(57)【要約】【課題】  発光効率を向上させると共に、製造工程数及び製造コストを低減可能な発光装置を提供する。【解決手段】  一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた放射光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶とからなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、
前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた放射光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶と、
を有することを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光ダイオードは、基板に、第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層によってこれらの間に画成されたＰＮ接合領域からなる活性層とが形成されてなる発光構造を具え、
前記第１の半導体層は、前記基板上に形成され、
前記基板は、前記第１の半導体層と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオードの前記一の面及び前記他の面のいずれか一方と一致することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記全指向性フォトニック結晶は、複数の周期的積層型誘電体層を有し、
該積層型誘電体層のそれぞれは、互いの屈折率の差が０．５８以上になる第１及び第２の誘電体層が積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
格子定数ａを前記周期的積層型誘電体層全体の膜厚と定義し、光速をｃと表したとき、
前記第１の誘電体層の膜厚が０．２４ａ〜０．６９ａの範囲内、前記第１及び第２の誘電体層の屈折率差が０．９〜１．２の範囲内であり、０．２７ｃ／ａ〜０．３１ｃ／ａの周波数範囲内の全指向性フォトニックバンドギャップが前記全指向性フォトニック結晶において得られ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】
前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、Ｎｄ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、及びＺｎＳからなる群から選ばれた１つより構成され、
前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｌａ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＷＯ3、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＳｒＦ2、ＢａＦ2、ＡｌＦ3、ＬａＦ3、ＮｄＦ3、ＹＦ3、及びＣｅＦ3からなる群から選ばれた１つより構成されることを特徴とする請求項３又は４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１の誘電体層は、ＴｉＯ2より構成され、
前記第２の誘電体層は、ＳｉＯ2より構成され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】
前記発光ダイオードは、透明基板に、第１及び第２の半導体層と、前記第１及び第２の半導体層によってこれらの間に画成されたＰＮ接合領域からなる活性層とが形成されてなる発光構造を具え、
前記第１の半導体層は、前記透明基板上に形成され、
前記第２の半導体層は、前記活性層と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオードの前記一の面及び前記他の面のいずれか一方と一致することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
さらに、前記第１及び第２の半導体層と連結される放熱手段を有することを特徴とする請求項７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、発光ダイオードのある一の面及び他の面のいずれかに全指向性フォトニック結晶が設けられてなる発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の発光素子３を概略的に示す。該発光素子３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１２と、該ＬＥＤ１２に埋め込まれた分布ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector；DBR）１４とからなる。前記ＬＥＤ１２には、基板１１上に形成されたＮ型半導体層１２１と、Ｐ型半導体層１２４と、前記Ｎ型半導体層１２１とＰ型半導体層１２４との間に介在する活性層１２３と、前記Ｎ型半導体層１２１及びＰ型半導体層１２４のそれぞれに形成されたＮ型電極１２２及びＰ型電極１２５とが設けられている。前記ＤＢＲ１４は、前記基板１１と前記Ｎ形半導体層１２１との間に介在する積層型誘電体層１４１、１４２の周期的積層構造を具えており、前記ＤＢＲ１４の誘電率の周期的な変化によって、発生した光を反射することで前記ＬＥＤ１２の発光効率を高めることができる。
【０００３】
前記ＤＢＲ１４のエピタキシャル成長に大きな格子のミスマッチがあると、前記ＬＥＤ１２の発光効率低減につながるので、前記ＤＢＲ１４には前記ＬＥＤ１２の半導体材料と同様な材料を用いるほうがよい。しかしながら、当該構成によると、ある入射角たとえば法線方向からによる入射光しか全反射しないので、入射角により反射性を低下することがある。
【０００４】
図２は、他の従来の発光素子４の構成を概略示す。該発光素子４は、基板１１の一の面に設けたＬＥＤ１２と、前記基板１１の他の面に形成された金属反射器１５とからなり、前記金属反射器１５によって前記ＬＥＤ１２から発生した光を全反射することができ、発光効率を向上させる。
【０００５】
前記発光素子４は、基板（ウエハ）１１の一面に前記ＬＥＤダイが積層されるようにカットし、カットされたダイごとに金属ペーストを塗布して金属反射器１５が形成されることによってが形成されるが、前記ウエハのカットされたＬＥＤダイごとの塗布は、大変間がかかる。
【０００６】
一方、前記ウエハのカッティング工程においては、前記ウエハのアラインメントを正確に行うために、前記光源から前記ウエハを通しての光の投射は、前記検知器により検出されるようでなければならない。このため、前記ウエハのカッティング前に前記ウエハ上に金属ペーストを塗布すると、前記従来の発光素子４の前記金属反射器１５における光源からの光が反射され、前記カッティング工程を行うことができなくなる。そこで、検知器へ光を送るための光帰還装置を余分に設置しなければならないため、生産コストを増す。
【０００７】
なお、カッティング工程は、上述のように通常半導体素子と反対側の面から行う。それは、ウエハの半導体素子側から行うと、生じた熱が溜って前記ＬＥＤダイにダメージを与えるからである。
【０００８】
また、参考として、米国特許第６，１３０，７８０号明細書には、全指向性が高い反射器が開示されており、該反射器は平面状周期フォトニック構造を有し、平面に直角の屈折率変化をさせることができるので、特定の周波数範囲における全ての入射角と極性をもった光に対して全反射をさせることができる。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，１３０，７８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、発光ダイオード（ＬＥＤ）と該ＬＥＤの一の面及び他の面の少なくともいずれかに形成される全指向性フォトニック結晶とからなる発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、本発明によれば、一の面及び該一の面と対面した他の面を有する発光ダイオードと、前記一の面及び前記他の面のいずれかに形成され、その誘電率が周期的な変化を示し、所定の周波数範囲における全指向性フォトニックバンドギャップを生じるように構成され、前記発光ダイオードの前記一の面及び他の面の他方から生じた光線を向上するよう全ての入射角と分極をもつ光を反射することができると共に、前記周波数範囲外の周波数を有する光線の少なくとも一部を透過させる全指向性フォトニック結晶と、を有することを特徴とする発光素子により達成される。
【発明の効果】
【００１２】
上記の構成によれば、発光効率を向上させると共に、製造工程数及び製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図３と図４は、本発明の第１実施形態に係る発光素子の構造を示す。該発光素子は、一の面６０１と、該一の面６０１と逆向きの他の面６０２を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）６と、この形態では前記他の面６０２に形成される全指向性フォトニック結晶７とを有する。なお、この例においては、該フォトニック結晶７は１次元の周期的な誘電構造をする。本実施形態の発光素子の構造によって、誘電率が周期的な変化を生じ、特定の周波数範囲の全指向性フォトニックバンドギャップを生成することにより、前記全指向性フォトニック結晶７によって、発光ダイオード６から発生した周波数範囲の全入射角及び分極の放射光を全反射することができる。従って、前記一の面６０１と前記他の面６０２の他方からの出射光を向上させると共に、前記周波数範囲から外れた出射光の少なくとも一部は前記全指向性フォトニック結晶７を透過することができる。
【００１５】
前記発光ダイオード６は、基板６１に第１、第２の半導体層６２２、６２５と、前記第１、第２の半導体層６２２、６２５の間に介在する活性層６２４とからなる発光構造を用いる。前記第１及び第２の半導体層６２２、６２５は、夫々Ｎ型半導体層、Ｐ型半導体層からなり、両者が間にＰＮ接合領域を画成しており、このＰＮ接合領域が活性層６２４に相当する。前記第１の半導体層６２２は、前記基板６１上に形成される。前記基板６１は、前記第１の半導体層６２２と反対側に表面を有し、該表面は前記発光ダイオード６の前記一の面６０１と前記他の面６０２の一方、即ち前記他の面６０２である。前記発光素子はさらに、前記第１と第２の半導体層６２２、６２５に、Ｎ型電極８１とＰ型電極８２を備える。
【００１６】
前記全指向性フォトニック結晶７は、複数の周期的積層型誘電体層７１を有し、該積層型誘電体層７１のそれぞれは、図４に示すように、互いに積層された第１の誘電体層７１１及び第２の誘電体層７１２から構成されている。前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1を調整して前記第１の誘電体層７１１と第２の誘電体層７１２との間の屈折率の差が０．５８以上となるように設定することにより、３％以上のバンドギャップ幅をもつ全指向性フォトニック結晶７を得ることができる。図５は、第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1と、バンドギャップ幅と、屈折率差ｎ1−ｎ2間の関係図である。ただし、ｎ1、ｎ2はそれぞれ第１、第２の誘電体層７１１、７１２の屈折率を表す。前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1は、前記全指向性フォトニック結晶７の格子定数に関係があり、ここで、格子定数ａは、前記周期的積層型誘電体層７１全体の膜厚と定義する。
【００１７】
なお、０．２７ｃ／ａ〜０．３１ｃ／ａの周波数範囲、バンドギャップ幅が３％以上の全指向性フォトニックバンドギャップを得るには、前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1を０．２４ａ〜０．６９ａの範囲とし、屈折率差ｎ1−ｎ2を０．９〜１．２とすることが好ましい。ただし、ｃは光速を表す。
【００１８】
また、前記第１の誘電体層７１１の材料としては、例えばＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＺｎＯ、Ｎｄ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｉｎ2Ｏ3、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、ＺｎＳなど、前記第２の誘電体層７１２の材料としては、例えばＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ｌａ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3、ＷＯ3、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ2、ＣａＦ2、ＳｒＦ2、ＢａＦ2、ＡｌＦ3、ＬａＦ3、ＮｄＦ3、ＹＦ3、ＣｅＦ3などが用いられることが好ましく、とりわけ前記第１の誘電体層７１１は、ＴｉＯ2からなり、前記第２の誘電体層７１２は、ＳｉＯ2からなることがより好ましい。
【００１９】
（第２実施形態）
図２１は、本発明の第２実施形態による発光素子を用いる発光装置の一例を示す。この発光素子は、前記全指向性フォトニック結晶７が前記発光ダイオード６のある一の面６０１と他の面６０２のいずれか一面、即ち一の面６０１に形成されているほか、前記第１実施形態と同様な構成を有している。なお、図における同一構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００２０】
前記基板６１は、前記発光ダイオード６から発生する光を透過可能な透明なものを用いる。前記全指向性フォトニック結晶７は、前記発光ダイオード６の一の面６０１から取り出される周波数範囲における発光を全反射する。
【００２１】
また、当該発光装置において、該発光素子の放熱のために、放熱手段９が設けられている。該放熱手段９は、接続部材８３、８３を介して前記第１と第２の半導体層６２２、６２５と連結されている。
【００２２】
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例の範囲に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
この実施例１においては、前記発光ダイオード６の第１、第２の半導体層６２２、６２５は、ＧａＮ系材料より形成し、前記基板６１は、サファイアより形成する。前記発光ダイオード６は、３００ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲のＵＶ光を発生することができる。前記全指向性フォトニック結晶７の形成に当たっては、前記基板６１の他の面６０２に、それぞれの屈折率が２．６、１．４８で、両者の差が１．１２であるＴｉＯ2、ＳｉＯ2を交互に１４回繰り返し電子線蒸着させることにより、第１、第２の誘電体層７１１、７１２を積層して、積層型誘電体層７１を形成する。前記周期的積層型誘電体層７１の格子定数ａは１１０ｎｍであり、前記第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1は、０．４２ａである。
【００２４】
図６は、該実施例１の発光素子の全指向性フォトニックバンド結晶におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図６に２鎖線の間に、周波数範囲が０．２７３ｃ／ａと０．３ｃ／ａとの間のフォトニックバンドギャップを示す。図６における導波モード、ＴＥ、ＴＭ及び波ベクトル或いは波数ｋyの定義には、例えば米国特許第６，１３０，７８０号明細書の記載を援用する。
【００２５】
図７（ａ）、（ｂ）は、該実施例１の第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ2層）の膜厚ｄ1と周波数、全指向性フォトニックバンドギャップ幅との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ1が約０．４２ａであるときは、得られる最大のバンドギャップ幅は約１０％である。
【００２６】
図８は、該実施例１の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００２７】
図９と図１０は、該実施例１の前記基板６１（波長３８５ｎｍのサファイアの屈折率は約１．７）及び前記発光ダイオード６（波長３８５ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．５８）のそれぞれの波長と平均反射率、透過率との関係を示す。結果として、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００２８】
該実施例１の発光素子によれば、波長３６９ｎｍ〜４０１ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が得られる。
【実施例２】
【００２９】
当該実施例２の発光素子では、４２０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長範囲の青色発光をする発光ダイオード６を用いる。第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1は０．４２ａ（格子定数ａは１３４ｎｍ）、第１、第２の誘電体層７１１、７１２のそれぞれの屈折率は２．４２、１．４７で、両者の差が０．９５であることを除き、実施例１の構成と同様である。なお、図における同様な構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。
【００３０】
図１１は、該実施例２の発光素子の全指向性フォトニック結晶７におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図１１における２つの鎖線に示されているように、０．２９１ｃ／ａと０．３０５ｃ／ａとに挟まれたフォトニックバンドギャップを有する。
【００３１】
図１２（ａ）、（ｂ）は、該実施例２の第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ2層）の膜厚ｄ1と全指向性フォトニックバンドギャップの周波数、バンドギャップ幅との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ1が約０．４４ａであるとき最大の約５％のバンドギャップ幅が得られる。
【００３２】
図１３は、該実施例２の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００３３】
図１４と図１５は、該実施例２の前記基板６１及び前記発光ダイオード６（波長４５０ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．４８）それぞれの波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００３４】
該実施例２の発光素子によれば、波長４４０ｎｍ〜４６４ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が実現できる。
【実施例３】
【００３５】
当該実施例３の発光素子は、４８０ｎｍ〜５５０ｎｍの波長範囲の緑色に発光する発光ダイオード６を用いる、第１の誘電体層７１１の膜厚ｄ1は０．４５ａ（格子定数ａは１５１ｎｍ）、第１、第２の誘電体層７１１、７１２のそれぞれの屈折率は２．３６、１．４６で、両者の差が０．９であることを除き、実施例１の構成と同様である。なお、図における同一構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。
【００３６】
図１６は、該実施例３の発光素子の全指向性フォトニック結晶７におけるフォトニックバンド構造を示す図である。当該全指向性フォトニック結晶７のフォトニックバンド構造における導波モードの分散関係において、図１６における２鎖線間、つまり０．２９７ｃ／ａと０．３０８ｃ／ａとの間に示すようなフォトニックバンドギャップを有する。
【００３７】
図１７（ａ）、（ｂ）は、該実施例３の全指向性フォトニックバンドギャップと第１の誘電体層７１１（ＴｉＯ2層）の膜厚ｄ1との関係を示す。前記第１の誘電体層７１１は、膜厚ｄ1が約０．４５ａであるとき、最大約３．５％のバンドギャップ幅が得られる。
【００３８】
図１８は、該実施例３の発光素子の全指向性フォトニック結晶７の波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００３９】
図１９と図２０はそれぞれ、該実施例３の前記基板６１及び前記発光ダイオード６（波長５００ｎｍのＧａＮの屈折率が約２．４４）それぞれの波長と平均反射率との関係を示す。結果として、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲においては、９９．５％以上の反射率が得られる。
【００４０】
該実施例３の発光素子によれば、波長４９２ｎｍ〜５１２ｎｍの範囲において９９．５％以上の反射率が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の発光素子は、製造コストを有効に低減すると共に、発光効率が高い発光素子を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の発光素子の構造を示す概略図である。
【図２】他の従来の発光素子の構造を示す概略図である。
【図３】本発明の第１実施形態による発光素子の構造を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施形態における全指向性フォトニック結晶の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明による第１と第２の誘電体層との屈折率差及び第１の誘電体層の厚さによるフォトニックバンドギャップの関係を示す図である。
【図６】該第１実施形態の実施例１の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。
【図７】（ａ）は該第１実施形態の実施例１の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップ幅の関係を示す図である。
【図８】該第１実施形態の実施例１の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。
【図９】該第１実施形態の実施例１における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。
【図１０】該第１実施形態の実施例１における発光ダイオードの平均反射率を示す図である。
【図１１】該第１実施形態の実施例２の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。
【図１２】（ａ）は該第１実施形態の実施例２の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップの関係を示す図である。
【図１３】該第１実施形態の実施例２の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。
【図１４】該第１実施形態の実施例２における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。
【図１５】該第１実施形態の実施例２における発光ダイオードの平均反射率を示す図である。
【図１６】該第１実施形態の実施例３の誘電体層によるフォトニックバンドギャップ構造を示す図である。
【図１７】（ａ）は該第１実施形態の実施例３の全指向性フォトニック結晶の誘電体層の膜厚と周波数の関係を示す図であり、（ｂ）は該誘電体層の膜厚とバンドギャップの関係を示す図である。
【図１８】該第１実施形態の実施例３の全指向性フォトニック結晶の平均反射率を示す図である。
【図１９】該第１実施形態の実施例３における基板に対する平均反射率と透過率を示す図である。
【図２０】第１実施形態の実施例３による発光素子の発光ダイオードの平均反射率を示す図である。
【図２１】本発明の第２実施形態に係る発光素子の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
６：発光ダイオード（ＬＥＤ）
６０１：一の面
６０２：他の面
６１：基板
６２２：第１の半導体層
６２４：活性層
６２５：第２の半導体層
７：全指向性フォトニック結晶
７１：誘電体
７１１：第１の誘電体層
７１２：第２の誘電体層
８１：Ｎ形電極
８２：Ｐ形電極
８３：接続部材
９：放熱手段
【図１】
2005197650.tif 000003
【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６】
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【図７】
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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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2005197650.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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