｂ）〜図８（ｆ）は、二次元周期構造の底部と発光層との距離ｄsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図８（ｇ）〜図８（ｋ）は、距離ｄsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、図８の発光面が面する空気の屈折率を1.0とする。
【０１１６】
はじめに、距離ｄsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図８（ｂ）〜図８（ｆ）を用いて説明する。
【０１１７】
図８（ｂ）に示す単一層による構造では、第１の半導体層２、発光層３、及び第２の半導体層４の各屈折率は2.8とし、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.11”となる。
【０１１８】
図８（ｃ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“3.61”となる。
【０１１９】
図８（ｄ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“2.24”となる。
【０１２０】
図８（ｅ）に示す多層構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“2.50”となる。
【０１２１】
また、図８（ｆ）に示す対称構造では、前記した単一層による構造の発光面に、屈折率1.45の樹脂で被覆する。この構造により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の単一層による構造の光強度基準に対して“3.62”となる。
【０１２２】
次に、距離ｄsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図８（ｇ）〜図８（ｋ）を用いて説明する。
【０１２３】
図８（ｇ）に示す単一層による構造では、前記図８（ｂ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.19”となる。
【０１２４】
図８（ｈ）に示す非対称構造では、前記図８（ｃ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“4.22”となる。
【０１２５】
図８（ｉ）に示す対称構造では、前記図８（ｄ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“3.47”となる。
【０１２６】
図８（ｊ）に示す多層構造では、前記図８（ｅ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“4.20”となる。
【０１２７】
図８（ｋ）に示す対称構造では、前記図８（ｆ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図６（ｂ）の構造で得られる光の強度基準に対して“3.67”となる。
【０１２８】
上記図６，７，８に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表１となる。
【０１２９】
【表１】
2006310721.tif 000003
【０１３０】
なお、上記表において、（  ）内の数字は、各構造において二次元周期構造を備えない平面構造を基準“1.00”としたときの比率を示している。
【０１３１】
これらのシミュレーション結果によれば、樹脂カバーの層が設けられる場合には、単一層の場合と比較して、2.74倍に向上される。したがって、樹脂カバーの層が設けられる場合における二次元周期構造の効果は、せいぜい１．３倍程度である。各層を調整することでＦ＝1.5とすることができるが、樹脂カバーの層の場合にはＦ＞＞2にすぎない。
【０１３２】
以下、二次元周期構造を備えず樹脂カバー等の層で被覆した平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率を、単一層の構造における光強度を基準として３次元光波シミュレーションにより求めた結果を、図９の側面図を用いて示す。
【０１３３】
なお、図９（ａ）は単一層の構造の側面図である。図９（ｂ）は屈折率を異ならせる非対称構造、図９（ｃ）は屈折率を等しくする対称構造、図９（ｄ）は第２の半導体層に中間層を備える多層構造、図９（ｅ），図９（ｆ）は発光層の下方に屈折率層を備える構造であり、図９（ｅ）は単一層内に低屈折率層２０を挟む構造を示し、図９（ｆ）は第１の層２の下方に低屈折率層２０を設ける構造を示すと共に、単一層の構造における光強度を基準“1.00”としたときの光の取り出し効率Ｆを示している。なお、図９では、樹脂カバーの屈折率を1.45としている。
【０１３４】
図９（ａ）に示す単一層による構造では、第１の半導体層２、発光層３、及び第２の半導体層４の各屈折率は2.8とし、樹脂カバーの屈折率を1.45とし、このときに得られる光の強度を“1.00”とし、強度基準とする。
【０１３５】
図９（ｂ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“0.99”となる。
【０１３６】
図９（ｃ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“0.99”となる。
【０１３７】
図９（ｄ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“0.98”となる。
【０１３８】
図９（ｅ）に示す対称構造では、屈折率を2.8とした単一層の第１の半導体層２内に、屈折率が2.8以下の低屈折率層２０を挟む。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“0.94”となる。
【０１３９】
図９（ｆ）に示す対称構造では、屈折率を2.8とした第１の半導体層２の下方に屈折率が2.8以下の低屈折率層２０を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“0.95”となる。
【０１４０】
なお、図９（ａ）に示すに単一層による構造の光強度は、図６（ｂ）の樹脂カバーの被覆を備えない自発光デバイスによる構造の光強度を基準とした場合には、図６（ｆ）で示したように“2.74”となるため、前記した図９（ａ）〜図９（ｆ）の各構造による光強度は、前記した数値を“2.74”倍した強度となる。
【０１４１】
次に、図１０，１１を用いて、二次元周期構造を備え、かつ被覆構造とした自発光デバイスについて、各構造の光取り出し効率を、前記図９で示した二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの場合を基準として示す。
【０１４２】
ここでは、３次元光波シミュレーションの結果により得られた最適なパラメータ範囲に基づいて、円孔最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスでは、ａ＝1.5λ、2ｒ＝0.6ａ，ｄh＝λとし、円錐突起最密配列の二次元周期構造を備える自発光デバイスではａ＝0.5λ、θ＝63°とした３次元光波シミュレーション結果である。
【０１４３】
図１０は、円孔最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、屈折率を異ならせる非対称構造（図１０（ａ），図１０（ｆ））、屈折率を等しくする対称構造（図１０（ｂ），図１０（ｇ））、第２の半導体層に中間層を備える多層構造（図１０（ｃ），図１０（ｈ））、単一層内に低屈折率層２０を挟む構造（図１０（ｄ），図１０（ｉ））、発光層の下方に屈折率層を備える構造（図１０（ｅ），図１０（ｊ））の各構造における光の取り出し効率を比較する。
【０１４４】
なお、図１０（ａ）〜図１０（ｅ）は、二次元周期構造の底部と発光層との距離ｄsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図１０（ｆ）〜図１０（ｊ）は、距離ｄsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、樹脂カバーの屈折率は1.45とする。
【０１４５】
はじめに、距離ｄsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図１０（ａ）〜図１０（ｅ）を用いて説明する。
【０１４６】
図１０（ａ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.69”となる。
【０１４７】
図１０（ｂ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.24”となる。
【０１４８】
図１０（ｃ）に示す多層構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.37”となる。
【０１４９】
また、図１０（ｄ）に示す低屈折率層の構造では、第１の半導体層２内に、発光層３の屈折率（2.8）よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層２０を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.73”となる。
【０１５０】
また、図１０（ｅ）に示す低屈折率層の構造では、発光層３の下方に、発光層３の屈折率（2.8）よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層２０を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.73”となる。
【０１５１】
次に、距離ｄsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図１０（ｆ）〜図１０（ｊ）を用いて説明する。
【０１５２】
図１０（ｆ）に示す非対称構造では、前記図１０（ａ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.27”となる。
【０１５３】
図１０（ｇ）に示す対称構造では、前記図１０（ｂ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.60”となる。
【０１５４】
図１０（ｈ）に示す多層構造では、前記図１０（ｉ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.83”となる。
【０１５５】
図１０（ｉ）に示す低屈折率層構造では、前記図１０（ｄ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.91”となる。
【０１５６】
図１０（ｊ）に示す低屈折率層構造では、前記図１０（ｅ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.88”となる。
【０１５７】
次に、図１１は、円錐突起最密配列の二次元周期構造の場合であり、平面構造の光取り出し効率を基準として、屈折率を異ならせる非対称構造（図１１（ａ），図１１（ｆ））、屈折率を等しくする対称構造（図１１（ｂ），図１１（ｇ））、第２の半導体層に中間層を備える多層構造（図１１（ｃ），図１１（ｈ））、単一層内に低屈折率層２０を挟む構造（図１１（ｄ），図１１（ｉ））、発光層の下方に屈折率層を備える構造（図１１（ｅ），図１１（ｊ））の各構造における光の取り出し効率を比較する。
【０１５８】
なお、図１１（ａ）〜図１１（ｅ）は、二次元周期構造の底部と発光層との距離ｄsを0.3λ〜λとする厚い構成の場合であり、図１１（ｆ）〜図１１（ｊ）は、距離ｄsを0.1λ〜0.3λとする薄い構成の場合である。また、樹脂カバーの屈折率は1.45とする。
【０１５９】
はじめに、距離ｄsが0.3λ〜λの厚い構成の場合について図１１（ａ）〜図１１（ｅ）を用いて説明する。
【０１６０】
図１１（ａ）に示す非対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.78とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.96”となる。
【０１６１】
図１１（ｂ）に示す対称構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.47”となる。
【０１６２】
図１１（ｃ）に示す多層構造では、第１の半導体層２の屈折率を2.5、発光層３の屈折率を2.8、第２の半導体層４の屈折率を2.5、第２の半導体層４内に設けた中間層５の屈折率を2.5とする。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.58”となる。
【０１６３】
また、図１１（ｄ）に示す低屈折率層の構造では、第１の半導体層２内に、発光層３の屈折率（2.8）よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層２０を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.99”となる。
【０１６４】
また、図１１（ｅ）に示す低屈折率層の構造では、発光層３の下方に、発光層３の屈折率（2.8）よりも低く、かつ、他の層の屈折率と同等あるいは低い屈折率の低屈折率層２０を設ける。この構造により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の単一層による構造の光強度基準に対して“1.97”となる。
【０１６５】
次に、距離ｄsが0.1λ〜0.3λの薄い構成の場合について図１１（ｆ）〜図１１（ｊ）を用いて説明する。
【０１６６】
図１１（ｆ）に示す非対称構造では、前記図１１（ａ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.37”となる。
【０１６７】
図１１（ｇ）に示す対称構造では、前記図１１（ｂ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“1.95”となる。
【０１６８】
図１１（ｈ）に示す多層構造では、前記図１１（ｉ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.1”となる。
【０１６９】
図１１（ｉ）に示す低屈折率層構造では、前記図１１（ｄ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.21”となる。
【０１７０】
図１１（ｊ）に示す低屈折率層構造では、前記図１１（ｅ）と同様の構成において、ｄsを0.1λ〜0.3λとする構成により得られる光の取り出し効率は、図９（ａ）の構造で得られる光の強度基準に対して“2.13”となる。
【０１７１】
上記図９，１０，１１に示したシミュレーション結果をまとめると、以下の表２となる。
【０１７２】
【表２】
2006310721.tif 000004
【０１７３】
なお、上記表において、（  ）内の数字は、各構造において二次元周期構造を備えない平面構造を基準“1.00”としたときの比率を示している。
【０１７４】
これらのシミュレーション結果によれば、発光層の下方に低屈折率層を設けるという簡易な構成であっても、光の取り出し効率を1.73倍〜2.13倍に向上する。
【０１７５】
図１２は、前記した図６〜図１１をまとめて一つの図で示している。図１２において、上段の左側の１列は図６を示し、上段の左側から第２，３列は図７を示し、上段の右側の２列は図８を示している。また、下段の左側の１列は図９を示し、上段の左側から第２，３列は図１０を示し、上段の右側の２列は図１１を示している。
【０１７６】
前記図９〜図１１及び図１２の下段は、波長λ＝４００μｍで発光層の屈折率を2.8としたときのシミュレーション結果である。これに対して、図１３は波長λ＝４００μｍで発光層の屈折率を2.4としたときのシミュレーション結果である。屈折率が2.4の場合の光の取り出し効率は、屈折率が2.8の場合よりも低くなるが同様に傾向を示すことが観察される。
【０１７７】
次に、本発明の自発光デバイスの第４の態様の構成例、及び形成方法について図１４、図１５を用いて説明する。
【０１７８】
図１４（ａ）は、自発光デバイスの第４の態様の第１の構成例である。この構成例は、発光層３ａの上方に二次元周期構造の第２の層１０ａを備え、発光層３ａの下方に層３１を挟んで第１の層の低屈折率層２０ａを備える。発光層３ａは例えばInGaNで形成され、第１の層の低屈折率層２０ａは例えば、AlGaN、Al２O３、（サファイア）、AlN（窒化アルミ）等で形成することができる。また、第２の層１０ａはn-GaNとし、層３１はp-GaNとすることができ、それぞれ、AlGaNのAlの組成を変えることで形成することができる。
【０１７９】
発光層３ａへの電流供給は、第２の層１０ａに設けた電極３２と、層３１に設けた電極３３によって行うことができる。
【０１８０】
なお、n-GaNは厚く形成することができるため、第２の層１０ａに用いることで、二次元周期構造を切削で形成した際に、下方の発光層３ａへの損傷を低減させることができる。また、p-GaNはn-GaNよりも電気抵抗が低いため、発光層３ａの面状への電流供給が容易となる。
【０１８１】
図１４（ｂ）は、自発光デバイスの第４の態様の第２の構成例である。この構成例は、発光層３ａの上方に二次元周期構造の第２の層１０ａを備え、発光層３ａの下方の第１の層１０ｂと１０ｃとの間に低屈折率層２０ａを挟んで備える。
【０１８２】
発光層３ａは例えばInGaNで形成され、第１の層の低屈折率層２０ａは例えば、AlGaN、Al２O３（サファイア）、AlN（窒化アルミ）等で形成することができる。また、第１の層１０ｂ、１０ｃ、及び第２の層１０ａはn-GaNで形成することができる。
【０１８３】
発光層３ａへの電流供給は、第２の層１０ａに設けた電極３２と、第１の層１０ｂに設けた電極３３によって行うことができる。
【０１８４】
図１４（ｃ）は、自発光デバイスの第４の態様の第３の構成例である。この構成例は、発光層３ａの上方に二次元周期構造の第２の層１０ａを備え、発光層３ａの下方に第１の層１０ｂと低屈折率層２０ａを備える。
【０１８５】
発光層３ａは例えばInGaNで形成され、第１の層の低屈折率層２０ａは例えば、AlGaN、Al２O３、（サファイア）、AlN（窒化アルミ）等で形成することができる。また、第１の層１０ｂ、及び第２の層１０ａはn-GaNで形成することができる。
【０１８６】
発光層３ａへの電流供給は、第２の層１０ａに設けた電極３２と、第１の層１０ｂに設けた電極３３によって行うことができる。
【０１８７】
図１５は、本発明の自発光デバイスの第４の態様を形成する手順例を示す図であり、図１４（ａ）の構成例を例として示している。
【０１８８】
はじめに、n-GaNの層の上に発光層となるInGaNの層を形成し、さらにInGaNの層に上方にp-GaNの層、Al２O３層（サファイア）を形成する。なお、n-GaNの層、p-GaNの層はAlGaNのAlの組成を変えることで形成することができる（図１５（ａ））。
【０１８９】
図１５（ａ）で形成した積層を反転させ、下方から、Al２O３層（サファイア）、p-GaNの層、InGaNの層、n-GaNの層とする（図１５（ｂ））。
【０１９０】
図１５（ａ）で反転させた積層を上方から切削し、n-GaNの層に二次元周期構造と電極用の平面を形成させ、p-GaNの層の一部を露出させる（図１５（ｃ））。
【０１９１】
図１５（ａ）で形成したn-GaNの層上の平面に電極３２を形成し、p-GaNの層の露出面に電極３３を形成する。
【０１９２】
自発光デバイスの発光波長が紫外線の領域である場合には、この紫外線によって樹脂カバーが分解されてしまうため、樹脂カバーを備えた構成は適当でない。したがって、樹脂カバーを備えた構成において、光の取り出し効率を向上させるには、二次元周期構造を備えた構成が有効である。
【０１９３】
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。
【０１９４】
シミュレーション結果によれば、円錐突起周期構造において、自発光デバイスのサイズが固定であり、格子定数ａが６λまで可変である場合には、光の取り出し効率は最大値の半分まで低下する。このことは、各要素での光散乱、及びフォトニック結晶の周期性による光の回折は、光の取り出し効率に対して同程度に寄与していることを表している。
【０１９５】
また、格子常数ａの依存性が小さいことから、フォトニック結晶は光の取り出し効率に大きく寄与している。また、要素のサイズと最密配列の程度が、構造がローカルで周期的で最適な最密配列から大きくずれていない程度に適正化されていれば、他の表面構造であっても同様の効果を得ることを期待することができる。
【０１９６】
上記説明では、自発光デバイスを構成する各層を半導体層とする例を用いて説明しているが、本発明は、有機ＥＬのように、半導体層に限らずガラス基板等の他の組成による構成の自発光デバイスに対しても適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
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】
【０１９８】
【図１】本発明の第１の態様を説明するための図である。
【図２】本発明の第２の態様を説明するための図である。
【図３】二次元周期構造の周期性と出力との関係を示す図である。
【図４】本発明の第３の態様を説明するための図である。
【図５】本発明の第４の態様を説明するための図である。
【図６】本発明の二次元周期構造を備えない平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図７】本発明の円孔最密配列の二次元周期構造を備えた自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図８】本発明の円錐突起最密配列の二次元周期構造を備えた自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図９】本発明の樹脂カバーで被覆した平面構造の自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率シミュレーション結果を説明するための図である。
【図１０】本発明の円孔最密配列の二次元周期構造を備えかつ被覆構造とした自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図１１】本発明の円錐突起最密配列の二次元周期構造を備えかつ被覆構造とした自発光デバイスの各構造の光の取り出し効率のシミュレーション結果を説明するための図である。
【図１２】本発明の自発光デバイスのシミュレーション結果の一覧を示す図である。
【図１３】本発明の自発光デバイスのシミュレーション結果の一覧を示す図である。
【図１４】本発明の自発光デバイスの第４の態様の構成例を説明するための図である。
【図１５】本発明の自発光デバイスの第４の態様の構成例の形成方法説明するための図である。
【符号の説明】
【０１９９】
１…自発光デバイス
２…第１の半導体層
３，３ａ…発光層
４…第２の半導体層
５…中間層
６…樹脂カバー
１０…二次元周期構造
１０ａ…第２の層
１０ｂ、１０ｃ…第１の層
１１…円孔
１２…底部
１３…円錐突起
１４…底部
２０，２０ａ…低屈折率層
３０…単一層
３１…層
３２，３３…電極
【図１】
2006310721.tif 000005
【図２】
2006310721.tif 000006
【図３】
2006310721.tif 000007
【図４】
2006310721.tif 000008
【図５】
2006310721.tif 000009
【図６】
2006310721.tif 000010
【図７】
2006310721.tif 000011
【図８】
2006310721.tif 000012
【図９】
2006310721.tif 000013
【図１０】
2006310721.tif 000014
【図１１】
2006310721.tif 000015
【図１２】
2006310721.tif 000016
【図１３】
2006310721.tif 000017
【図１４】
2006310721.tif 000018
【図１５】
2006310721.tif 000019