JP4713190B2 - 面内発光層を含む半導体発光素子 - Google Patents
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Description
本発明は偏光を放出する半導体発光素子に関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振キャビティ発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザダイオード（ＶＣＳＥＬ）、及び端面発光レーザを含む半導体発光素子は、とりわけ現在利用可能な最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光素子の製造において現在興味深い材料系は、特にガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金といったＩＩＩ−Ｖ族半導体を含み、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる。典型的には、ＩＩＩ族窒化物発光素子は、異なる組成及びドーパント濃度の半導体層の積層を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物、又は他の適切な基板上にエピタキシャル成長させることによって製造される。この積層は、多くの場合、例えば、基板を覆って形成されるＳｉがドープされた１つ又はそれ以上のｎ型層と、その１つ又はそれ以上のｎ型層を覆って形成された発光領域又は活性領域と、例えば、その活性領域を覆って形成されるＭｇがドープされた１つ又はそれ以上のｐ型層とを含む。１つの部類のＵＶから緑色までの発光ダイオード又は短波長レーザ・ダイオードは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ又はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ歪み量子井戸を用いて、該量子井戸を挟んでいるｎ型領域とｐ型領域とから注入された電子と正孔とが再結合することにより光が発生する。
多くのＩＩＩ族窒化物素子においては、結晶構造は、量子井戸の面内の２つの等価結晶軸、及び量子井戸に垂直な第三結晶軸である
軸を備えたウルツ鉱型である。このような素子から放出された光は、正味偏光が無いように観察され、すなわち、このような素子の活性領域中の任意の点（原子、分子、又は電子−正孔ペア）は、ランダムで且つ極めて迅速に（通常１０ナノ秒未満）時間変動する偏光方向で発光するように観察される結果、正味偏光は長い時間スケールわたっては観察されないことを意味する。このような従来の構造は、ランダムに偏光された光を放出するといわれている。
本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、層面にほぼ平行な
軸を有するウルツ鉱型結晶構造を有する平面活性領域（面内偏光活性領域と呼ばれる）を含む。この面内偏光活性領域は、例えば、
又は
ＩｎＧａＮ発光層を含むことができる。放出された光偏光方向は、
軸に垂直で且つ量子井戸に平行であり、従って、放出された光の多くは、単一直線偏光状態のものである。幾つかの実施形態においては、ワイヤグリッド接点は、活性領域から放出された光の大部分の偏光を透過又は反射するように配向された偏光子として機能する。幾つかの実施形態においては、同一又は異なる有色光を放出する二つの活性領域は、下部活性領域によって放出された偏光を透過し、上部活性領域によって放出された交差偏光を反射するように配向された偏光子によって隔てられる。幾つかの実施形態においては、偏光子は、波長変換層によって散乱された光を反射する。
ＩｎＧａＮ発光層を含むことができる。放出された光偏光方向は、
図１は、ウルツ鉱型結晶ＧａＮ構造を示す。ＩＩＩ族窒化物素子は、サファイア基板の
又はｃ面上に成長させる場合が多く、これはこのような基板が広く利用可能であり、取り扱いが容易であることに起因する。結果として得られるＩＩＩ族窒化物層は、活性領域中に１つ又は複数の発光層を含み、典型的には
層であり、この
軸は、ＩＩＩ族窒化物層の面に垂直であることを意味する。このような活性領域によって放出された光は通常、外部から測定されたときに結晶に対してどのような偏光選択も示さない。
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物発光素子は、結晶
方向がＩＩＩ族窒化物発光層の面にほぼ平行であるように成長する。このような素子により放出される光は、少なくとも部分的に直線偏光することができる。１つ又は複数のＩＩＩ族窒化物発光層の面に平行な
方向を有する素子又は結晶層は、ｃ軸が素子の各層に平行か又は各層の面内にあるので、以下「面内」もしくは「面内偏光された」素子又は層と呼ぶ。幾つかの実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物素子の活性領域内の１つ又は複数の発光層は、四元合金ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）の
又は
層である。
本発明の実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物発光素子は、結晶
面内発光層を有する素子は、面内成長基板上に素子層を成長させることによって製造することができる。面内活性領域の成長に適切な基板の例としては、２Ｈ、４Ｈ、又は６ＨポリタイプのＳｉＣの
及び
表面；サファイアの
表面；及びγ−ＬｉＡＬＯ2の
表面が含まれる。ＳｉＣ基板の場合、堆積ＩＩＩ族窒化物薄膜の配向は、基板の配向と一致する。有機金属化学気相成長技術を使用する場合、面内ＩＩＩ族窒化物層を堆積させるプロセスは、
ＩＩＩ族窒化物層を
ＳｉＣ基板上に堆積させるのに使用されるプロセスと類似のものである。ＡｌＧａＮのバッファ層は、高温（〜１１００℃）で直接ＳｉＣ基板上に堆積する。ＧａＮ層はＡｌＧａＮバッファ層上に堆積する。発光ＡｌＩｎＧａＮ量子井戸はＧａＮ層上に堆積する。
発明者らは、
ＳｉＣ及び
サファイア上に成長したＩＩＩ族窒化物フォトルミネセンス試験構造体を準備した。４７５ｎｍで発光するように試験構造を３９６ｎｍレーザで励起させると、
ＳｉＣ素子からの光は、約９０％を超えて偏光され、また、
サファイア素子からの光は、約８０％が偏光された。この試験構造体を電気的に励起させると、
ＳｉＣ素子からの光は、７０−８０％が偏光された。偏光パーセントは、以下のように定義される。
上式で、Ｉp及びＩsは、垂直偏光及び水平偏光された光の強度である。本発明の実施形態は、少なくとも５０％偏光された光を放出する素子を含むことができる。非偏光は、極めて多数の個々の原子、分子、又は電子−正孔ペアからの極めて多数のフォトン放出からなる。各フォトンは、ランダムであるが、一定の偏光方向を有するようになり、連続するこのようなフォトンは、場合によっては毎秒１億を超える極めて高速で放出されるようになる。非偏光では、各原子、分子、又は電子−正孔ペアの偏光合計は、１億分の１秒よりもはるかに大きなタイムスケールにわたってサンプリングすると合計でゼロになる。従って、非偏光は０％偏光である。
以下で説明する実施形態は、面内発光層から放出された直線偏光を利用するものである。図２〜図５は、面内活性領域と偏光子とを組み合わせた素子を示しており、該偏光子は、活性領域によって放出された光の偏光に対する偏光子の配向に応じて透過性又は反射性の電気接点として機能することができる。図６及び図７は、面内活性領域を組み込んだ光結晶素子を示す。図８及び図１０は、垂直キャビティ面発光レーザ及び面内活性領域を組み込んだ端面発光レーザを示す。図９Ａ及び９Ｂは、面内活性領域と、散乱面又は複屈折層などの偏光切換面を含む素子を示す。
図２及び図３は、面内発光層及び偏光子を含む、本発明の第１の実施形態の断面図と平面図である。面内活性領域４は、ｎ型領域２及びｐ型領域６の間に挟まれている。ｎ型領域２、活性領域４、及びｐ型領域６のそれぞれは、組成、ドーパント濃度、及び厚みが異なる複数の層を含むことができる。活性領域４は、障壁層によって隔てられた複数の量子井戸を含むことができる。反射性接点８は、エピタキシャル領域２、４、及び６をホスト基板１０に取り付ける。接点８は、例えば、オーミックコンタクト層、銀などの反射性層、保護層、及びエピタキシャル構造体をホスト基板に結合するためのボンディング層を含むことができる。光は、ｎ型領域２を通って素子から取り出される。
偏光子１２は、ｎ型領域２上に形成される。図２に示された偏光子は、ワイヤグリッド偏光子である。ワイヤグリッド偏光子は、ワイヤに平行な偏光のフォトンを反射し、ワイヤに垂直な偏光のフォトンを透過する。偏光子１２は、活性領域４によって放出された偏光のフォトンを透過し、逆位相の偏光の任意のフォトンを反射するように配向される。ワイヤグリッド偏光子におけるワイヤの周期性を素子の発光波長に対して最適化することができ、結果として高い反射効率が得られる。ワイヤの間隙及び厚みは、素子によって放出された光の波長に依存することができる。ワイヤの厚みは、約１０ｎｍから約１０００ｎｍの間とすることができ、通常は約５０ｎｍから約８０ｎｍである。ワイヤの間隔は、約１０ｎｍと約１０００ｎｍを隔てることができ、通常は約１００ｎｍから約２００ｎｍ間隔である。ワイヤは、例えば、オーミック層、反射性層、保護層、及びボンディング層の１つ又はそれ以上を含む、例えば単一層もしくは多層金属構造体とすることができる。好適な材料の例には、銀、アルミニウム、金、及びロジウムが含まれる。上述の範囲内にある寸法の市販のワイヤグリッド偏光子は、４００〜６００ｎｍの範囲にわたる波長を有する光に対して偏光選択性を有することが分かっている。ワイヤグリッド偏光子の適切な配向は、素子の構造に基づいて選択するか、あるいは素子によって放出された光の偏光を計測することによって選択することができる。
図２に示された実施形態においては、ワイヤグリッド偏光子１２は、ｎ型領域２に対する接点として機能する。この接点は、ワイヤグリッド偏光子１２に電気的に接続されたパッドを形成することによって完成することができ、該パッドは、例えば、サブマウント又はワイヤボンディングに対する結合に好適である。活性領域によって放出された偏光を透過するよう配向された偏光子を使用すると、活性領域によって放出された光に対して透過性の接点が結果として得られ、素子の取り出し効率を低下させることになる、該接点による光の任意の吸収が低減される。幾つかの実施形態においては、インジウム・スズ酸化物などの電流拡散層を半導体層（図２のｎ型領域２）と偏光子との間に配置することができる。
他の実施形態においては、ワイヤグリッド偏光子は、ｐ型領域６に対する接点として機能することができる。このような実施形態においては、ワイヤグリッド偏光子は、素子に対して薄いエピタキシャル層を使用できるようにする。例えば、領域２、４、及び６の合計の厚みは、約０．１及から約１ミクロン厚とすることができる。エピタキシャル構造体の薄層化は、素子からの光の取り出しを向上させる。エピタキシャル構造体の厚みが減少すると、ｐ型領域６における電流拡散距離が減少し、大面積をカバーするｐ接点を必要とし、あるいは近接した格子又はフィンガーのｐ接点を必要とする。ｐ接点が光を吸収する場合には、薄い素子において必要とされる大面積又は近接したフィンガーは、有意な光の量を吸収する可能性があり、素子の効率を減少させる。面内偏光活性領域及びｐ接点としてワイヤグリッド偏光子を使用すると、素子に十分な電流を与えるに足りるほど近接しているが、活性領域によって放出される光に対しては透過性があるフィンガーを備えた接点を有する素子が得られることになる。従って、面内活性領域は、光の取り出しを犠牲にすることなく、より薄い素子の形成を可能とすることができる。
図２に示された素子は、成長基板上にエピタキシャル領域２、４、及び６を成長させ、接点８を堆積させて、次いでこのエピタキシャル構造体をホスト基板１０に結合することによって製造される。成長基板はその後、例えば、サファイア基板の場合にはレーザ剥離により、あるいはＳｉＣ基板の場合にはエッチングによって除去することができる。成長基板を除去した後、このエピタキシャル構造体を所望の厚みにまで薄くすることができる。基板を除去することによるＩＩＩ族窒化物素子の製造は、２００４年３月１９日に出願された出願番号（代理人整理番号ＬＵＭ−０３−０５−０１）に更に詳細に説明されており、引用により本明細書に組み込まれる。
偏光子１２は、ホスト基板ウエハからチップを個々に分割する段階の前の最終処理段階として形成されることが多い。ワイヤグリッド偏光子は、以下の方法によって形成することができる。すなわち、金属の層をウエハ上に堆積させ、次いで、例えば金属を覆ってフォトレジストの層を堆積させ、次に、例えば、予め形成されているワイヤグリッド偏光子を備えたフォトマスクを通して短波長の光を照射すること、又は２つのレーザビームからの干渉縞を用いてフォトレジストへの強度が変化する光線のアレイを投射すること、あるいは電子ビームによりワイヤグリッド偏光子パターンをフォトレジスト上に描くことなどの、フォトレジストを放射線に露光することによるパターン形成によってパターンを形成する。フォトレジストを露光すると、これを現像し洗浄して、金属層上に残留するフォトレジストのラインが得られる。フォトレジストの代わりとして、所望のパターンの反転パターンが含まれたマスタースタンプを用いてワイヤグリッド偏光子パターンをポリマー層にインプリントすることができる。露光された金属層は、化学薬品（湿式エッチング）、反応性イオンビーム（ＲＩＥ）、プラズマ強化反応性イオンビーム、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、又は当該技術分野で公知の他の適切な技術によってエッチング処理される。このようにして、残留しているフォトレジスト又はポリマーをウエハから化学的に除去することができ、図３に示すように間隔１６によって離隔され、平行で均一に間隔を置いて配置された金属ライン１４のパターンがウエハ上に得られる。
図４は、面内発光層及び偏光子を含む本発明の第２の実施形態を示す。２つのエピタキシャル構造体３ａ及び３ｂは、積み重ねられ、電気接点及びエピタキシャル構造体３ａと３ｂとの間のボンディング層として機能することができる偏光子１２によって隔てられている。偏光子１２は、ワイヤグリッド偏光子とすることができる。２つの活性領域４ａ及び４ｂは、直交偏光の光を放出する。下側エピタキシャル構造体３ａは、反射性接点８によってホスト基板１０に結合される。両方の活性領域からの光は、第２のエピタキシャル構造体３ｂのｎ型領域２ｂの上部を通って素子から取り出される。偏光子１２の構造及び配向は、下側活性領域４ａから放出された偏光が透過され、上側活性領域４ｂから放出された偏光が反射されるように選択される。
光線２０、２２、２４、及び２６は、図４の素子の動作を示している。活性領域４ａは主として偏光ｐのフォトンを放出する。活性領域４ｂは主として、偏光ｓのフォトンを放出する。偏光子１２は、偏光ｐのフォトンを透過し、偏光ｓのフォトンを反射する。光線２０は、活性領域４ａによって下方へ接点８に向けて放出される。光線２０は、接点８によって反射され、偏光子１２に入射する。光線２０は偏光ｐを有するので、偏光子１２によって透過され、素子の上面を通って出る。光線２２は、活性領域４ａによって偏光子１２に向けて放出され、この光線２２はｐ偏光されているので偏光子１２によって透過されて、素子の上面を通って出る。光線２４は、活性領域４ｂによって下方へ偏光子１２に向けて放出される。光線２４は、ｓ偏光されているので、偏光子１２によって反射され、素子の上面を通って出る。光線２６は、活性領域４ｂによって素子の上面に向けて放出され、該上面を通って出る。従って、偏光子１２は、上部エピタキシャル構造体３ｂによって下方へ放出された光が下部エピタキシャル構造体３ａによって吸収されるのを防ぐ。活性領域４ａによって放出された光は、活性領域４ｂによって放出された光に直交する偏光を有するので、活性領域４ｂは、活性領域４ａからの光を吸収せずにエピタキシャル構造体３ｂを通過する。所与の素子の占有面積では、図４に示された素子は、単一活性領域を備えた素子を上回る大きな光出力を提供することができる。幾つかの実施形態においては、この２つの活性領域４ａ及び４ｂは、異なる波長の光を放出することができる。素子によって放出された光が結合されて白色に見えるように、波長を選択することができる。幾つかの実施形態においては、この２つのエピタキシャル構造体３ａ及び３ｂは、異なる材料系で形成して、利用可能な波長範囲を増大させることができる。
図４に示された素子は、ｎ型領域２ａ、活性領域４ａ、及びｐ型領域６ａを成長基板上に成長させ、次いで、例えばオーミック接触層、反射性層、障壁層、及びボンディング層を含むことができる接点８をｐ型領域６ａの表面上に形成することによって製造することができる。次に、エピタキシャル構造体３ａがホスト基板１０に結合され、また、成長基板が除去される。次いで、成長基板の除去によって露出されたｎ型領域２ａの表面上に偏光子１２が形成される。偏光子１２は、エピタキシャル構造体３ａとエピタキシャル構造体３ｂとの間の電気接点及びボンディング層として機能することができ、あるいは、別の金属又は高導電性層をｎ型領域２ａの表面上に形成して、エピタキシャル構造体３ａ及び３ｂ間のボンディング層及び電気接点として機能させることができる。偏光子１２は、結合に好適な、銀などの軟質金属で形成することができる。第２のエピタキシャル構造体は、ｎ型領域２ｂ、活性領域４ｂ、及びｐ型領域６ｂを成長基板上に成長させ、次いで、ｎ型領域６ｂの表面が偏光子１２に面するようにエピタキシャル構造体を偏光子１２に結合することによって形成される。次に、第２の成長基板を除去し、第２の接点１８をｎ型領域２ｂの露出した表面上に形成することができる。図４に示された実施形態は直列に接続された２つのダイオードを示しているが、並列に接続された２つのダイオードなどの他の電気的配列も可能である。
図５は、面内発光層及び偏光子を含む本発明の第３の実施形態を示す。Ｎ型領域２、面内活性領域４、及びｐ型領域６が、成長基板３０上に成長される。ｎ接点及びｐ接点（図示せず）は両方とも、成長基板の反対側になるエピタキシャル構造体の面上に形成され、ｎ接点はｎ型領域２の部分を露出するように活性領域４及びｐ型領域６の一部をエッチングして除去することによって形成される。光は、成長基板３０を通って素子から取り出される。偏光子１２（例えばワイヤグリッド偏光子）は、成長基板３０の表面上に形成される。偏光子１２は、活性領域４によって放出された偏光を透過し、逆位相偏光の光を反射するように構成及び配向される。波長変換材料３２は、素子から放出された光の経路内に配置される。波長変換材料３２は、例えばステンシル又は電気泳動析出によって基板３０上に共形に堆積され、又は基板３０を覆って堆積された充填材料内に配置され、あるいはエピタキシャル構造体を覆うレンズ又はカバー３４を形成する材料の表面上又は材料内部を被覆することができる。
波長変換材料３２は、活性領域によって放出された光を吸収して異なる波長の光を再放出する蛍光体又は色素などの蛍光材料とすることができる。波長変換材料３２は、あらゆる方向に光を放出し、すなわち、波長変換材料３２によって放出された光の有意な部分が成長基板３０に向けて放出されることを意味する。波長変換材料３２によって放出された光は非偏光である。従って、波長変換材料３２によって基板３０に向けて放出された光の半分は、偏光子１２によって透過され、半分は反射されることになる。対照的に、従来素子においては、基板に向けて放出された光の大部分は、成長基板３０又はエピタキシャル構造体３によって吸収され、素子の取り出し効率が低下する。光線３６はこの動作を示している。光３６は、偏光子１２が透過する偏光を有して活性領域６から放出される。光３６は波長変換材料３２上に入射し、そこで光が吸収され、非偏光の波長が変換された光として基板３０に向けて放出される。光３６が偏光子１２上に入射すると、一部は波長変換層３２に向けて反射して戻され、そこでは光は別の機会に素子を出る。一部は成長基板３０に透過され、そこで光が吸収されるか、場合によっては別の機会に素子を出るように反射される。
図５に示された素子は、成長基板を保持しているフリップ・チップ素子であるが、図２に示されたように成長基板が除去された薄い素子を含む他のタイプの素子であっても偏光子及び波長変換層を結合することができる。
図６は、光結晶及び面内活性領域を含む素子の断面図である。光結晶４０は、メサ４４によって隔てられた複数の孔４２からなる格子をエピタキシャル構造体３のｎ型領域２中に形成することによって生成される。この複数の孔からなる格子は、周期的に変調された誘電率を有する媒体を生成し、媒体を通って光が伝播する進路に影響を与える。発光ダイオードのフォトンは、フォトンのエネルギと波長との間の関係を表すこれらのスペクトル又は分散関係によって特徴付けることができる。この関係は図示することができ、バンドギャップによって隔てられたエネルギバンド又はフォトニックバンドからなるフォトニックバンド図をもたらす。フォトニックバンド図は、電子バンド図で表現された結晶格子中の電子のスペクトルに類似するが、フォトニックバンド図は電子バンド図とは無関係である。光結晶がＩＩＩ族窒化物ＬＥＤ中に形成されると、該光結晶は、光が構造体中をどのように伝播するかに影響を及ぼす。従って、適切な格子間隔が選択される場合、他の場合では全反射によって構造体内に閉じこめられていたはずの光が出ることができ、ＬＥＤの取り出しが増大する。同様に、別の格子は、ＬＥＤ構造体中のフォトンモード体積を減少させることができ、ＬＥＤ活性層の放射率又は内部効率を増大させる。
ｎ接点４６は、光結晶で凹凸が付けられていないｎ型領域２の領域上に形成することができるが、他の実施形態においては、ｎ接点４６をｎ型領域２の光結晶領域上に形成してもよい。光結晶はｎ型領域中に形成されるので、（高導電性の）ｎ型材料は、接点４６から光結晶４０に電流を横方向に注入することができる。光は、光結晶４０を通って素子から取り出され、従って、ｎ接点４６の配列は、光結晶の面積を最大にするように選択される。例えば、ｎ接点４６は、光結晶領域４０を取り囲むことがきる。ｎ接点４６は、リング状接点に限定されず、同様に適切な電流拡散を促進する格子又は他の構造とすることができる。ｎ接点４６による光の吸収を防止するため、ｎ接点４６の下のエピタキシャル材料上での埋め込みを行い、該面積に電流が流れて光が発生することを回避することができる。反射性ｐ接点８は、ｐ型領域６上に形成される。ｐ接点８は、エピタキシャル構造体３を直接又は任意選択のボンディング層を介してホスト基板１０に接続する。エピタキシャル構造体３の反対側のホスト基板１０面上に任意選択の接点（図示せず）を形成してもよい。
光結晶構造体は、最大と最小が交互に周期的に変動するｎ型領域２の厚みを含むことができる。１つの実施例は、グレーティング（一次元格子）又は上述の孔４２からなる平面格子（二次元格子）である。格子は、孔の直径ｄ、最近傍孔の中心間距離を測定する格子定数ａ、孔の深さｗ、及び、孔中に配置された誘電体の誘電率εhによって特徴付けられる。パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、バンドの状態密度、詳細には、光結晶のスペクトルのバンドエッジにおける状態密度に影響を与える。従って、パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、素子によって放出された放射パターンに影響を及ぼし、素子からの取り出し効率を高めるように選択することができる。
孔４２は、三角形、正方形、六角形、ハニカム形、又は他の公知の二次元格子形式を形成するように配置することができる。幾つかの実施形態においては、素子の異なる領域中には異なる格子形式が形成される。孔４２は、円形、正方形、六角形、又は他の断面を有することができる。幾つかの実施形態においては、格子間隔ａは、約０．１λと約１０λの間、好ましくは約０．１λと約４λの間（λは、活性領域によって放出された光の素子中の波長）である。幾つかの実施形態においては、孔４２は、約０．１ａと約０．５ａ（ａは格子定数）の間の直径ｄを有することができる。孔４２は、空気又は多くの場合誘電率εhが約１と約１６の間である任意選択の誘電体（図示せず）で充填することができる。可能な誘電体は酸化ケイ素を含む。
面内活性領域を使用すると、光結晶４０の構造を簡素化することができる。従来の活性領域は、全ての偏光の光を放出し、光の全ての偏光に対するバンドギャップを有する光結晶構造体を必要とする。偏光を放出する面内活性領域を使用すると、活性領域から放出される光の偏光以外には光の偏光を制御する必要がないので、はるかに簡単な格子を使用可能とすることができる。従って、同じ素子性能を達成するためには、製造が難しい三角格子又は六角格子ではなく、簡単な線格子又は正方格子であることが、面内活性領域素子に対して必要とされる最も重要なことである。
幾つかの実施形態においては、光結晶４０は、薄いエピタキシャル構造を有する素子上に形成される。キャビティが薄くなるほど、導波モードが少なくなり、これは、厚みが減少するにつれてより多くの光が素子から放出されることを意味する。エピタキシャル構造体３の厚みは、エピタキシャル層が導波モード数を削減するために可能な限り薄いが、電流を効率的に拡散させる上では十分に厚いように選択される。多くの実施形態においては、エピタキシャル構造体３の厚みは、約１μｍ未満である。
幾つかの実施形態においては、エピタキシャル構造体３の厚みは約λと約５λの間であり、４５０ｎｍ光を放出する素子では約０，１８μｍと約０．９４μｍの間となる。孔４２は、約０．０５λとｎ型領域２の全厚みの間の深さを有する。一般に、孔４２は、完全にｎ型領域２内に形成され、活性領域へは貫通しない。Ｎ型領域２は通常、約０．１ミクロン以上の厚みを有する。一般に、孔４２の深さは、孔４２の底部を活性領域に入ることなく可能な限り活性領域に近接して設置するように選択される。
素子から放出された放射パターンは、格子タイプ、活性領域と光結晶との間の距離、格子パラメータａ、直径ｄ、及び深さｗを変えることによって調整することができる。格子パラメータａ及び直径ｄは、図７に示された正方格子中に示されている。幾つかの実施形態においては、放射パターンは、選択された方向に優先的に光を放出するように調整することができる。
図６に示された素子においては、光結晶４０は、ｎ型領域２内に完全に含まれる。他の実施形態においては、光結晶４０は、ｐ型領域６中に形成することができ、あるいは、ｐ型領域６又はｎ型領域２の何れかから活性領域４中又は活性領域を通って延びることができる。このような実施形態においては、面内活性領域で可能とすることができるこの簡素化された光結晶構造体は、結晶に損傷を与え且つ素子性能を低下させる可能性のある、光結晶を形成するためにエッチングして除去される活性領域の量及びｐ型領域内でなされたエッチングの量を制限することによって、素子性能を更に改善することができる。図６は素子表面上の光結晶４０を示しているが、他の実施形態においては、光結晶４０は、素子の表面上ではない領域中に形成することができる。このような実施形態においては、埋設された光結晶を活性領域の片側に形成することができ、図２に示された素子におけるような、偏光子として機能する接点は、素子表面上の活性領域の反対側上に形成することができる。
ＩＩＩ族窒化物光結晶発光素子は、２００２年１月２８日に出願された出願番号第１０／０５９，５８８号の「ＬＥＤ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、及び２００４年３月１９日に出願された出願番号（代理人整理番号ＬＵＭ−０３−０５−０１号）において更に詳細に説明されており、これらの特許の両方は、引用により本明細書に組み込まれる。
図８は、面内活性領域を組み込んだ垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の断面図である。活性領域４は、ｐ型領域６と第１のｎ型領域２ａとの間に挟まれている。トンネル接合５３は、ｐ型領域６を第２のｎ型領域２ｂと分離する。キャビティは、２つのミラー５１及び５２によって形成され、これらは例えば、誘電分布されたブラッグ反射器（ＤＢＲ）とすることができる。このキャビティは、ｎ型領域２ｂとホスト１０との間に配置される接点８によってホスト基板１０に接続される。第２の接点１８は、ｎ型領域２ａ上に形成される。層２ａ、２ｂ、４、及び６の部分は、ミラー５１と５２の間の領域内に電流を閉じ込めるために水素を注入することができる。
ＶＣＳＥＬは、レーザ発振モードに対して光学的損失よりも大きな光学的利得を提供する適正な反転分布を必要とする。望ましいキャビティモードへの誘導放出以外のあらゆる再結合プロセスは、反転分布を減損させて効率を制限する傾向にある。ＶＣＳＥＬに特有の極めて短いキャビティの場合において、望ましくないモードの１つの例は、望ましいレーザ発振モードに対して縮退しているが直交偏光されているモードである。単一偏光で光を放出する面内活性層は、発振閾値を下回って動作している場合には、この直交偏光モードを支持しようとはせず、従って、発振閾値に到達するのに注入キャリアを殆ど必要としないことになる。更に、面内活性領域を組み込んだＶＣＳＥＬは、特定偏光の光を必要とするディスプレイなどの多くの用途に対して問題のある偏光「フリップ」を示す可能性がない。
ＶＣＳＥＬを形成するために、ミラー５１及び５２は、高度に反射性があり、すなわち９９％を超える反射性がなければならない。幾つかの実施形態においては、図８の素子は、共振キャビティ型素子とすることができ、この場合１つ又は両方のミラーは、ＶＣＳＥＬで必要とされるよりも反射性が低い。ミラーは、共振キャビティ型素子に対してはＶＣＳＥＬと同程度の反射性がある必要はないので、共振キャビティ型素子においては、ミラー５２として図８に示されたＤＢＲを金属ミラーと置き換えることができる。金属ミラーは導電性であるので、金属ミラー５２を備えた素子においては、ｎ型領域２ｂ及びトンネル接合５３は図８の素子から除外することができる。好適な金属の例には、例えば、銀、金、アルミニウム、及びロジウムが含まれる。
図８を参照して上記で説明されたレーザ構造内に面内活性領域を使用する利点により、図１０に示されたレーザ・ダイオードなどの端面発光レーザ・ダイオードに対しても同様に適用することができる。図１０の素子においては、エピタキシャル層は、成長基板６０上に成長され、次いで、その積層をエッチングして、垂直壁が導波路をもたらすリッジ構造体を形成する。平行ミラー６３は、導波路の端部を劈開又はエッチングして反射面を設けることによって形成される。ｎ接点６２及びｐ接点６５で構造体が完成する。
図９Ａ及び図９Ｂは、面内活性領域および偏光切換面を含む素子を示す。図９Ａの素子は、偏光回転層６６を含む。図９Ｂの素子は、偏光ランダム化層６８を含む。図９Ａ及び９Ｂに示された素子は、フリップ・チップ素子であり、ここで、ｎ型領域２、活性領域４、及びｐ型領域６は、成長基板６０上に形成される。ｐ型領域及び活性領域の一部は、ｎ型領域の一部を露出するようにエッチングして除去され、ｎ型領域の上にはｎ接点６２が堆積される。光は、成長基板６０を通して素子から取り出される。
結晶表面に対して法線をなす結晶
軸を備えた従来のＩＩＩ族窒化物素子においては、ＩＩＩ族窒化物層の吸収は、入射光の偏光には無関係である。従って、活性領域によって放出されたフォトンは、その偏光に関係なく活性領域において再吸収される均等な機会がある。再吸収の大部分は、フォトンが半導体−空気界面、又は半導体−成長基板界面で全反射されることによって生じるものである。このようなフォトンは、素子を出る別の機会に遭遇する前に素子を通って「案内」されて、活性領域を通り抜けなければならない。
図９Ａ及び図９Ｂに示された素子のような面内活性領域を含む素子の場合には、活性領域から放出された光は、
軸と直角に直線偏光される。素子中のＩＩＩ族窒化物層は、この同じ方向に沿って偏光された光を優先的に吸収する。従って、図９Ａ及び図９Ｂに示された素子は、光を反射して素子に戻すための、反射器６７によって支持された偏光回転層６６又は偏光ランダム化面６８の何れかの偏光切換面を含む。切換面上に入射する光は、この偏光の回転又はランダム化を受けることになり、光が再吸収されることになる確率が低下する。偏光ランダム化構造体６８の１つの例は、（図９Ｂに示されたｐ型領域６の表面上のような）エピタキシャル構造体の表面上、又は素子の基板側上の何れかにある粗い散乱表面である。この表面は、三次元的成長を助ける成長条件を選択することによって、又は成長後に、例えば表面をエッチングすること、あるいは研削グリットを使用するなどの機械的に粗面化することによって粗くすることができる。偏光回転構造体６６の１つの例は、金属接点とエピタキシャル表面との間又は（図９Ａに示されたｐ接点６４及びｐ型領域６に隣接するような）これらに隣接して配置された、あるいは素子の基板側上に配置された複屈折誘電体である。ＩＩＩ族窒化物結晶もまた同様に複屈折であるので、光が活性領域４を透過して基板６０に向かって戻るときに光が吸収される可能性を低減するために、偏光回転構造体６６は、光が活性領域４からｐ型領域６を通って偏光回転構造体６６まで進み、またｐ型領域６を通って戻るときに偏光の全ての回転の合計が９０度であるように選択されなければならない。図９Ａ及び図９Ｂに示された素子においては、ｐ接点６４は、複数の均等に間隔を置いて配置された金属列又は格子として形成される。ｐ接点区域６４の厚み及び間隔は、ｐ型領域６においては適当な電流拡散が存在するが、偏光切換構造体によって覆われたｐ型領域６の表面は最大になるように選択される。図９Ａ及び図９Ｂにおいて、ｐ接点６４によって覆われたｐ型領域６の範囲では、凹凸が付けられた領域６８又は複屈折材料６６がエッチングによって除去されなければならない場合がある。
図９Ａ及び図９Ｂに示された偏光切換構造体はまた、図２に示された素子のような薄膜素子においても用いることができる。このような素子においては、偏光切換構造体は、ホスト基板１０とｐ型領域６との間に配置することができる。
本発明を詳細に説明してきたが、本開示が与えられると、本明細書で説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に対して変更を行うことができることは当業者には明らかであろう。例えば、上記に説明された特徴の２つ又はそれ以上は単一の素子において組み合わせることができる。従って、本発明の範囲は、図示され説明された特定の実施形態に限定されるものではない。
２ ｎ型領域
３ａ、３ｂ エピタキシャル構造体
４ 面内活性領域
６ ｐ型領域
８ 反射性接点
１０ ホスト基板
１２ 偏光子
１８ 第２の接点
２０、２２、２４、２６ 光線
３ａ、３ｂ エピタキシャル構造体
４ 面内活性領域
６ ｐ型領域
８ 反射性接点
１０ ホスト基板
１２ 偏光子
１８ 第２の接点
２０、２２、２４、２６ 光線
Claims (13)
- 順方向バイアスされたときに少なくとも５０％偏光された光を放出するように構成された、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟まれた活性領域を含むエピタキシャル構造体と、
前記活性領域によって放出された光の経路内に配置され、前記活性領域によって放出された光の大部分の偏光を透過するように配向される偏光子と、
を備え、
波長変換材料を更に含み、前記偏光子は前記エピタキシャル構造体と前記波長変換材料との間に配置される構造体。 - 前記活性領域は、順方向バイアスされたときに少なくとも８０％偏光される光を放出するように構成される請求項１に記載の構造体。
- 前記活性領域は、
ＩｎＧａＮの少なくとも１つの層を含む請求項１に記載の構造体。 - 前記活性領域は、
ＩｎＧａＮの少なくとも１つの層を含む請求項１に記載の構造体。 - 前記エピタキシャル構造体に結合されたホスト基板を更に含み、前記偏光子は均等に間隔を置いて配置された平行する複数の金属列を含む請求項１に記載の構造体。
- 前記金属列の各々は、１０ｎｍと１０００ｎｍ厚の間であり、前記金属列は１０ｎｍと１０００ｎｍ間隔で配置される請求項５に記載の構造体。
- 前記金属列の各々は、５０ｎｍと８０ｎｍ厚の間であり、前記金属列は１００ｎｍと２００ｎｍ間隔で配置される請求項５に記載の構造体。
- 前記均等に間隔を置いて平行に配置された金属列は、金、銀、アルミニウム、及びロジウムの少なくとも１つを含む請求項５に記載の構造体。
- 前記ｐ型領域と前記ホスト基板との間に配置された反射性接点を更に含み、前記偏光子は前記ｎ型領域上に配置され、前記ｎ型領域に対する電気接点を形成する請求項５に記載の構造体。
- 前記ｎ型領域、ｐ型領域、及び活性領域の合計厚みは、０．１と１ミクロンの間である請求項９に記載の構造体。
- 順方向バイアスされたときに少なくとも５０％偏光された光を放出するように構成された、第１のｎ型領域と第１のｐ型領域との間に挟まれた第１の活性領域を含む第１のエピタキシャル構造体と、
順方向バイアスされたときに少なくとも５０％偏光された光を放出するように構成された、第２のｎ型領域と第２ｐ型領域との間に挟まれた第２の活性領域を含む第２のエピタキシャル構造体と、
前記第１のエピタキシャル構造体と前記第２のエピタキシャル構造体との間に配置され、前記第１の活性領域によって放出された光の大部分の偏光を透過するように配向され、前記第２の活性領域によって放出された光の大部分の偏光を反射するように配向される偏光子と、
を備えた構造体。 - 前記第１の活性領域及び前記第２の活性領域は、同色の光を放出する請求項１１に記載の構造体。
- 前記第１の活性領域及び前記第２の活性領域は、異なる色の光を放出する請求項１１に記載の構造体。
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