(57)【要約】  改善された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行うデバイス、システム、及び方法が開示される。デバイス、システム、及び方法は、表面モードを指向性放射に変換するように構成されたパターニング層と、放射を生成するために、ＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体として形成される半導体層と、入射する放射を反射するように構成された金属バック・リフレクタ層とを含む。パターニング層は、１次元、２次元、又は３次元的であってもよい。パターニング層は半導体層の中又は誘電体層の中に埋没していてもよい。半導体層はｐ型ガリウム・ナイトライド（ＧａＮ）である。パターニング層はハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層であってもよいし、フォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）を含んでいてもよいし、低い又は高い屈折率の材料であってもよいし、金属であってもよい。
2020537825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改善された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行うデバイスであって：
表面モードを指向性放射に変換するように構成されたパターニング層；
放射を生成するために、ＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体として形成される半導体層；及び
入射する放射を反射するように構成された金属バック・リフレクタ層；
を有するデバイス。
【請求項２】
パターニング層が前記半導体層に埋没している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記半導体層がｐ型ガリウム・ナイトライド（ＧａＮ）である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記パターニング層がハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ＨＭＭ層がフォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）を含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記パターニング層が低い又は高い屈折率の材料である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記金属バック・リフレクタ層近傍でキャリアの運動エネルギーを増進させるフィールド閉じ込めを低減させる一方、高いパーセル因子（ＰＦ）及び電気伝導度を提供するために、前記半導体層と前記金属バック・リフレクタ層との間に配置されるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層を更に有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ＩＴＯ層がＩＺＯである、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
ラジエーションを放出エミッションに結び付けるために損失層近辺におけるフィールド閉じ込めを損なうオーミック損失を減らすように前記金属バック・リフレクタ層との組み合わせで動作するために、前記金属バック・リフレクタ層に隣接して配置される低屈折率層を更に有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記低屈折率層は誘電体である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記パターニング層は前記低屈折率層に組み込まれている、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記パターニング層は１次元的である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記パターニング層は２次元的である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記パターニング層は３次元的である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記パターニング層は前記半導体層に組み込まれている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
改善された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行う発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスであって：
表面モードを指向性放射に変換するように構成されたパターニング層；
放射を生成するために、ＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体として形成される半導体層であって、前記パターニング層は前記半導体層に埋没している、半導体層；及び
金属バック・リフレクタ層近傍でキャリアの運動エネルギーを増進させるフィールド閉じ込めを低減させる一方、高いパーセル因子（ＰＦ）及び電気伝導度を提供するために、前記半導体層と前記金属バック・リフレクタ層との間に配置されるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層；
入射する放射を反射するように構成された金属バック・リフレクタ層；及び
ラジエーションを放出エミッションに結び付けるために損失層近辺におけるフィールド閉じ込めを損なうオーミック損失を減らすように前記金属バック・リフレクタ層との組み合わせで動作するために、前記金属バック・リフレクタ層に隣接して配置される低屈折率層；
を有するデバイス。
【請求項１７】
前記パターニング層がハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層である、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ＨＭＭ層がフォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）を含む、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記パターニング層が低い又は高い屈折率の材料である、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項２０】
改善された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出をＬＥＤにおいて行う方法であって：
パターニング層により、表面モードを指向性放射に変換するステップ； 
ＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体として形成される半導体層を利用して、放射を生成するステップ；及び
金属バック・リフレクタ層により、入射する光を反射するステップ；
前記半導体層と前記金属バック・リフレクタ層との間に配置されるインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層を利用して、金属バック・リフレクタ層近傍でキャリアの運動エネルギーを増進させるフィールド閉じ込めを低減させる一方、高いパーセル因子（ＰＦ）及び電気伝導度を提供するステップ；及び
前記金属バック・リフレクタ層との組み合わせで動作する前記金属バック・リフレクタ層に隣接して配置される低屈折率層により、ラジエーションを放出エミッションに結び付けるために損失層近辺におけるフィールド閉じ込めを損なうオーミック損失を減らすステップ；
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
関連出願
本願は２０１８年６月１１日付で出願された米国仮出願番号第６２／６８３，４１０号、２０１７年１０月１７日付で出願された第６２／５７３，３８３号、及び“ＬＥＤ  ＥＭＩＴＴＥＲＳ  ＷＩＴＨ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ  ＮＡＮＯ−ＰＨＯＴＯＮＩＣ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＴＯ  ＥＮＨＡＮＣＥ  ＥＱＥ”と題する２０１８年１０月１５日付で出願された米国非仮出願第１６／１６０，７３８号、並びに２０１８年２月２７日付で出願された欧州特許出願第１８１５８９１７．７号による優先権を主張しており、これら全てはあたかも完全に記載されているかのように本願に援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）エミッタに関し、特に、外部量子効率（ＥＱＥ）を高めるために一体化されたナノ・フォトニック構造を有するＬＥＤエミッタに関する。
【０００３】
背景技術
多重量子井戸（ＭＱＷ）発光ダイオード（ＬＥＤ）における内部量子効率（ＩＱＥ）は、ドループ関連メカニズムによって制限される。従って、高い電流密度及び高い温度では、ポンプＩＱＥは、高い発光効率に対する主な制限要因の１つである。更に、活性領域によって放射されるエネルギーは、表面波の形でトラップされることが多く、最終的にはオーミック損失に起因して散逸する。これらのメカニズムは何れも、より低いＥＱＥを招く。従って、これらの問題に対処し、統合されたソリューションをＬＥＤエミッタ・キャビティに提供する、改良されたＬＥＤエミッタを求めるニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００４】
改善された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行うデバイス、システム、及び方法が開示される。デバイス、システム、及び方法は、表面モードを指向性放射に変換するように構成されたパターニング層と、放射を生成するために、ＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体として形成される半導体層と、入射する放射を反射するように構成された金属バック・リフレクタ層とを含む。パターニング層は１次元的、２次元的、又は３次元的であってもよい。パターニング層は半導体層に埋没していてもよい。半導体層はｐ型ガリウム・ナイトライド（ＧａＮ）である。パターニング層は、ハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層であってもよいし、フォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）を含んでいてもよいし、あるいは、低い又は高い屈折率の材料、金属ナノ・アンテナ／散乱体のアレイ、誘電体ナノ・アンテナ／散乱体のアレイ、金属−誘電体散乱体のアレイ、金属又は誘電体回折格子構造であってもよい。
【０００５】
デバイス、システム、及び方法は、半導体層と金属バック・リフレクタ層との間に配置されたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層を含み、金属リフレクタ近傍のキャリアの運動エネルギーを増進するフィールド閉じ込めを減らす一方で、高いパーセル因子（ＰＦ）及び電気伝導率を提供することができる。
【０００６】
デバイス、システム、及び方法は、金属バック・リフレクタ層に隣接して配置された低屈折率層を含み、金属層との組み合わせで動作し、損失層近傍のフィールド閉じ込めを損なうオーミック損失を低減させ、放射を放射エミッションに結び付ける。パターニング層は、低屈折率層内に埋め込まれてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
添付の図面と共に例示として与えられる以下の説明から、より詳細な理解を得ることができる。
【０００８】
【図１】ハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）の層及び金属バック・リフレクタを組み込むパターニングされたｐ型ガリウム・ナイトライド（ｐＧａＮ）層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）キャビティを示す。
【０００９】
【図２】低い又は高い屈折率（等方性）材料及び金属バック・リフレクタを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層を有するＬＥＤキャビティを示す。
【００１０】
【図３】金属バック・リフレクタとともに複合インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層とＨＭＭとを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層を有するＬＥＤキャビティを示す。
【００１１】
【図４】金属バック・リフレクタとともに複合ＩＴＯと低い又は高い屈折率（等方性）材料とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層を有するＬＥＤキャビティを示す。
【００１２】
【図５】ＩＴＯ層及び金属バック・リフレクタとともに複合誘電体層とＨＭＭ層とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層を有するＬＥＤキャビティを示す。
【００１３】
【図６】ＩＴＯ層及び金属バック・リフレクタとともに複合誘電体層と低い又は高い屈折率（等方性）材料を組み込むパターニングされたｐＧａＮ層を有するＬＥＤキャビティを示す。
【００１４】
【図７】複合誘電体層とＩＴＯ層と金属バック・リフレクタとを有するＬＥＤキャビティを示す（誘電体層は、パターニングされたＨＭＭ層を組み込む）。
【００１５】
【図８】複合誘電体層とＩＴＯ層と金属バック・リフレクタとを有するＬＥＤキャビティを示す（誘電体層は、ＩＴＯ層の表面近傍に位置する金属ナノ・アンテナを組み込む）。
【００１６】
【図９】複合誘電体層とＩＴＯ層と金属バック・リフレクタとを有するＬＥＤキャビティを示す（誘電体層は、ＩＴＯ層の表面近傍に誘電体ナノ・アンテナ・アレイを組み込む）。
【００１７】
【図１０】複合誘電体層とＩＴＯ層と金属バック・リフレクタとを有するＬＥＤキャビティを示す（誘電体層は、ＩＴＯ層の表面において誘電体又は金属ナノ・アンテナ・アレイを組み込む）。
【００１８】
【図１１】複合誘電体層とＩＴＯ層と金属バック・リフレクタとを有するＬＥＤキャビティを示す（誘電体層は、ＩＴＯ層とのインターフェースとなる位相変化ＨＭＭを組み込む）。
【００１９】
【図１２】改良された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行うための方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の説明では、本件実施形態の完全な理解をもたらすために、特定の構造、構成要素、材料、寸法、処理工程、及び技術のような多数の特定の詳細が説明される。しかしながら、実施形態はこれらの特定の詳細なしに実施され得ることは当業者によって理解されるであろう。他の例では、実施形態を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造又は処理ステップは詳細には説明されていない。層、領域、又は基板のような要素が他の要素の「上（ｏｎ）」又は「上（ｏｖｅｒ）」にあると言及される場合、それは、他の要素に直接的に接触している可能性があり、又は介在する要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が他の要素に「直接的に接している」又は「直接的に覆っている」と言及される場合、介在する要素は存在しない。また、ある要素が他の要素の「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、又は「下（ｕｎｄｅｒ）」にあると言及される場合、それは、他の要素の直下又は下にある可能性があり、又は介在する要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、要素が他の要素の「直下」又は「直接的に下方」にあると言及される場合、介在する要素は存在しない。
【００２１】
以下の詳細な説明における実施形態の説明を不明瞭にしないために、当技術分野で知られている幾つかの構造、構成要素、材料、寸法、処理工程、及び技術は、提示及び説明の目的で一緒に組み合わされる可能性があり、ある例では詳細に説明されないであろう。他の例では、当技術分野で知られている幾つかの構造、構成要素、材料、寸法、処理工程、及び技術は全く説明されていないであろう。以下の説明は、本明細書に記載される種々の実施形態の特徴的な特徴又は要素に焦点を当てていることが理解されるべきである。
【００２２】
多重量子井戸（ＭＱＷ）発光ダイオード（ＬＥＤ）における内部量子効率（ＩＱＥ）は、ドループ関連メカニズムによって制限される。ドループは、電気から光へのパワー変換効率が、より高い入力電流と共に劇的に低下する場合に生じる。従って、高い電流密度及び高い温度において、ポンプＩＱＥは高い発光効率に対する主な制限要因の１つである。外部量子効率（ＥＱＥ）を高めるために一体化されたナノ・フォトニック構造を有するＬＥＤエミッタは、プラズモニック構造及び／又はハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）によってサポートされる高運動量を担うモードに、ＭＱＷからの近接場放射を結合することによって、この問題に対処する。これらの構造及び／又はメタマテリアルは、高いパーセル因子（ＰＦ）を生じ得るが、活性領域によって放射されるエネルギーは、表面波の形態でトラップされ、最終的には、オーミック損失に起因して散逸される可能性がある。外部量子効率（ＥＱＥ）を高めるように設計された一体化ナノ・フォトニック構造を有するＬＥＤエミッタは、ＬＥＤエミッタ・キャビティに一体化ソリューションを提供する一方、表面波を発光にカップリングすることによって、この問題に更に対処する。
【００２３】
図１は、ハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層１３０と金属バック・リフレクタ１２０とを埋め込んだパターニングされたｐ型窒化ガリウム（ｐＧａＮ）層１１０を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）１００キャビティを示す。パターニングされたｐＧａＮ層１１０は、図１の半導体層１１０として示されている。ｐＧａＮ層１１０は、約１００ｎｍの厚さを有する可能性がある。ＨＭＭ層１３０は、半導体層１１０内に埋め込まれた層内に示される正方形として示されている。金属バック・リフレクタ１２０は、半導体層１１０の末端にあるＨＭＭ層１３０に隣接する可能性がある。図１に見られるように、金属バック・リフレクタ１２０は、ＨＭＭ層１３０が出ていない領域で半導体層１１０に隣接していてもよく、又は、ＨＭＭ層１３０が金属バック・リフレクタ１２０から間隔をあけて配置されてもよい（即ち、ＨＭＭ層１３０は半導体層１１０の中に完全に埋め込まれる）。ＨＭＭ層１３０は、１次元パターン、例えば図中の縞のようなパターン、２次元パターン、例えばチェックボード・パターン、及び、３次元パターン、例えばあるパターンを別のパターン上に組み込むパターン（即ち、積み重ねられたパターン）としてパターニングされてもよい。
【００２４】
半導体層１１０又はキャビティは、ｐＧａＮの層の形態をとることが可能である。当業者には理解されるように、ＧａＮは、発光ダイオードに一般的に使用されるバイナリーＩＩＩ／Ｖダイレクト・バンドギャップ半導体である。ＧａＮは、３．４ｅＶという広いバンド・ギャップを有する結晶構造を有しており、オプトエレクトロニクス、高電力及び高周波数デバイスへの応用に最適な材料となっている。ＧａＮは、ｎ型ＧａＮを生成するためにシリコン（Ｓｉ）又は酸素でドーピングされることが可能であり、本実施例で使用されているようなｐ型ＧａＮを生成するためにマグネシウム（Ｍｇ）でドーピングされることが可能である。
【００２５】
ＨＭＭ層１３０は、埋め込まれたパターニングされたメタ材料であってもよい。パターンが上述されているが、メタマテリアルは、フォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）であってもよく、そのような材料に関する更なる情報は例えばＧａｌｆｓｋｙ，  ＰＮＡＳ  １７０２６８３１１４に見受けられる。メタマテリアル構造は、局所的にフォトニック状態密度を増加させる高次モード（即ち、高運動量の表面状態）をサポートするハイパボリック挙動を特徴付ける。高運動量のこれらの表面状態は、放射されるエミッションを増強する双極子放出の減衰チャネルを提供する（即ち、パーセル効果によりＩＱＥが増加する）。パーセル効果は、環境による蛍光分子の自然放出率の増強である。
【００２６】
双極子放出の近接場は表面状態に結合され、横方向周期格子の作用により放射の形態でアウトカップリングされる。横方向周期格子は、最初に誘起された表面波を放射に変換する。表面波が放射に変換されると、放射は高度に指向性を有するようになる。この指向性は、半導体層からの光抽出を改善し、輝度を増強することもできる。ＨＭＭ層１３０は、多数の様々な方法で形成される可能性があり、例えばサブ波長厚さの金属／誘電体の層を交互にすることによって形成されてもよい。ＨＭＭ層１３０を作成する他の方法は、Ｅｖｇｅｎｉｉ  Ｅ．  Ｎａｒｉｍａｎｏｖ（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ  Ｘ４，０４１０１４（２０１４））による“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｈｙｐｅｒｃｒｙｓｔａｌｓ”と題する論文に見出すことができる。ＨＭＭ層１３０の存在は、説明されるような指向性放射に変換されることが可能な表面モードを生成する。ＨＭＭ層１３０は、半導体層１１０内の金属層１２０に隣接して配置されてもよい。
【００２７】
金属バック・リフレクタ１２０は、平坦な金属ミラー、分布ブラッグ・リフレクタ、及び／又はその他の既知のＬＥＤリフレクタ（フォトニック結晶及び反射メタサーフェスを含む）を含むプラズモニック層の形態を取ることが可能である。
【００２８】
図２は、低い又は高い屈折率（等方性）材料２４０及び金属バック・リフレクタ２２０を埋め込むパターニングされたｐＧａＮ層２１０を有するＬＥＤキャビティ２００を示す。図２のＬＥＤキャビティ２００は、図１に関して上述した半導体層１１０のような半導体層２１０と、図１に関して上述した金属バック・リフレクタ層１２０のような金属バック・リフレクタ層２２０とを含む。図１のＨＭＭ層１３０の代わりに、図２のＬＥＤキャビティ２００は、低い又は高い屈折率の材料の層２４０を含む。低い又は高い屈折率のこの層２４０は、図１のＨＭＭ層１３０に関して上述したようにパターニングされてもよい。低い又は高い屈折率の層２４０は、減衰レート増強を達成するために、金属バック・リフレクタ層２２０と共に組み合わせられる可能性がある。ｐＧａＮ層２１０に一体化されたブラッグ回折格子は、表面波を、有用な放射に変換することができる。ブラッグ回折格子は、半導体に対して高いコントラストを提供するために、ＳｉＯ２のような低屈折率材料で実現されることが可能である。
【００２９】
図３は、金属バック・リフレクタ３２０とともにＨＭＭ層３３０と複合インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）層３５０とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層３１０を有するＬＥＤキャビティ３００を示す。図３のＬＥＤキャビティ３００は、ＩＴＯ層３５０を含めることによって、図１の実施例に追加している。ＩＴＯ層３５０は、以下に記載されるように配置されることが可能である。図３のＬＥＤキャビティ３００は、図１に関して上述した半導体層１１０のような半導体層３１０と、図１に関して上述した金属バック・リフレクタ層１２０のような金属バック・リフレクタ層３２０と、図１に関して上述したＨＭＭ層１３０のようなＨＭＭ層３３０とを含む。
【００３０】
更に、図３のＬＥＤキャビティ３００は、ＨＭＭ層３３０と金属バック・リフレクタ層３２０との間にあるものとして示されるＩＴＯ層３５０を含む。ＩＴＯ層３５０は、その電気伝導率及び光透過性に基づいて使用されることが可能である。このＩＴＯ層３５０は、金属バック・リフレクタ層３２０付近のキャリアの運動エネルギーを改善する一方で、依然として高いＰＦ及び電気伝導率を提供することによって、フィールド閉じ込めを低減することができる。ＩＴＯと言及されるＩＴＯ層３５０は、例えばＩＺＯ／Ａｌ／ＧＺＯ／ＺｎＯにより、インジウム酸化亜鉛（ＩＺＯ）層として形成されることも可能である。
【００３１】
図４は、金属バック・リフレクタ４２０とともに複合ＩＴＯ層４５０と低い又は高い屈折率（等方性）材料４４０とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層４１０を有するＬＥＤキャビティ４００を示す。図４のＬＥＤキャビティ４００は、ＩＴＯ層４５０を含めることによって、図２の実施例に追加している。図４のＬＥＤキャビティ４００は、図２に関して上述した半導体層２１０のような半導体層４１０と、図２に関して上述した金属バック・リフレクタ層２２０のような金属バック・リフレクタ層４２０と、図２に関して上述した低い又は高い屈折率の材料層２４０のような低い又は高い屈折率の材料層４４０とを含む。このようなＩＴＯ層４５０は、金属バック・リフレクタにおけるオーミック損失を低減し、低い又は高い屈折率の材料層４４０のようなパターニングされた層の有効性を改善する可能性がある。例えば、ナノ・アンテナ・アレイの場合、そこに含まれるＩＴＯ層４５０は、個々のナノ・アンテナの共振動作に影響を及ぼすことが可能である。
【００３２】
更に、図４のＬＥＤキャビティ４００は、低い又は高い屈折率の材料層４４０と金属バック・リフレクタ層４２０との間にあるように示されるＩＴＯ層４５０を含む。ＩＴＯ層４５０は、図３に関して上述したＩＴＯ層３５０と同様であるとすることが可能である。
【００３３】
図５は、ＩＴＯ層５５０及び金属バック・リフレクタ５２０とともにＨＭＭ層５３０と複合誘電体層５６０とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層５１０を有するＬＥＤキャビティ５００を示す。図５のＬＥＤキャビティ５００は、ＩＴＯ層５５０と金属層５２０との間に低屈折率層５６０を含めることによって、図３の実施例に追加している。図５のＬＥＤキャビティ５００は、図１に関して上述した半導体層１１０のような半導体層５１０と、図３に関して上述したＩＴＯ層３５０などのようなＩＴＯ層５５０と、図１に関して上述した金属バック・リフレクタ層１２０のような金属バック・リフレクタ層５２０と、図１に関して上述したＨＭＭ層１３０のようなＨＭＭ層５３０とを含む。このＩＴＯ層５５０は、横方向電流が電気ビア内に広がることを許容する。このような電気ビアを分離する距離は、フォトニック・フィーチャの分離よりもはるかに大きい。例えば、ナノ・アンテナは数ナノ・メートル又は数十ナノ・メートルだけ隔てられ、電気ビアは１０分の１マイクロメートルだけ隔てられる可能性がある。
【００３４】
金属層５２０と組み合わされる低屈折率層５６０は複合ミラー・アーキテクチャを形成することが可能であり、ラジエーションを、放射エミッションに結び付けるのを支援することによって、損失層近傍のフィールド閉じ込めを損なうオーミック損失を低減する。
【００３５】
図６は、ＩＴＯ層６５０及び金属バック・リフレクタ６２０とともに複合誘電体層６６０と低い又は高い屈折率（等方性）材料６４０とを組み込むパターニングされたｐＧａＮ層６１０を有するＬＥＤキャビティ６００を示す。図６のＬＥＤキャビティ６００は、ＩＴＯ層６５０と金属層６２０との間に、図５に関して上述した低屈折率層５６０のような低屈折率層６６０を含めることによって、図４の例に追加している。この低屈折率層６６０は、図５の低屈折率層５６０として機能することが可能である。図６のＬＥＤキャビティ６００は、図２に関して上述した半導体層２１０のような半導体層６１０と、図２に関して上述した金属バック・リフレクタ層２２０のような金属バック・リフレクタ層６２０と、図２に関して上述した低い又は高い屈折率の材料層２４０のような低い又は高い屈折率の材料層６４０とを含む。
【００３６】
図７は、複合誘電体層７６０とＩＴＯ層７５０と金属バック・リフレクタ７６０とを有するＬＥＤキャビティ７００を示し、誘電体層７６０は、パターニングされたＨＭＭ層７３０を組み込む。図７のＬＥＤキャビティ７００は、図５の例とは異なり、低屈折率（誘電体）層７６０内に埋め込まれるパターニングされたＨＭＭ層７３０を含めることによって、図５の実施例に追加しており、図５の実施例では、ＨＭＭ層５３０は、上述のように半導体層５１０内に又はＩＴＯ層５５０内に埋め込まれる。低屈折率層７６０内に埋め込まれたＨＭＭ層７３０は、光学性能を損なうことを犠牲にして、ＬＥＤキャビティ７００の実装を単純化することができる。図７のＬＥＤキャビティ７００は、図１に関して上述した半導体層１１０のような半導体層７１０と、図３に関して上述したＩＴＯ層３５０のようなＩＴＯ層７５０と、図５の低屈折率層５６０のような、ＩＴＯ層と金属層との間の低屈折率層７６０と、図１に関して上述した金属バック・リフレクタ層１２０のような金属バック・リフレクタ層７２０と、図１に関して上述したＨＭＭ層１３０のようなＨＭＭ層７３０とを含む。
【００３７】
図８は、複合誘電体層８６０とＩＴＯ層８５０と金属バック・リフレクタ層８２０とを有するＬＥＤキャビティ８００を示し、誘電体層８６０は、ＩＴＯ層８５０の表面近傍に位置する金属ナノ・アンテナ・アレイ８７０を組み込んでいる。ＩＴＯ層８５０は、同じ目的の薄いＡＺＯ層であってもよい。ＩＴＯ層８５０の表面近傍における金属ナノ・アンテナ・アレイ８７０の配置は、金属ナノ・アンテナ層８７０を、誘電体層８６０内に維持しつつ、半導体層８１０の活性領域に可能な限り近接して配置する。金属ナノ・アンテナ・アレイ８７０は、ナノ・アンテナ周辺の他の材料と比較して、放射減衰レートの強い増幅を生成することが可能である。当業者に理解されるように、アレイ８７０内の金属ナノ粒子は、概して、高い光学吸収を有し、これは光抽出効率を損なう可能性がある。金属と誘電体との間の選択は、ＬＥＤの用途におけるＩＱＥとＥｘＥとの間のトレード・オフに基づいて行われてもよい。例えば、高い電流密度の動作を必要とするアプリケーションは、固有のドループに関連する低いＩＱＥによって支配される可能性がある。そのようなアプリケーションでは、ＥｘＥを犠牲にしてＩＱＥを増加させることは、正味のフラックス利得を得る結果になるかもしれない。
【００３８】
図９は、複合誘電体層９６０とＩＴＯ層９５０と金属バック・リフレクタ９２０とを有するＬＥＤキャビティ９００を示し、誘電体層９６０は、ＩＴＯ層９５０の表面近傍に誘電体ナノ・アンテナ・アレイ９８０を組み込む。図９は、図８の金属ナノ構造８７０の代わりに誘電体ナノ・アンテナ９８０を用いた場合の図８と同様の構造を示す。ＩＴＯ層９５０は、同じ目的の薄いＡＺＯ層であってもよい。ＩＴＯ層９５０の表面近傍における誘電体ナノ・アンテナ・アレイ９８０の配置は、誘電体ナノ・アンテナ・アレイ９８０を、誘電体層９６０内に維持しつつ、半導体層９１０の活性領域に可能な限り近接して配置する。このような構成では、パーセル因子を増加させることに加えて、量子井戸によって放射される放射パターンが、構造全体の放射パターンを修正するために修正されるように、放射は成形される可能性がある。金属と誘電体との間の選択は、ＬＥＤの用途におけるＩＱＥとＥｘＥとの間のトレード・オフに基づいて行われてもよい。加えて、トレード・オフは、全体的な放射パターンとＥＸＥとの間の妥協を含む可能性がある。例えば、高い電流密度の動作を必要とするアプリケーションは、固有のドループに関連する低いＩＱＥによって支配される可能性がある。そのようなアプリケーションでは、ＥｘＥを犠牲にしてＩＱＥを増加させることは、正味のフラックス利得を得る結果になるかもしれない。
【００３９】
図１０は、複合誘電体層１０６０とＩＴＯ層１０５０と金属バック・リフレクタ１０２０とを有するＬＥＤキャビティ１０００を示し、誘電体層１０６０は、ＩＴＯ層１０５０の表面において誘電体又は金属ナノ・アンテナ・アレイ１０７５を組み込む。代替的にＡＺＯ層であってもよいＩＴＯ層１０５０は、ナノ・アンテナ・アレイ１０７５の位置で部分的にエッチングで除去され、その結果、ナノ・アンテナ・アレイ１０７５のナノ粒子が、半導体層１０１０の表面（ｐＧａＮ層１０１０の表面）に近接するか、又は接触するようにする。これは、ナノ・アンテナ・アレイ１０７５が、半導体層１０１０のＭＱＷ活性領域に可能な限り近接することを許容する。この構成は、半導体ｐＧａＮ層１０１０をパターニングすることなく、ＰＦを最大化する意図された効果を増強することができる。
【００４０】
図１１は、複合誘電体層１１６０とＩＴＯ層１１５０と金属バック・リフレクタ層１１２０とを有するＬＥＤキャビティ１１００を示し、誘電体層１１６０は、ＩＴＯ層１１５０とのインターフェースとなる位相変化ＨＭＭ層１１９０を組み込む。ここでもＩＴＯ層１１５０は同じ目的の薄いＡＺＯ層であってもよい。位相変化ＨＭＭ層１１９０は、上述の周期的なナノ・アンテナ・アレイ層１０７５の代わりに、誘電体層１１６０とＩＴＯ層１１５０との間の界面に近接して配置されてもよい。位相変化ＨＭＭ層１１９０は、勾配インピーダンス・プラズモニック又は誘電体メタサーフェスを含んでもよい。位相変化ＨＭＭ層１１９０は、ミラーとＭＱＷとの間の定在波フィールド・パターンを調整するために、反射されたフィールドの位相を制御することを許容することができる。干渉パターンの適切な調整により、ＰＦは増やされ、ＭＱＷエミッションの傾斜ラジエーションは、光抽出効率を最大にするように修正される。
【００４１】
図１２は、改良された外部量子効率（ＥＱＥ）ＬＥＤ放出を行うための方法を示す。方法１２００は、ステップ１２１０において、パターニングされた層を介して表面モードを指向性放射に変換する。パターニングされた層は、１次元、２次元又は３次元であってもよい。パターニングされた層は、ハイパボリック・メタマテリアル（ＨＭＭ）層であってもよいし、フォトニック・ハイパークリスタル（ＰｈＨｃ）を含んでもよいし、低い又は高い屈折率の材料であってもよいし、あるいは金属であってもよい。方法１２００は、ステップ１２２０において半導体層内で放射を生成するステップを含む。半導体層はｐ型窒化ガリウム（ＧａＮ）である。方法１２００は、ステップ１２３０において、金属バック・リフレクタで入射光を反射するステップを含む。パターニングされた層の配置は、例えば半導体層内又は誘電体層内にあってもよい。
【００４２】
方法１２００はまた、ステップ１２４０においてフィールド閉じ込めを低減する一方、金属リフレクタ近傍のキャリアの運動エネルギーを改善しつつ、半導体層と金属バック・リフレクタ層との間に配置されたＩＴＯ層において、高いＰＦ及び電気伝導を依然として提供するステップを含んでもよい。
【００４３】
本方法１２００はまた、ステップ１２５０においてオーミック損失を低減させ、金属層との組み合わせで動作するように、金属バック・リフレクタ層に隣接して配置された低屈折率層を使用して、ラジエーションを、放射エミッションに結び付けるために、損失層近傍のフィールド閉じ込めを損なうステップを含んでもよい。
【００４４】
方法１２００はまた、ＬＥＤからのエバネッセント波を、表面モード又は構造を励起する他のモードに結び付けるために、パターニングされた構造を複数の量子井戸の近くに配置するステップを含んでもよい。これは、ステップ１２６０において、ソースによって生成されたエネルギーのイン・カップリングを強化する。ＨＭＭ層は、この内部結合エネルギーを利用することができる。
【００４５】
本装置、システム及び方法は、ドループ制限エミッタ・ソリューションにおけるＰＦ増強によりＩＱＥを増加させ、ＬＥＤソリューションのプラズモニック及びＨＭＭ構造における光学損失を減少させ、ＬＥＤキャビティにおけるＥｘＥを増加させ、指向性放出を改善する。
【００４６】
特徴及び要素は、特定の組み合わせで上述されているが、当業者は、各特徴又は要素が、単独で、又は他の特徴及び要素と共に、又は他の特徴及び要素を伴わずに、任意の組み合わせで使用され得ることを理解するであろう。更に、本明細書で説明される方法は、コンピュータ又はプロセッサによる実行のためのコンピュータ読み取り可能媒体に組み込まれたコンピュータ・プログラム、ソフトウェア、又はファームウェアで実現される可能性がある。コンピュータ読み取り可能な媒体の例は、電子信号（有線又は無線接続で伝送される）及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含む。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体の例は、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、レジスタ、キャッシュ・メモリ、半導体メモリ・デバイス、磁気媒体（例えば、内部ハード・ディスク及びリムーバブル・ディスク）、光磁気媒体、光媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭディスク）、及びデジタル多用途ディスクを含むが、これらに限定されない。
【図１】
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【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月8日(2020.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光放出デバイスであって：
多重量子井戸を有する光放出半導体構造；及び
ａ）前記多重量子井戸からの近接場放射をハイパボリック・メタマテリアル格子構造の表面電子状態に結合し、前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造の前記表面電子状態からの放射をアウトカップルし、前記光放出デバイスからの光出力を形成するように構成されたハイパボリック・メタマテリアル格子構造；又は
ｂ）前記多重量子井戸からの近接場放射を金属層の表面電子状態に結合するように構成された反射性の金属層と、前記金属層及び前記多重量子井戸の間に配置され、前記金属層の前記表面電子状態からの放射をアウトカップルし、前記光放出デバイスからの光出力を提供するように構成された格子構造とを有するプラズモニック構造であって；
前記光放出半導体構造の中に配置され、１つ以上の誘電体材料から形成されている；又は
前記光放出半導体構造の外に配置され、誘電体材料に組み込まれ、前記誘電体材料により前記金属層から隔てられている、プラズモニック構造；
を有する光放出デバイス。
【請求項２】
前記多重量子井戸からの近接場放射をハイパボリック・メタマテリアル格子構造の表面電子状態に結合し、前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造の前記表面電子状態からの放射をアウトカップルし、前記光放出デバイスからの光出力を形成するように構成されたハイパボリック・メタマテリアル格子構造を有する、請求項１に記載の光放出デバイス。
【請求項３】
前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造は前記光放出半導体構造に配置されている、請求項２に記載の光放出デバイス。
【請求項４】
前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造に隣接して配置される、前記多重量子井戸とは反対側にある反射表面を有する、請求項３に記載の光放出デバイス。
【請求項５】
前記反射表面は反射金属表面である、請求項４に記載の光放出デバイス。
【請求項６】
前記反射金属表面と前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造との間に配置される透明な導電性の金属酸化物の層を有する請求項５に記載の光放出デバイス。
【請求項７】
前記透明な導電性の金属酸化物の層と前記反射金属表面との間に配置される誘電体材料の層を有する請求項６に記載の光放出デバイス。
【請求項８】
反射金属表面；
前記反射金属表面と半導体ダイオード構造との間に配置される透明な導電性の金属酸化物の層；
前記透明な導電性の金属酸化物の層と前記反射金属表面との間に配置される誘電体層；
を有し、前記ハイパボリック・メタマテリアル格子構造は前記誘電体層に配置されている、請求項２に記載の光放出デバイス。
【請求項９】
前記多重量子井戸からの近接場放射を金属層の表面電子状態に結合するように構成された反射性の金属層を有するプラズモニック構造；及び
１つ以上の誘電体材料から形成され、前記光放出半導体構造の中で前記金属層と前記多重量子井戸との間に配置され、前記金属層の前記表面電子状態からの放射をアウトカップルし、前記光放出デバイスからの光出力を提供するように構成された格子構造；
を有する請求項１に記載の光放出デバイス。
【請求項１０】
前記格子構造と反射金属表面との間に透明な導電性の金属酸化物の層を有する、請求項９に記載の光放出デバイス。
【請求項１１】
前記透明な導電性の金属酸化物の層と前記反射金属表面との間に誘電体層を有する、請求項１０に記載の光放出デバイス。
【請求項１２】
前記多重量子井戸からの近接場放射を前記金属層の表面電子状態に結合するように構成された反射性の金属層を有するプラズモニック構造；及び
前記金属層と前記多重量子井戸との間で前記光放出半導体構造の外に配置され、誘電体材料に組み込まれ、前記誘電体材料により前記金属層から隔てられ、前記金属層の前記表面電子状態からの放射をアウトカップルし、前記光放出デバイスからの光出力を提供するように構成された格子構造；
を有する請求項１に記載の光放出デバイス。
【請求項１３】
前記格子構造は、前記格子構造が組み込まれている前記誘電体材料とは異なる１つ以上の誘電体材料から形成されている、請求項１２に記載の光放出デバイス。
【請求項１４】
前記格子構造は１つ以上の金属から形成されている、請求項１２に記載の光放出デバイス。
【請求項１５】
前記格子構造が組み込まれている前記誘電体材料と前記光放出半導体構造との間に配置される導電性の金属酸化物の層を有する、請求項１２−１４のうちの何れか１項に記載の光放出デバイス。
【国際調査報告】
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