(57)【要約】【課題】  所定の周波数帯域の電磁線を生ずるよう多層フォトニック結晶のバンド構造に全指向性フォトニックバンドギャップをもつ反射層で覆われた素子の周期パターンを有するフォトニック結晶を用いた発光装置を提供する。【解決手段】  周期的なパターンを有し所定の遮断周波数以下の導波モードと該遮断周波数以上及び以下の放射モードを有する電磁モードのスペクトルを示す誘電率の周期変化をもたらす素子を設けているフォトニック結晶と、該フォトニック結晶に対して該フォトニック結晶において電磁光を生じさせる発光源と、それぞれの前記素子を覆うように積層された反射層と、を有する。この構成により、フォトニック結晶に、反前記周波数範囲の放射光線を導波モードではなく放射モードと結合させるよう発光源によって導波モードの間に少なくとも全指向性フォトニックバンドギャップを生じることによって、発光効率を向上させることができる。【選択図】  図１
2005197655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的なパターンを有し所定の遮断周波数以下の導波モードと該遮断周波数以上及び以下の放射モードを有する電磁モードのスペクトルを示す誘電率の周期変化をもらたす素子を設けているフォトニック結晶と、
該フォトニック結晶に対して該フォトニック結晶において電磁光を生じさせる発光源と、
それぞれの前記素子を覆うように積層された反射層と、
を有し、
前記フォトニック結晶に、前記周波数範囲の放射光線を前記導波モードではなく前記放射モードと結合させるよう前記発光源によって前記導波モードの間に少なくとも全指向性フォトニックバンドギャップを生じることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
さらに、透明基板を有し、
前記フォトニック結晶は、前記基板に形成され、互いに所定の隙間をなすよう前記基板から離れて該フォトニック結晶の一方の表面から突出して形成される突柱をそなえた素子を形成し、
前記反射層は、前記フォトニック結晶の一方の表面及び前記突柱の一方の表面を被覆するよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記フォトニック結晶は、前記基板に固着された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と組んで間にＰＮ接合が形成される第２の半導体層と、前記第１と第２の半導体層との間に介在される活性層と、を有し、
前記第２の半導体層は、前記フォトニック結晶の内部に食い込むようエッチングされ、前記突柱と前記隙間をそなえた前記素子を形成していることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
さらに、前記第１の半導体層上に形成された第１の電極と、前記第２の半導体層上に形成され前記反射層に接続された第２の電極とを設けていることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
さらに、前記第１と第２の電極と連結する放熱部材が設けられることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
【請求項６】
前記素子は、２次元的に正方格子配列された周期パターンを有することを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
【請求項７】
前記反射層は、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及びクロムよりなる群から選ばれた１つの金属材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項８】
さらに、透明基板を有し、
前記フォトニック結晶は、前記基板に形成され、互いに所定の隙間をなすよう前記基板から離れて該フォトニック結晶の一方の表面から突柱が複数突出したホールを形成するように前記素子が形成され、各前記突柱は、それぞれの一端部が前記フォトニックの前記表面から横断方向へ突出した柱体部を有し、
前記ホールには、前記フォトニック結晶の前記表面を覆うように電気絶縁層が形成され、
前記反射層は、前記電気絶縁層の一方の表面、前記突柱の一方の表面と一端部の周壁を被覆するよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項９】
前記フォトニック結晶は、前記基板に固着された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と組んで間にＰＮ接合が形成された第２の半導体層と、前記第１と第２の半導体層との間に介在される活性層と、を有し、
前記第２の半導体層には、前記フォトニック結晶が深くエッチングされ前記第２の半導体層から前記活性層を介して前記第１の半導体層に至る前記ホールが形成され、
前記電気絶縁層は、各前記突柱の一端部を残しながら前記反射層を前記活性層と電気的に絶縁させるよう形成されていることを特徴とする請求項８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記反射層は、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及びクロムよりなる群から選ばれた１つの金属材料から形成されることを特徴とする請求項９に記載の発光装置。
【請求項１１】
さらに、透明基板を有し、
前記フォトニック結晶は、前記基板に形成され、互いに所定の隙間をなすよう前記基板から離れて該フォトニック結晶の一方の表面から突柱が複数突出したホールを形成するように前記素子が形成され、各前記突柱は、それぞれの一端部が前記フォトニックの前記表面から横断方向へ突出した柱体部を有し、
前記ホールには、前記フォトニック結晶の前記表面と前記突柱の柱体部の周壁を覆うように電気絶縁層が形成され、
前記反射層は、前記電気絶縁層の表面と周壁、前記突柱の一端部の表面を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶は、前記基板に固着された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と組んで間にＰＮ接合が形成された第２の半導体層と、前記第１と第２の半導体層との間に介在される活性層と、を有し、
前記第２の半導体層には、前記フォトニック結晶が深くエッチングされ前記第２の半導体層から前記活性層を介して前記第１の半導体層に至る前記ホールが形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の発光装置。
【請求項１３】
前記反射層は、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及びクロムよりなるグループから選ばれた１つの金属材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の発光装置。
【請求項１４】
さらに、透明基板を有し、
前記フォトニック結晶は、前記基板に形成され、互いに所定の隙間をなすよう前記基板から離れて該フォトニック結晶の一方の表面から突柱が複数突出したホールを形成するように前記素子が形成され、各前記突柱は、それぞれの一端部が前記フォトニックの前記表面から横断方向へ突出した柱体部を有し、
前記ホールには、前記ホールの周壁と底部を覆うように電気絶縁層が形成され、
前記反射層は、前記フォトニックの前記表面と前記電気絶縁層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項１５】
前記フォトニック結晶は、前記基板に固着された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と組んで間にＰＮ接合が形成された第２の半導体層と、前記第１と第２の半導体層との間に介在される活性層と、を有し、
前記第２の半導体層には、前記フォトニック結晶が深くエッチングされ前記第２の半導体層の一方の表面から該第２の半導体層、前記活性層を介して前記第１の半導体層に至る前記ホールが形成され、
前記反射層は、前記第２の半導体層の一方の表面と前記前記電気絶縁層を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
【請求項１６】
前記反射層は、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及びクロムよりなるグループから選ばれた１つの金属材料から形成されることを特徴とする請求項１５に記載の発光装置。
【請求項１７】
前記フォトニック結晶は、前記基板に固着された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と組んで間にＰＮ接合が形成された第２の半導体層と、前記第１と第２の半導体層との間に介在される活性層と、を有し、
前記第２の半導体層には、前記フォトニック結晶が深くエッチングされ前記第２の半導体層の一方の表面から該第２の半導体層に至る周壁と底部とを有するホールが形成され、
前記反射層は、前記ホールの周壁、底部と前記第２の半導体層の前記表面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁線のある所定の周波数帯に対して少なくともある全指向性フォトニックバンドギャップを示すフォトニック結晶を用いた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（米国特許第５，９５５，７４９号明細書）には、誘電率が少なくとも２次元の周期的に変化する誘電体構造と、前記誘電体構造内の放射線発光源とからなる発光装置が開示されている。前記誘電体構造は、所定の遮断周波数以下の導波モードと、遮断周波数以上及び以下の放射モードを有する電磁モードのスペクトル分布を示す。導波モードは、誘電体構造の平面のあらゆる方向に広がる電磁線の周波数に対応する。放射モードは、誘電体構造の外側に広がる電磁線の周波数に対応する。誘電率の２次元の周期的な変化は、導波モードの間にフォトニックバンドギャップを生じさせることによって、導波モードではなく発光源から放射するように放射モードと結合することにより、誘電体構造から放射することができる。誘電体構造は、素子の周期パターンを有するので、導波モードの間にバンドギャップを導入可能である。素子は単層に開けられた孔の周期パターン又は互いに所定の隙間を空けた柱の周期パターンに構成されることができる。前記の層又は柱は、Ｎ型半導体層と、活性層又は量子井戸と、Ｐ型半導体層とを配列してある。
【０００３】
従来の発光装置は、発光効果を向上させることができるが、前記のフォトニックバンド構造は、広い全指向性フォトニックバンドギャップ幅をもたない。とりわけ、放出された光が偏光されないときは、放出の引出し効果の向上に限りがある。
【０００４】
特許文献２（米国特許出願公開第２００３／０１４１５０７号明細書）（発明者：Kramesら）には、フォトニック結晶構造を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示されている。この発光ダイオードは、例えば孔の周期格子構造を有し、ＬＥＤの半導体層に形成されている。該周期のパラメータとしては、例えばＬＥＤより放出された光子のエネルギーが周期構造のバンド構造のバンドエッジにくるようなものが用いられる。発光ダイオードは、第１の電極層と連結された第１の半導体層と、第１の半導体層の上に積層された活性層と、該活性層の上に積層された第２の半導体層と、第２の半導体層の上に積層された第２の電極層とからなる。該発明者らは、金属電極層が、第１と第２の半導体層の上にそれぞれ形成されることによって発光ダイオードの発光効果をより一層向上させると述べているが、周期構造のバンド構造におけるバンドギャップにどのように影響するかは言及していない。
【０００５】
以下の説明におけるパラメータ（例えば、格子定数及び屈折率）としては、特許文献１及び２に記載されたものを援用する。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９５５，７４９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１４１５０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述事情を考慮してなされたものであり、所定の周波数帯域の電磁線を生ずるよう多層フォトニック結晶のバンド構造に全指向性フォトニックバンドギャップをもつ反射層で覆われた素子の周期パターンを有するフォトニック結晶を用いた発光装置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】
【０００８】
上記目的は、本発明の周期的なパターンを有し所定の遮断周波数以下の導波モードと該遮断周波数以上及び以下の放射モードを有する電磁モードのスペクトルを示す誘電率の周期変化をもらたす素子を設けているフォトニック結晶と、該フォトニック結晶に対して該フォトニック結晶において電磁光を生じさせる発光源と、それぞれの前記素子を覆うように積層された反射層と、を有し、前記フォトニック結晶に、前記周波数範囲の放射光線を前記導波モードではなく前記放射モードと結合させるよう前記発光源によって前記導波モードの間に少なくとも全指向性フォトニックバンドギャップを生じることを特徴とする発光装置によって達成される。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、前記各素子は反射層によって覆われて前記発光源からの所定周波数範囲の発光するにあたり、前記導波モードの間に少なくとも全指向性フォトニックバンドギャップを生成すると共に、導波モードではなく放射モードと結合される前記周波数範囲の放射をフォトニック結晶から引出すことができるので、発光装置の発光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】
【００１０】
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。なお、図面において同様な構成要素には同一符号を付して説明は省略する。
【００１１】
（第１の実施例）
図１〜３は、本発明の第１の実施例に係る発光装置２の構造を示す。該発光装置２には、透明基板２１と、該基板２１に形成され、所定の遮断周波数以下の周波数（図４における鎖線を参照）を有する導波モード（図４にドットとして示す）、及び遮断周波数以上と以下の周波数を有する放射モード（図４におけるハッチングを施した領域）（ここで定義されたように、遮断周波数は導波モードの周波数限度以上を示す）を有する電磁モードのスペクトルを現わす誘電率の周期的変化をもたらす周期パターンの素子５０をそなえるフォトニック結晶５と、該フォトニック結晶５と協同して該フォトニック結晶５で電磁線を生成させる発光源５５とが設けられている。
【００１２】
前記フォトニック結晶５においては、第１、第２の半導体層８１、８２と、前記第１の半導体層８１と第２の半導体層８２との間に介在される活性層８３（又は量子井戸）とがサンドイッチになっている。ここで、前記第１の半導体層８１として、例えばｎ−ＧａＮ層が形成され、前記第２の半導体層８２として、例えばｐ−ＧａＮ層が形成され、前記活性層８３として、例えばＩｎＧａＮ層が形成されている。前記活性層８３は、発光源５５として用いられる。前記第１の半導体層８１は、前記基板２１に固着される。前記第２の半導体層８２は、前記第１の半導体層８１とにより、活性層８３近傍にＰＮ接合を形成する。前記第２の半導体層８２は、前記フォトニック結晶５の内部に食い込むようエッチされ、突柱５２及び隙間５１をそなえた素子５０を形成する。前記突柱５２は、互いに所定の隙間５１をなすよう前記基板２１から離れて前記フォトニック結晶５の一方の表面５８から突き出して形成される。前記反射層６は、図３に示されているように、前記フォトニック結晶５の一方の表面５８及び前記突柱５２の一方の表面５２０を被覆するように形成されている。
【００１３】
前記発光装置２はさらに、前記第１の半導体層８１に形成される第１の電極４１と、前記第２の半導体層８２に形成され前記反射層６と接続された第２の電極４２とを設けている。さらには、該発光装置からの熱を発散させるために、パッド７、このパッド７を介して、前記第１、第２の電極４１、４２に連結された放熱部材３が設けられる。
【００１４】
第１の実施例において、前記素子５０の周期パターンは２次元的に正方格子配列されている。なお、前記格子構造は、正方形に限らず例えば六角形、蜂の巣形、又は他の２次元構造であってもよい。また、この例においては、前記突柱５２は、正方形断面であるが、例えば円形断面などの断面が他の形状の構造に形成されてもよい。
【００１５】
前記反射層６は、好ましくは、高反射を引き起こす銀、アルミニウム、ニッケル、チタン及びクロムよりなる群から選ばれた１つの金属材料から形成される。
【００１６】
図４は、該第１の実施例の発光装置２における厚さが０．５ａの前記フォトニック結晶５の前記バンド構造（例えば、屈折率ｎ＝２．４）を示す。該発光装置２は、各前記角柱５２が高さ０．３ａ（即ち、前記フォトニック結晶５の一方の表面５８に対する高さ）、長さ０．５ａ（即ち、各角柱の側面の長さ）である。ここで、ａは前記フォトニック結晶５の周期素子５０の正方形格子の格子定数を表す。前記導波モードの間にある全指向性フォトニックバンドギャップ（即ち、図４において遮断周波数以下で細線に画されたドット部分）は、約０．３５ｃ／ａ〜約０．３８ｃ／ａの範囲内に延在されている（図４において上方及び下方のドット線を参照）。但し、ｃは光速を表す。前記バンドギャップ（例えば、約０．３５ｃ／ａ〜約０．３８ｃ／ａの周波数範囲）において、導波モードが存在しない。こうして、前記フォトニック結晶５の周波数範囲における放射は完全に抜き出されるので、前記発光装置２の発光効率を向上させることができる。
【００１７】
図５は、放射モードのΓ−Ｍ領域による第１の実施例の発光装置２のフォトニック結晶５のバンド構造を示す。前記フォトニック結晶５において平面漏洩バンド（即ち、放射モードと結合される放射を許す相対的な高密度状態）が見られ、約０．６１ｃ／ａ〜約０．６５ｃ／ａ（図５において上、下の鎖線）のバンド幅を有する。前記平面漏洩バンド形成によって、前記フォトニック結晶５への反射層６による散乱効果を強く発揮させることができる。なお、前記図４、５に示されるフォトニックバンド構造は、反射層を理想的な電気導体として算出されたものである。また、該第１の実施例においては、透明基板２１がその屈折率ｎが１．７のサファイアとして、前記遮断周波数が決定される。
【００１８】
上記構成によれば、それぞれの素子５０は、前記反射層６によって覆われているので、前記発光源５５である活性層８３から生じた放射の周波数範囲に該導波モードの間にＸ−Ｙ平面に沿って少なくとも全指向性フォトニックバンドギャップ（図４に鎖線を参照）を生成すると共に、所定の周波数範囲の放射を導波モードではなく放射モードと結合させることによって、該放射を該フォトニック結晶５から引出すことができる。
【００１９】
（第２の実施例）
図６は、本発明の第２の実施例に係る発光装置２の構成を示す。第２の実施例に係る発光装置２は、電気絶縁層５７が前記フォトニック結晶５の一方の表面５８と前記反射層６との間に介在し、且つ前記フォトニック結晶５が深くエッチングされ前記第２の半導体層８２から前記活性層８３を介して前記第１の半導体層８１に至るホールを形成するように前記突柱５２及び前記隙間５１が形成される点で、前記第１の実施例と相違している。即ち、前記突柱５２は、前記第２の半導体層８２全体と、前記活性層８３の全体と、前記第１の半導体層８１の一部とを備える。
【００２０】
本実施例においては、各前記突柱５２は、それぞれの一端部５２０１が前記フォトニック結晶５の一方の表面５８から横断方向へ突出した柱体部５２０２を有する。前記電気絶縁層５７は、各前記突柱５２の一端部５２０１を残しながら前記反射層６を前記活性層５５と電気的に絶縁させるよう前記ホール毎に積層形成される。前記反射層６は、前記それぞれの電気絶縁層５７の一方の表面、前記突柱５２の一方の表面５２０及び前記一端部５２０１の周壁を被覆している。
【００２１】
この構成によっても、前記第１の実施例と同様に発光効率向上の効果が得られる。
【００２２】
（第３の実施例）
図７は、本発明の第３の実施例に係る発光装置２の構成を示す。第３の実施例に係る発光装置２は、電気絶縁層５７が前記突柱５２の柱体部５２０２の周側を被覆するようにコーディングする点、並びに前記反射層６が前記それぞれの電気絶縁層５７の一方の表面及び前記一端部５２０１の一方の表面５２０を被覆している点で、第１の実施例と相違している。
【００２３】
この構成によっても、前記第１及び第２の実施例と同様に発光効率向上の効果が得られる。
【００２４】
（第４の実施例）
図８、９は、本発明の第４の実施例に係る発光装置２の構成を示す。第４の実施例に係る発光装置２は、前記第１の実施例と違って、前記基板２１に前記第１の半導体層８１と前記活性層８３と前記第２の半導体層８２が順を追って積層され、前記第２の半導体層８２の一方の表面８２０から、第２の半導体層８２、前記活性層８３及び前記第１の半導体層８１に至る断面円形をした周壁５２５を有する長ホール５１Ａが形成される。そして、電気絶縁層５７が、前記実施例と同様に前記周壁５２５と底部５８Ａ全体を被覆するように前記ホール５１Ａ内に形成される。前記反射層６は、金属により、前記第２の半導体層８２の一方の表面と前記ホール５１Ａ内を被覆した前記絶縁層５７の表面を覆うように形成され、前記絶縁層５７によって前記活性層８３及び前記第１の半導体層８１から電気的に絶縁される。なお、前記絶縁層５７は、前記活性層８３と前記第１の半導体層８１とを前記金属でなる反射層６から絶縁させるように形成するものである。なお、前記素子５０の前記ホール５１Ａの周期パターンは三角形格子に形成される。
【００２５】
この構成によっても、前記第１〜第３の実施例と同様に発光効率向上の効果が得られる。
【００２６】
（第５の実施例）
図１０は、本発明の第５の実施例に係る発光装置２の構成を示す。第５の実施例に係る発光装置２は、前記第４の実施例の構成と違って、ホール５１Ｂが、前記第２の半導体層８２のみに形成される。そして、前記電気絶縁層５７を形成せず、前記反射層６は、前記ホール５１Ｂの周壁５２５Ｂと底部５８Ｂと前記第２の半導体層８２の一方の表面８２０を覆うように形成される。
【００２７】
この構成によっても、前記第１〜第４の実施例と同様に発光効率向上の効果が得られる。
【００２８】
以上説明したように、本発明の実施例に係る発光装置２によれば、発光装置２において反射層６は、活性層８３と第１の半導体層８１と電気的に絶縁しながらフォトニック結晶５の周期パターン上に覆われて形成されることにより、従来の装置より発光効率を向上させるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る発光装置の概略斜視図である。
【図２】該第１の実施例に係る発光装置の概略平面図である。
【図３】該第１の実施例に係る発光装置のフォトニック結晶の概略を示す側断面図である。
【図４】該第１の実施例のフォトニック結晶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を示すプロット図である。
【図５】該第１の実施例のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造におけるリークバンドを示すプロット図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る発光装置の概略側断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る発光装置の概略側断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係る発光装置の概略斜視図である。
【図９】該第４の実施例の構成を示す部分破断断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施例に係る発光装置の構成を示す部分破断断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
６：発光ダイオード（ＬＥＤ）
２：発光装置
２１：透明基板
３：放熱部材
４１：第１の電極
４２：第２の電極
５：フォトニック結晶
５０：素子
５１：隙間
５１Ａ：ホール
５２：突柱
５２０１：端部
５２０２：柱体部
５２５：周壁
５５：発光源
５７：電気絶縁層
５８、５２０、８２０：一方の表面
５８Ａ：底部
６：反射層
７：パッド
８１：第１の半導体層
８２：第２の半導体層
８３：活性層
【図１】
2005197655.tif 000003
【図２】
2005197655.tif 000004
【図３】
2005197655.tif 000005
【図４】
2005197655.tif 000006
【図５】
2005197655.tif 000007
【図６】
2005197655.tif 000008
【図７】
2005197655.tif 000009
【図８】
2005197655.tif 000010
【図９】
2005197655.tif 000011
【図１０】
2005197655.tif 000012