特表 2023-554092 アキシャル３次元発光ダイオードを有する光電子デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-26

(54)【発明の名称】アキシャル３次元発光ダイオードを有する光電子デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/08 20100101AFI20231219BHJP

   H01L 33/16 20100101ALI20231219BHJP

   H01L 33/20 20100101ALI20231219BHJP

【ＦＩ】

H01L33/08

H01L33/16

H01L33/20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023537132

(86)(22)【出願日】2021-12-15

(85)【翻訳文提出日】2023-08-08

(86)【国際出願番号】 EP2021086032

(87)【国際公開番号】W WO2022129252

(87)【国際公開日】2022-06-23

(31)【優先権主張番号】2013518

(32)【優先日】2020-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】515113307

【氏名又は名称】アルディア

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】ダーヌン，メディ

(72)【発明者】

【氏名】ヒリュク，オルガ

【テーマコード（参考）】

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F241AA11

5F241AA14

5F241CA05

5F241CA12

5F241CA21

5F241CA33

5F241CA34

5F241CA40

5F241CA41

5F241CA65

5F241CA66

5F241CA88

5F241CB11

5F241CB23

5F241FF01

(57)【要約】

本開示は、アキシャル発光ダイオード（ＬＥＤ）のマトリックスを備える光電子デバイス（５）に関する。各ＬＥＤは、電磁放射線を放出する活性層（３６）を備える。マトリックスは、活性層を含む面において少なくとも第１と第２の共振ピークを有するフォトニック結晶を形成し、各第１および第２のピークは、それぞれ第１および第２の波長で放射線強度を増幅する。各発光ダイオード（ＬＥＤ）は細長い半導体素子（２６）を備え、第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）の第１の部分（２８）と、第１の部分を延長し、第１の部分から離れるにつれて減少する断面積を有する第２の部分（３０）と、第２の部分を延長し、第１の平均直径よりも厳密に小さい第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）を有する活性層（３６）とを備え、活性層は第１のピークの位置にあり、第２のピークの位置にはない。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アキシャル発光ダイオード（ＬＥＤ）のマトリックスを備え、各発光ダイオードは、電磁放射線を放出するように構成された活性層（３６）を備え、前記マトリックスは、前記活性層を含む平面において、少なくとも第１および第２の共振ピークを形成するように構成されたフォトニック結晶を形成し、各第１の共振ピークは、第１の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各第２の共振ピークは、第２の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各発光ダイオード（ＬＥＤ）は、軸（Δ）に沿って細長い半導体素子（２６）を備え、第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）の第１の部分（２８）と、第１の部分を延長し、前記第１の部分から離れるにつれて減少する断面積を有する第２の部分（３０）と、前記第２の部分を延長し、前記第１の平均直径よりも厳密に小さい第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）を有する前記活性層（３６）とを備え、前記活性層は、前記第１の共振ピークの位置にあり、第２の共振ピークの位置にはない、
光電子デバイス（５）。

【請求項2】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）に対する前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）の比の２倍は、０．５と１．８との間である
請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）に対する前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）の比の２倍は、０．６と１．４との間である
請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）は０．０５μｍと２μｍとの間である
請求項１～３のいずれか１つに記載のデバイス。

【請求項5】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）は１００ｎｍと１μｍとの間である
請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

前記軸（Δ）に沿って測定された前記第２の部分（３０）の高さ（Ｈ_ｔｏｐ）は、前記軸に沿って測定された前記細長い半導体素子の高さの１０％未満である
請求項１～５のいずれか１つに記載のデバイス。

【請求項7】

前記細長い半導体素子（２６）の前記第１の部分は、一定の断面を有する
請求項１～６のいずれか１つに記載のデバイス。

【請求項8】

前記アキシャル発光ダイオード（ＬＥＤ）は、０．１μｍと４μｍとの間のピッチ（ａ）を有するアレイに配置されている
請求項１～７のいずれか１つに記載のデバイス。

【請求項9】

前記軸（Δ）に沿って測定された各細長い半導体素子（２６）の高さは、１００ｎｍと５０μｍとの間である
請求項１～８のいずれか１つに記載のデバイス。

【請求項10】

前記細長い半導体素子（２６）が一定の断面を有することを考慮して、シミュレーションにより、前記フォトニック結晶のピッチ（ａ）および前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）を決定するステップａと、
前記第１の平均直径を変更せずに前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）を減少させるステップｂと、
減少された第２の平均直径を有する前記活性層を有する前記光電子デバイス（５）の動作をシミュレートするステップｃと、
前記活性層が前記第１の共振ピークの位置にあり、前記第２の共振ピークの位置にはなくなるまで、ステップｂ及びステップｃを繰り返すステップｄと
を含む請求項１～９のいずれか１つに記載の光電子デバイス（５）を設計するための方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光電子デバイス、特に、半導体材料をベースとした発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える表示スクリーンまたは画像投影デバイス、およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特定の用途では、理想的に実質的に単色である狭スペクトルを有する電磁放射線を放出する発光ダイオード、および／または、その発光が可能な限り指向性である発光ダイオードを得ることが望まれている。

【0003】

アキシャル型の光電子３次元発光ダイオード［ＬＥＤ］デバイスは、このような特性を有し得る。アキシャル型３次元発光ダイオードとは、好ましい方向に沿って延びる細長い３次元半導体素子、例えばマイクロメートルまたはナノメートル単位の直径のワイヤを備えるＬＥＤであり、３次元半導体素子の軸方向端部に活性層を備え、活性層は、ＬＥＤによって提供される電磁放射線の大部分が放出されるＬＥＤ領域である。

【0004】

しかし、非常に狭いスペクトルおよび／または高指向性放射線を放出する光電子デバイスが望まれるいくつかの用途では、既知の３次元アキシャル型ＬＥＤでは不十分な可能性がある。

【発明の概要】

【0005】

したがって、一実施形態の目的は、上述したＬＥＤ光電子デバイスの欠点の全部または一部に対処することである。

【0006】

一実施形態の他の目的は、３次元アキシャル型ＬＥＤが狭い発光スペクトルを有することである。

【0007】

一実施形態のさらなる目的は、アキシャル型３次元ＬＥＤが指向性放射線を放出することである。

【0008】

一実施形態は、アキシャルＬＥＤのマトリックスを備える光電子デバイスを提供する。各ＬＥＤは、電磁放射線を放出するように構成された活性層を備え、マトリックスは、活性層を含む平面において、少なくとも第１および第２の共振ピークを形成するように構成されたフォトニック結晶を形成する。各第１の共振ピークは、第１の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各第２の共振ピークは、第２の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各発光ダイオード（ＬＥＤ）は、軸に沿って細長い半導体素子を備え、細長い半導体素子は、第１の平均直径を有する第１の部分と、第１の部分を延長し、第１の部分から離れるにつれて減少する断面積を有する第２の部分と、第２の部分を延長し、第１の平均直径よりも厳密に小さい第２の平均直径を有する活性層とを有し、活性層は、第１の共振ピークの位置にあり、第２の共振ピークの位置にはない。

【0009】

一実施形態によれば、第２の平均直径と第１の平均直径との比の２倍は、０．５と１．８との間である。

【0010】

一実施形態によれば、第２の平均直径と第１の平均直径との比の２倍は、０．６と１．４との間である。

【0011】

一実施形態によれば、第１の平均直径は０．０５μｍと２μｍとの間である。

【0012】

一実施形態によれば、第１の平均直径は１００ｎｍと１μｍとの間である。

【0013】

一実施形態によれば、前記軸に沿って測定された第２の部分の高さは、前記軸に沿って測定された細長い半導体素子の高さの１０％未満である。

【0014】

一実施形態によれば、細長い半導体素子の第１の部分は、一定の断面を有する。

【0015】

一実施形態によれば、アキシャルＬＥＤは、０．１μｍと４μｍとの間のピッチを有するアレイに配置されている。

【0016】

一実施形態によれば、前記軸に沿って測定された各細長い半導体素子の高さは、１００ｎｍと５０μｍとの間である。

【0017】

また、一実施形態は、上記で定義された光電子デバイスを設計するための方法を提供する。方法は、下記のステップを含む：
ステップａ：細長い半導体素子が一定の断面を有することを考慮して、シミュレーションにより、フォトニック結晶のピッチおよび第１の平均直径を決定する；
ステップｂ：第１の平均直径を変更せずに第２の平均直径を減少させる；
ステップｃ：活性層が減少された第２の平均直径を有する光電子デバイスの動作をシミュレートする；ならびに
ステップｄ：活性層が第１の共振ピークの位置にあり、第２の共振ピークの位置になくなるまで、ステップｂおよびｃを繰り返す。

【図面の簡単な説明】

【0018】

上記及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明を限定するものではない実例として与えられる以下の特定の実施形態に詳細に記載されている。

【0019】

【図1】ＬＥＤを備える光電子デバイスの一実施形態の概略部分断面図である。

【図2】図１に示す光電子デバイスの概略部分透視図である。

【図3】図１に示す光電子デバイスの一部の詳細図に対応する概略部分断面図である。

【図4】第１のシミュレーションに使用された比較用光電子デバイスの概略部分断面図である。

【図5】比較用光電子デバイスによって放出される光強度の、放出される放射線の波長および２つの発光モードの存在を示す放出角度に応じたグレースケール・マップである。

【図6】比較用光電子デバイスによって放出される放射線と、ランバート放射線とのそれぞれの累積フラックスの進化曲線を示す図である。

【図7】比較用光電子デバイスによって放出される放射線と、ランバート放射線とのダイアグラムを示す図である。

【図8】ＬＥＤの活性層を含む平面における比較用光電子デバイスの第１のモード増幅係数のグレースケール・マップである。

【図9】ＬＥＤの活性層を含む平面における比較用光電子デバイスの第２のモード増幅係数のグレースケール・マップである。

【図10】図８および図９に示す高増幅領域を有する図１の光電子デバイスのＬＥＤの一部の概略断面図である。

【図11】図８および図９に示す高ゲイン領域を有する図１の光電子デバイスのＬＥＤの一部を上から見た概略図である。

【図12】シミュレーションによって得られた、ＬＥＤの第１の減径係数の場合の図１の光電子デバイスによって放出される光強度の、放出される放射線の波長および放出角度に応じたグレースケール・マップである。

【図13】ＬＥＤの第２の減径係数の場合の、図１２と類似する図である。

【図14】第２の減径係数を有する図１による光電子デバイスの場合の、図６と類似する図である。

【図15】第２の減径係数を有する図１による光電子デバイスの場合の、図７と類似する図である。

【図16】第１の試験の期間中に得られた、比較用光電子デバイスによって放出される光強度の、放出される放射線の波長および放出角度に応じたグレースケール・マップである。

【図17】第１の試験の期間中に得られた、比較用光電子デバイスによって発光面に直交して放出される光強度の、放出される放射線の波長に応じた進化曲線を示す図である。

【図18】第２の試験の期間中に得られた、図１の光電子デバイスによって発光面に直交して放出される光強度の、放出される放射線の波長および放出角度に応じたグレースケール・マップである。

【図19】第３の試験の期間中に得られた、図１の光電子デバイスによって発光面に直交して放出される光強度の、放出される放射線の波長に応じた進化曲線を示す図である。

【図20】シミュレートされた、図１の光電子デバイスによって放出される光強度の、放出される放射線の波長および減径率に応じたグレースケール・マップである。

【図21】図１による光電子デバイスを設計するための方法の一実施形態のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

同様の特徴は、様々な図面で同様の参照符号によって指定されている。特に、様々な実施形態の間で共通である構造的および／または機能的特徴は、同じ参照符号を有し得、同一の構造的、寸法的および材料的特性を有し得る。明確にするために、本明細書に記載された実施形態の理解に有用な動作及び要素のみが図示され、詳細に説明されている。特に、考慮される光電子デバイスは、詳述しない他の構成要素を含み得る。

【0021】

以下の開示では、特に指定しない限り、「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「左」、「右」などの絶対位置を修飾する用語、「の上」、「の下」、「上側」、「下側」などの相対位置を修飾する用語、または「水平」、「垂直」などの向きを修飾する用語に言及する場合、通常の使用時に方向づけられた図に示された向きを参照する。

【0022】

特に指定されていない場合、「約」、「略」、「実質的に」および「程度」という表現は、該当する値の１０％の範囲内、好ましくは５％の範囲内を表す。さらに、「絶縁体」および「導体」という用語は、本明細書では、それぞれ「電気絶縁性」および「導電性」を意味すると理解される。

【0023】

以下の説明では、層の内部透過率は、層から出る放射線強度と層に入る放射線強度との比である。層の吸収率は、１と内部透過率との差に等しい。本明細書の残りの部分では、層を通る放射線の吸収率が６０％よりも小さい場合、層は放射線に対して透明であるという。本明細書の残りの部分では、層における放射線の吸収率が６０％よりも大きい場合、層は放射線に対して吸収性を有するという。放射線が、最大値を有するガウス型スペクトルなどの一般的に「ベル型」のスペクトルを有する場合、放射線の波長、または放射線の中心波長もしくは主波長は、スペクトルの最大値に達する波長と呼ばれる。本明細書の残りの部分では、材料の屈折率は、光電子デバイスによって放出される放射線の波長範囲に対する材料の屈折率を指す。特に指定しない限り、屈折率は、有用な放射線の波長範囲にわたって実質的に一定であると考えられ、例えば、光電子デバイスによって放出される放射線の波長範囲にわたる屈折率の平均に等しい。

【0024】

アキシャルＬＥＤとは、円筒形など、好ましい方向に沿って細長い形状の３次元構造を意味し、該３次元構造は、５ｎｍと２．５μｍとの間、好ましくは５０ｎｍと２．５μｍとの間の、マイナーディメンジョンと呼ばれる少なくとも２つの寸法を有する。メジャーディメンションと称される第３の寸法は、最大のマイナーディメンションの１倍以上、好ましくは５倍以上、より好ましくは１０倍以上である。いくつかの実施形態では、マイナーディメンションは、約１μｍ以下、好ましくは１００ｎｍと１μｍとの間、より好ましくは１００ｎｍと８００ｎｍとの間であってよい。いくつかの実施形態では、各ＬＥＤの高さは、５００ｎｍ以上、好ましくは１μｍと５０μｍとの間であってもよい。

【0025】

図１は、半導体素子がナノワイヤまたはマイクロワイヤに対応する光電子ＬＥＤデバイス５の一実施形態の概略部分断面側面図であり、これにより、狭いスペクトルおよび／または指向性放射線の放出を得ることが可能となる。

【0026】

デバイス５は、下記の要素を備える：
－支持体１０：第１電極１２と、平行な面１６および１８を有する半導体などの基板１４と、面１８を覆う核形成層２０と、核形成層２０を覆い、所望のワイヤ位置に開口部２４を含む絶縁層２２とを備え、面１６は電極１２と接触しており、図１に開口部２４が１つ示されている；
－発光ダイオードＬＥＤのマトリックス：支持体１０上に載置され、図１に発光ダイオードＬＥＤが１つ示されており、各発光ダイオードＬＥＤは、開口部２４のうちの１つにおいて核形成層２０と接触したワイヤ２６を備え、ワイヤ２６は、少なくとも部分的に第１の導電型でドープされており（例えば、Ｎ型ドーピング）、実質的に円筒状の下部２８を備え、下部２８は、核形成層２０と接触しており、基板１４から離れるにつれて断面が減少する上部３０まで延びており、上部３０は上面３２を有し、各発光ダイオードＬＥＤはワイヤ２６の上面３２を覆うシェル３４をさらに備え、シェル３４は、活性層３６と、第２の導電型でドープされた（例えば、Ｐ型ドーピング）半導体層３８とを備える；
－絶縁層４０：各ワイヤ２６および各シェル３４の外周を覆い、活性層３６によって放出される放射線に対して透明である；
－導電層４２：活性層３６によって放出される放射線に対して透明であり、絶縁層４０および各シェル３４を覆い、各シェル３４と接触しており、導電層４２は第２の電極を形成する；ならびに
－電気絶縁封止層４４：活性層３６によって放出される放射線に対して透明であり、構造全体を覆い、封止層４４は、発光面と称される上面４６を備える。

【0027】

活性層３６は、発光ダイオードＬＥＤによって提供される電磁放射線の大部分が放出される層である。発光ダイオードＬＥＤは並列に接続されてＬＥＤアレイを形成してもよい。アレイは、数個から１０００個の発光ダイオードＬＥＤを備えてもよい。

【0028】

各発光ダイオードＬＥＤは、活性層３６がワイヤ２６の延長線上にあり、半導体層３８が活性層３６の延長線上にあるという点で、アキシャルであると言われ、ワイヤ２６、活性層３６および半導体層３８を備える集合体は、ワイヤ２６の軸またはアキシャルＬＥＤの軸と呼ばれる軸Δに沿って延びている。好ましくは、発光ダイオードＬＥＤの軸は、平行し、面１８に直交する。

【0029】

ワイヤ２６の底面は、例えば楕円形、円形または多角形（例えば、三角形、長方形、正方形、または六角形を含む）の形状を有する。ワイヤの断面積は、ワイヤ軸Δに沿って一定であってもよく、またはワイヤ軸に沿って変化してもよい。ワイヤ２６の下部２８の平均直径は、Ｄ_ｎｗと称される。下部２８が円形の断面形状を有するワイヤ２６の場合、平均直径は円の直径である。下部２８が円形以外の断面を有するワイヤ２６の場合、平均直径は、下部２８の断面積と同じ面積を囲む円の直径に対応する。上面３２の平均直径は、Ｄ_ｔｏｐとも称される。好ましくは、上面３２は平らである。好ましくは、上面３２は、ワイヤ２６を含む結晶の成長方向ｃに垂直な結晶面に対応する。上面３２が円形に対応する場合、平均直径Ｄ_ｔｏｐは円の直径に対応する。上面３２が円形以外である場合、平均直径Ｄ_ｔｏｐは、上面３２の断面積と同じ面積を囲む円の直径に対応する。直径Ｄ_ｎｗに対する直径Ｄ_ｔｏｐの比は、減径率ＳＦと称され、直径Ｄ_ｎｗに対する直径Ｄ_ｔｏｐの比の２倍である。さらに、軸Δに沿って測定されたワイヤ２６の下部２８の高さはＨ_ｎｗと称され、軸に沿って測定されたワイヤ２６の上部３０の高さはＨ_ｔｏｐと称される。

【0030】

直径Ｄ_ｎｗは、０．０５μｍと２μｍとの間、好ましくは１００ｎｍと１μｍとの間、より好ましくは１００ｎｍと８００ｎｍとの間であってもよい。一実施形態によれば、減径率ＳＦは、１．８未満、好ましくは１．６未満、より好ましくは１．４未満、さらに好ましくは１．２未満である。一実施形態によれば、減径率ＳＦは、０．５よりも大きく、好ましくは０．７よりも大きく、より好ましくは０．８よりも大きい。

【0031】

一実施形態によれば、高さＨ_ｎｗとＨ_ｔｏｐとの合計に対応するワイヤ２６の高さは、１００ｎｍ以上、好ましくは５００ｎｍと５０μｍとの間、より好ましくは１μｍと５０μｍとの範囲であってもよい。高さＨ_ｔｏｐは、ワイヤ２６の高さの１０％未満、好ましくは８％、より好ましくは５％である。

【0032】

一実施形態によれば、ワイヤ２６の下部２８の断面積が軸Δに沿って一定でない場合、下部２８は、断面積の平均直径の変動が１０％未満に留まる、ワイヤ２６の底面から支持体１０の接触部までの部分として定義される。また、ワイヤ２６の下部２８の平均直径Ｄ_ｎｗは、下部２８と上部３０との接合部における下部２８の直線部分の平均直径に対応してもよく、または、軸Δに沿ったワイヤ２６の下部２８の直線部分の平均直径の平均に対応してもよい。

【0033】

図１に示す実施形態では、上部３０は錐台形状を有する。変形例では、上部３０は、フレア、凹状、または凸状の形状を有してもよい。

【0034】

図２は、光電子デバイス５の概略部分透視図である。図２では、各発光ダイオードＬＥＤは、円筒形で概略的に示されている。また、層４２および４４は示されていない。

【0035】

一実施形態によれば、発光ダイオードＬＥＤは、フォトニック結晶を形成するように配置されている。図２には、例として、１２個の発光ダイオードＬＥＤが示されている。実際には、発光ダイオードＬＥＤマトリックスは、７～１００，０００の発光ダイオードＬＥＤを備えてもよい。

【0036】

一実施形態によれば、発光ダイオードＬＥＤは、行および列に配置されている（図２には、３行および４列が例として示されている）。マトリクスのピッチ「ａ」は、発光ダイオードＬＥＤの軸と、同じ行または隣接する行にある近くの発光ダイオードＬＥＤの軸Δとの間の距離である。ピッチａは実質的に一定である。一実施形態によれば、ピッチａは、０．１μｍと４μｍとの間であってもよい。

【0037】

より具体的には、マトリクスのピッチａは、マトリクスがフォトニック結晶を形成するように選択される。形成されるフォトニック結晶は、例えば、２次元フォトニック結晶である。正方形配置と称される図２に示す配置例では、発光ダイオードＬＥＤは、行と列との各交差点に位置し、行は列に垂直である。六角形配置と呼ばれる他の配置例によれば、１行におけるＬＥＤは、前の行および次の行におけるＬＥＤからピッチａの半分だけオフセットされている。

【0038】

マトリクスによって形成されるフォトニック結晶の特性は、有利には、ＬＥＤマトリクスが、軸Δに垂直な面内の共振空洞と軸Δに沿った共振空洞とを形成するように、特に結合を達成し選択効果を高めるために選択される。これにより、フォトニック結晶を形成しない発光ダイオードＬＥＤのアレイと比較して、マトリクスの発光ダイオードＬＥＤのアレイによって発光面４６を通って放出される放射線の強度を、特定の波長において増幅することが可能となる。フォトニック結晶の共振ピークは、孤立して得られた活性層３６の発光スペクトルが最大となる波長とは異なってもよいことに留意されたい。有利には、フォトニック結晶の共振ピークの１つは、孤立して得られた活性層３６の発光スペクトルが最大となる波長と同じ、または該波長に近い波長である。

【0039】

フォトニック結晶の特性は、光電子デバイス５を構成する素子の幾何学的寸法およびこれらの素子を構成する材料によって決定される。第１の近似として、フォトニック結晶の特性はワイヤ２６によって設定されてもよい。

【0040】

一実施形態によれば、ワイヤ２６およびシェル３４は、少なくとも一部が半導体材料で作られている。半導体材料は、ＩＩＩ－Ｖ族化合物、ＩＩ－ＶＩ族化合物、およびＩＶ族半導体もしくは化合物からなる群から選択される。ＩＩＩ族元素の例としては、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。Ｖ族元素の例としては、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）が挙げられる。ＩＩＩ－Ｎ化合物の例は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮである。ＩＩ族元素の例としては、ベリリウム（Ｂｅ）およびマグネシウム（Ｍｇ）を含むＩＩＡ族元素、ならびに亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、および水銀（Ｈｇ）を含むＩＩＢ族元素が挙げられる。ＶＩ族元素の例としては、酸素（Ｏ）およびテルル（Ｔｅ）を含むＶＩＡ族元素が挙げられる。ＩＩ－ＶＩ族化合物の例は、ＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、ＣｄＺｎＯ、ＣｄＺｎＭｇＯ、ＣｄＨｇＴｅ、ＣｄＴｅまたはＨｇＴｅである。一般に、ＩＩＩ－ＶまたはＩＩ－ＶＩ化合物の元素は、異なるモル分率で組み合わせることができる。ＩＶ族半導体材料の例は、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）合金、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）合金、または炭化ゲルマニウム（ＧｅＣ）合金である。ワイヤ２６および半導体層３８はドーパントを備えてもよい。一例として、ＩＩＩ－Ｖ化合物の場合、ドーパントは、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）もしくは水銀（Ｈｇ）などのＩＩ族Ｐ型ドーパント、炭素（Ｃ）などのＩＶ族Ｐ型ドーパント、またはケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）、テルビウム（Ｔｂ）もしくは錫（Ｓｎ）などのＩＶ族Ｎ型ドーパントからなる群から選択されてもよい。好ましくは、少なくとも部分的に、半導体層３８はＰドープＧａＮであり、ワイヤ２６はＮドープＧａＮである。

【0041】

第２の電極層４２は、導電性で透明である。一実施形態によれば、電極層４２は、インジウムスズ酸化物（またはＩＴＯ）、アルミニウムもしくはガリウムでドープされたかもしくはドープされない酸化亜鉛、またはグラフェンなどの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層である。一例として、電極層４２は、５ｎｍと２００ｎｍとの間、好ましくは２０ｎｍと５０ｎｍとの間の厚さを有する。絶縁層２２もしくは４０、またはコーティング４４は、酸化ケイ素または窒化ケイ素などの無機材料で作られてもよい。絶縁層４０および／またはコーティング４４は、絶縁性ポリマーをベースとしたベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの有機材料であってもよい。コーティング４４は、後で詳しく説明されるように、１つの光学フィルタ、または互いに隣接して配置された複数の光学フィルタを備えてもよい。

【0042】

シード層すなわち核形成層２０は、ワイヤ２６の成長を促進する材料で作られている。一例として、シード層２０を構成する材料は、元素周期表のＩＶ、Ｖ、またはＶＩ列の遷移金属の窒化物、炭化物、もしくはホウ化物、またはこれらの化合物の組み合わせであってもよい。シード層２０は、複数の別個のシードパッドで置き換えてもよく、その場合、各ワイヤ２６が１つのシードパッド上に載置される。

【0043】

支持体１０は、前述した構造とは異なる構造を有してもよい。一実施形態によれば、支持体１０は、発光ダイオードが載置された表面電極層を有する電子回路に対応してもよい。電極層１２は、ＬＥＤマトリクスのＬＥＤグループの別個の制御を可能にするように、別々の部分に分割されてもよい。

【0044】

図３はシェル３４の拡大図である。シェル３４は、以下を含むがそれらに限定されない複数の半導体層の積層体を備えてもよい：
－ワイヤ２６の上部３０の上面３２を覆う、ＧａＮなどの中間層５０；
－中間層５０を覆い、好ましくは中間層５０と接触している活性層３６；
－任意で、活性層３６を覆うバリア層５２；
－バリア層５２を覆うワイヤ２６の下部２８とは反対の導電型の半導体層３８；ならびに
－半導体層３８を覆い、電極層４２によって覆われ、電極層４２と接触している結合層５４。

【0045】

中間層５０は、ワイヤ２６の上部２８と同じ半導体材料の層、またはＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、もしくはＡｌＧａＩｎＮタイプの合金の層が好ましい。中間層５０は、活性層３６の成長に適した特性を有する表面を提供することを目的としている。中間層５０の厚さは、５ｎｍ～５μｍの範囲、好ましくは１０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲であってもよい。

【0046】

活性層３６は、多重量子井戸などの閉じ込め手段を含んでもよい。活性層３６は、ＧａＮ層５６とＩｎＧａＮ層５８とが交互に積層されており、例えば、図３に例として２つのＧａＮ層５６と２つのＩｎＧａＮ層５８とが示されている。ＧａＮ層５６は、Ｎ型またはＰ型などでドープされてもよく、またはドープされなくてもよい。他の例によれば、活性層３６は、例えば２つのＧａＮ層の間に厚さが１０ｎｍよりも大きい単一のＩｎＧａＮ層を備える単一量子井戸を備えてもよい。

【0047】

発光ダイオードＬＥＤを成長させるための方法は、化学気相成長法（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）（有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）としても知られている）、またはリモートプラズマ有機金属気相成長法（ＲＰ－ＭＯＣＶＤ）などのタイプの方法または方法の組み合わせであってもよい。しかし、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ガスソースＭＢＥ（ＧＳＭＢＥ）、有機金属ＭＢＥ（ＭＯＭＢＥ）、プラズマアシストＭＢＥ（ＰＡＭＢＥ）、原子層エピタキシー（ＡＬＥ）またはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）などの方法を使用することもできる。しかし、電気化学的な方法、例えば、化学浴堆積法（ＣＢＤ）、水熱プロセス、液体エアロゾル熱分解、または電着を使用することもできる。

【0048】

ワイヤ２６の上部３０の形成は、ワイヤ２６の成長条件を変えることにより達成されてもよく、例えば、直径Ｄ_ｎｗのワイヤを得る初期成長条件と、直径Ｄ_ｔｏｐのワイヤを得る最終成長条件との間で、Ｖ／ＩＩＩ比を徐々に増加させ、温度を低下させることにより、直径の減少を達成する。

【0049】

一実施形態によれば、ワイヤ２６の下部２８はＭＯＣＶＤによって形成され、ワイヤ２６の上部３０はＭＢＥによって形成される。

【0050】

シミュレーションおよび試験が行われた。これらのシミュレーションおよび試験では、下部２８および上部３０はＮドープＧａＮで作られており、各発光ダイオードＬＥＤでは、下部２８および上部３０の屈折率は２．４と２．５との間である。活性層３６は、ＩｎＧａＮの層である。半導体層３８はＰ型ドープＧａＮで作られている。電極層４２は、ＴＣＯで作られている。絶縁層４０および封止層４４はＢＣＢベースのポリマーで作られている。絶縁層４０の屈折率は、１．４５と１．５６との間である。六角形網目に分布された発光ダイオードＬＥＤのアレイは考慮された。ワイヤ２６の高さは３００ｎｍと１μｍとの間である。上部３０の高さは２０ｎｍと３００ｎｍとの間である。シェル３４の厚さは１００ｎｍと５００ｎｍとの間である。電極層４２の厚さは１００ｎｍと５００ｎｍとの間である。封止層４４の厚さは１μｍと１ｍｍとの間である。

【0051】

第１のシミュレーションでは、光電子デバイス５の減径率ＳＦは２に等しい。

【0052】

図４は、減径率ＳＦが２に等しいときの光電子デバイス５の概略部分断面図である。上部３０の断面積は実質的に一定であり、ワイヤ２６の下部２８の断面積と同一である。この構成による光電子デバイス５は、比較用光電子デバイスと称される。

【0053】

図５は、比較用光電子デバイスの発光面４６から放出される放射線の光強度ＩＬ（任意単位）の、放出される放射線の波長λおよび発光面４６に直交した方向における放出角度に応じたグレースケール・マップである。グレースケール・マップの明るい領域は、共振ピークに対応する。小さな放出角度では、第１の発光モードＭ１は約５５０ｎｍの波長で観測され、第２の発光モードＭ２はより長い波長で観測される。光学ギャップＯＧは、所定放出角度におけるモードＭ１とモードＭ２との波長の差に対応する。

【0054】

図６は、発光面４６に垂直な軸を有する錐体において、比較用光電子デバイスによって放出される放射線の累積フラックスＦ（パーセントで表された）の、錐体の頂点における半角に応じた進化曲線ＣＡを示す。曲線ＣＢは、ランバート放射の累積フラックスの進化に対応する。

【0055】

図７は、比較用光電子デバイスの放射パターン（曲線ＤＡ）およびランバート放射の放射パターン（ＤＢ）を示す。ＤＡ放射パターンには、実質的に０°を中心にした主ローブＬ１と、実質的に＋／－４５°を中心にした副ローブＬ２とがある。

【0056】

第１のモードＭ１は、主周波数を中心とする放射強度ピークに対応し、本質的に放射パターンにおけるＬ１ローブの形成に関与する。モードＭ２は、発光ダイオードＬＥＤの発光スペクトルを広げるだけでなく、副ローブＬ２の形成にも関与する。図６および図７で分かるように、比較用光電子デバイスの放射エネルギーのかなりの部分は、副ローブＬ２で失われている。特に、頂点の半角が２０°に等しい錐体において、２０％未満のフラックスが放出される。

【0057】

図８および図９は、発光面４６に平行し活性層３６を含む平面における、第１のモードおよび第２のモードそれぞれのフォトニック結晶による増幅係数のグレースケール・マップである。明るい領域は、増幅係数が大きい領域に対応する。ＬＥＤのワイヤ２６の輪郭は、白い破線で示されている。第１の近似として、図８および図９は、活性層３６の横方向寸法とは実質的に無関係である。

【0058】

本発明者らは、モードＭ１増幅係数が大きく、モードＭ２増幅係数が小さい位置に活性層３６が配置されるように、ワイヤ２６の下部２８の平均直径Ｄ_ｎｗを変更せずに、活性層３６の横方向寸法を変更させることにより、光電子デバイス５によって放出される放射線におけるモードＭ１に対する第２のモードＭ２の寄与を低減することが可能であることを実証した。その結果、フォトニック結晶は、本質的には、第１のモードＭ１によって光子生成のみを増幅する。

【0059】

図１０および図１１それぞれは、領域Ｍｘ１および領域Ｍｘ２が追加された図１の光電子デバイス５のワイヤ２６および活性層３６の部分の概略部分側面図および上面図であり、各領域Ｍｘ１は、フォトニック結晶による第１のモードＭ１増幅係数が高い領域を象徴し、各領域Ｍｘ２は、フォトニック結晶による第２のモードＭ２増幅係数が高い領域を象徴している。図１０および図１１に示すように、減径率ＳＦを選択することにより、活性層３６はＭｘ２領域に存在しないように配置できる。

【0060】

第２のシミュレーションが行われた。第２のシミュレーションでは、減径率ＳＦは１．６に等しい。

【0061】

図１２は、第２のシミュレーションの光電子デバイス５の発光面４６から放出される光強度ＩＬの、放出される放射線の波長λおよび発光面４６に直交した方向における放出角度に応じたグレースケール・マップである。第１のシミュレーションと比較して、第１のモードＭ１は短波長側へシフトしている（青シフト）。これにより、光学ギャップＯＧが増加した。第２のモードＭ２の減衰も観測された。

【0062】

第３のシミュレーションが行われた。第３のシミュレーションでは、減径率は１．２に等しい。

【0063】

図１３は、第３のシミュレーションの光電子デバイス５の発光面４６から放出される放射線の光強度ＩＬの、放出される放射線の波長λおよび発光面４６に直交した方向における放出角度に応じたグレースケール・マップである。第２のシミュレーションと比較して、第１のモードＭ１が短波長側へさらにシフトしている（青シフト）。これにより、光ギャップＯＧが増加した。第１のモードＭ１の品質係数の増加、すなわち第１のモードの広がりの減少も観察された。さらに、第２のモードＭ２のさらなる減衰が観測された。

【0064】

図１４は、発光面４６に垂直な軸の錐体において、第３のシミュレーションの光電子デバイス５によって放出される放射線の累積フラックス（パーセントで表された）の、錐体の頂点における半角に応じた進化曲線ＣＡ′を示す。曲線ＣＢはランバート放射の累積フラックスの進化に対応する。

【0065】

図１５は、第３のシミュレーションの光電子デバイス５の放射パターン（曲線ＤＡ′）と、ランバート放射の放射パターン（ＤＢ）を示す。放射パターンＤＡ′は実質的には０°を中心とする単一のローブを有する。本質的には副ローブはない。

【0066】

図１４および図１５から分かるように、光電子デバイス５の放射エネルギーの大部分は、単一のローブＤＡ′に存在する。特に、半角が２０°に等しい錐体において、８０％を超えた放射線フラックスが放出される。

【0067】

試験が行われた。第１の試験では、第１のシミュレーションの特徴を有する光電子デバイスを製造した。

【0068】

図１６は、第１の試験の光電子デバイス５の発光面４６から放出される放射線の正規化された光強度ＩＬの、放出される放射線の波長λ及び発光面４６に直交した方向における放出角度に応じたグレースケール・マップである。

【0069】

図１７は、第１の試験の光電子デバイス５の発光面４６から発光面に直交した方向に沿って放出される放射線の光強度ＩＬの波長λに応じた進化曲線である。

【0070】

第１のシミュレーションの結果と比較して、低角度では、第１のモードと第２のモードとの間に実質的に光学的な差がないことが観察された。これは、完全に円筒形のワイヤ２６を形成することが困難である可能性があるという事実、および成長条件により円筒形のワイヤ２６が得られるはずであるが、ワイヤ２６の上部にわずかな広がりが観察される可能性があるという事実によると考えられる。

【0071】

第２および第３の試験では、第３のシミュレーションの特徴を有する光電子デバイス５を製造した。第２および第３の試験では、光電子デバイスの製造に使用されるリアクタが異なる。

【0072】

図１８は、第２の試験の光電子デバイス５の発光面４６から放出される放射線の光強度ＩＬの、放出される放射線の波長λおよび発光面４６に直交した方向における放出角度に応じたグレースケール・マップである。第１の試験と比較して、シミュレーションから予想されるように、第１のモードと第２のモードとの間の光学ギャップＯＧの増加が観測された。

【0073】

図１９は、第３の試験の光電子デバイス５の発光面４６によって発光面に直交した方向に沿って放出される放射線の光強度ＩＬの、波長λに応じた進化曲線である。図１７と比較して、第１のモードの発光ピークは狭くなり、第２のモードは存在しない。

【0074】

図２０は、シミュレーションによって得られた、発光面４６に直交した方向における放出角度が０°に実質的に等しい場合、図１の光電子デバイス５によって放出される光強度の、放出される放射線の波長λおよび減径率ＳＦに応じたグレースケール・マップである。減径率ＳＦが減少するにつれて、第２のモードＭ２が消失する傾向があり、第１のモードＭ１が短波長側にシフトし、光学ギャップ（ＯＧ）が増加することがはっきりとわかる。ＳＦが１．２以下である場合、第２のモードＭ２は無視できるほど小さくなる。図２０は、減径率ＳＦが減少するにつれて第１のモードＭ１が消失する印象を与える。実際には、減径率ＳＦが減少するにつれて第１のモードＭ１がより微細化し、これは、減径率ＳＦが減少するにつれて第１のモードＭ１の品質係数が増加することを意味する。

【0075】

図２１は、光電子デバイスを設計するための方法の一実施形態のブロック図である。

【0076】

ステップ６０では、発光スペクトルの所望の第１の特性を達成するように、フォトニック結晶の特徴を決定する。フォトニック結晶の特徴は、ＬＥＤマトリックスのピッチａとワイヤ２６の直径Ｄ_ｎｗとを含んでもよい。発光スペクトルの所望の第１の特性は、発光ピークの所望の主波長を含んでもよい。一実施形態によれば、フォトニック結晶の特徴を決定することは、連続したコンピュータシミュレーションを行うことを含んでもよく、各シミュレーションは、減径率ＳＦが２に等しいＬＥＤを考慮して行われる。たとえば、ピッチａおよび平均直径Ｄ_ｎｗの初期値を使用してシミュレーションを行い、これらの値は、所望の主波長とシミュレーションの共振ピークの主波長との差などの所定の基準に従って修正される。この操作は所望の特性を有する発光スペクトルが得られるまで繰り返される。方法はステップ６２に進む。

【0077】

ステップ６２では、減径率ＳＦを減少させる。方法はステップ６４に進む。

【0078】

ステップ６４では、新しい減径率ＳＦを有する光電子デバイスの動作のシミュレーションを行う。方法はステップ６６に進む。

【0079】

ステップ６６では、方法が終了できるか否かを判断する。一実施形態によれば、放出される放射線の所望の副特性が達成されるか否かを判断する。所望の副特性は、例えば、放射パターンに副ローブが存在しないことによる、発光スペクトル帯域幅および／または放出される放射指向性を含んでもよい。放出される放射線の副特性が達成されれば、方法は完了する。そうでない場合、方法は、ステップ６２に進んで、減径率ＳＦをさらに減少させることを実行する。

【0080】

様々な実施形態および変形例について説明してきた。当業者は、これらの実施形態及び変形例の特定の特徴を組み合わせてもよく、他の変形例も当業者により容易に想起されることを理解するであろう。最後に、本明細書で説明した実施形態及び変形例の実用的実現は、本明細書で提供した機能説明に基づいて、当業者の能力の範囲内である。

【0081】

本特許出願は、本明細書の一部とみなされる仏国特許出願第２０／１３５１８号明細書の優先権を主張している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【手続補正書】

【提出日】2023-08-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0052】

図４は、減径率ＳＦが２に等しいときの光電子デバイス５′の概略部分断面図である。上部３０の断面積は実質的に一定であり、ワイヤ２６の下部２８の断面積と同一である。この構成による光電子デバイス５′は、比較用光電子デバイスと称される。

【手続補正2】

【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】

アキシャル発光ダイオード（ＬＥＤ）のマトリックスを備え、各発光ダイオードは、電磁放射線を放出するように構成された活性層（３６）を備え、前記マトリックスは、前記活性層を含む平面において、少なくとも第１および第２の共振ピークを形成するように構成されたフォトニック結晶を形成し、各第１の共振ピークは、第１の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各第２の共振ピークは、第２の波長で前記電磁放射線の強度を増幅し、各発光ダイオード（ＬＥＤ）は、軸（Δ）に沿って細長い半導体素子（２６）を備え、第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）の第１の部分（２８）と、第１の部分を延長し、前記第１の部分から離れるにつれて減少する断面積を有する第２の部分（３０）と、前記第２の部分を延長し、前記第１の平均直径よりも厳密に小さい第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）を有する前記活性層（３６）とを備え、前記活性層は、前記第１の共振ピークの位置にあり、第２の共振ピークの位置にはない、
光電子デバイス（５）。

【請求項2】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）に対する前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）の比の２倍は、０．５と１．８との間である
請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）に対する前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）の比の２倍は、０．６と１．４との間である
請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）は０．０５μｍと２μｍとの間である
請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）は１００ｎｍと１μｍとの間である
請求項４に記載のデバイス。

【請求項6】

前記軸（Δ）に沿って測定された前記第２の部分（３０）の高さ（Ｈ_ｔｏｐ）は、前記軸に沿って測定された前記細長い半導体素子の高さの１０％未満である
請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記細長い半導体素子（２６）の前記第１の部分（２８）は、一定の断面を有する
請求項１に記載のデバイス。

【請求項8】

前記アキシャル発光ダイオード（ＬＥＤ）は、０．１μｍと４μｍとの間のピッチ（ａ）を有するアレイに配置されている
請求項１に記載のデバイス。

【請求項9】

前記軸（Δ）に沿って測定された各細長い半導体素子（２６）の高さは、１００ｎｍと５０μｍとの間である
請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記細長い半導体素子（２６）が一定の断面を有することを考慮して、シミュレーションにより、前記フォトニック結晶のピッチ（ａ）および前記第１の平均直径（Ｄ_ｎｗ）を決定するステップａ（６０）と、
前記第１の平均直径を変更せずに前記第２の平均直径（Ｄ_ｔｏｐ）を減少させるステップｂ（６２）と、
減少された第２の平均直径を有する前記活性層を有する前記光電子デバイス（５）の動作をシミュレートするステップｃ（６４）と、
前記活性層が前記第１の共振ピークの位置にあり、前記第２の共振ピークの位置にはなくなるまで、ステップｂ及びステップｃを繰り返すステップｄと
を含む請求項１に記載の光電子デバイス（５）を設計するための方法。

【手続補正3】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【国際調査報告】