JP2003068109A

JP2003068109A - 照明装置及び投影装置

Info

Publication number: JP2003068109A
Application number: JP2001252401A
Authority: JP
Inventors: Takehisa Natori; 武久名取; Yoshifumi Mori; 芳文森
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度に発光ダイオードなどの発光素子を配
置できる構造の照明装置の提供を目的とする。【解決手段】照明装置の構造として、複数の尖頭状の
発光素子を最密に配列させて発光面を形成させる。面状
に配列される発光部である発光面を最密配列させること
で、単位面積当たりの輝度を最も高くすることができ、
しかも尖頭状の発光素子を用いることで尖頭部分の周囲
の空いたスペースを利用しながらの配線が可能となり、
最密に配列させても十分な接続を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子など
の発光素子を複数個密に配列させて該発光素子からの光
を照明に用いる照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオードなどの半導体発光素子を
アレイ状に配列させるアレイ構造が、従来より各種の装
置に用いられている。このような半導体発光素子のアレ
イ構造は、例えば複写機の除電用光源（例えば、特開平
４−１３７６７５号公報参照。）として用いられたり、
文字等の認識を行うためのイメージセンサーのLEDユニ
ット（例えば、特開平４−３４４９９２号公報参照。）
として用いられることがある。

【０００３】これら半導体発光素子のアレイ構造は、各
種の複写機や読み取り装置内での発光手段として用いら
れているが、さらに直接人間の眼に届くような光を発生
させ、照明装置としての利用を図ることも検討されてお
り、そのような例としては、特開平９−２９７５４９号
公報に開示されるようなフレキシブル線状発光体の如き
例や、その他のイルミネーション材などが広く利用され
るようになって来ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】発光ダイオードの如き
半導体発光素子を複数個アレイ状に配列させて照明装置
を構成する場合、発光ダイオードをベアチップのまま並
べることで比較的密度を高くしながら、輝度の高い照明
装置を得ることが可能である。

【０００５】しかしながら、複数の面発光型の発光ダイ
オードを並べて照明装置を構成する場合であっても、例
えば発光ダイオードの構造が平面状に積層するプレナー
構造の半導体層に活性層を形成したものである場合に
は、活性層を挟んで上側と下側に電極が分けられて設け
られることになり、複数の発光ダイオードを直列に接続
させて発光させるためには、上側と下側の電極を接続す
るワイヤや配線が必要とされ、隣接するベアチップの間
の隙間でワイヤや配線が通過することから、高密度にベ
アチップを配設することが困難となる。

【０００６】また、発光ダイオードの如き半導体発光素
子を複数個アレイ状に配列させて照明装置を構成する場
合、発光ダイオードを駆動するための駆動電流用として
定電流源を用いることがしばしば行われている。これは
一般的に発光ダイオードは、その製造上のばらつきから
個々の発光ダイオードについての順方向電圧Ｖｆにばら
つきが生じ易く、このため個々の発光ダイオードのばら
つきを抑制させるために、定電流源で駆動するように構
成されている。

【０００７】ところが、多数の発光ダイオードを並列に
接続させた場合では、順方向電圧Ｖｆの低い発光ダイオ
ードに多くの電流が流れてしまい、その電流の集中した
素子の寿命が短くなってしまうという問題が発生した
り、発光輝度のばらつきが発生するという問題が生ず
る。照明装置は、全体としての輝度も重要であるが、発
光面内での輝度のばらつきを抑えることも必要であり、
理想的な照明を得ることが容易ではない。

【０００８】また、多数の発光ダイオードを直列に接続
すると、発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆのばらつきを
吸収することが可能となるが、その一方でもし直列接続
される複数の発光ダイオードのうちの１つでも断線があ
る場合に、全体が発光しなくなり、照明装置としては利
用できなくなってしまう。また、発光ダイオードを直列
接続して照明装置を構成する場合、その駆動の電圧も高
くなってしまい、電源装置の負担が増加するという問題
も発生する。

【０００９】そこで、本発明は、上述の技術的な課題に
鑑み、高密度に発光素子を配置できる構造の照明装置、
投影装置の提供を目的とする。また、本発明は長寿命で
均一で安定した発光を行う照明装置、投影装置の提供を
他の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の技術的な課題を解
決するため、本発明の照明装置は、複数の尖頭状の発光
素子を最密配列させて発光面を形成してなることを特徴
とする。面状に配列される発光部である発光面を最密配
列させることで、単位面積当たりの輝度を最も高くする
ことができ、しかも尖頭状の発光素子を用いることで、
素子の尖頭部分の存在する側に、ｎ側とｐ側の双方の電
極に対する接続部を設けることができる。直方体や板状
などの発光面に対する側壁が発光面に対して略垂直とな
る素子構造に比べて、尖頭状の発光素子を用いる場合、
尖頭部分の周囲の空いたスペースを利用しながらの配線
が可能となり、最密配列させても十分な接続を図ること
ができる。

【００１１】本発明の他の照明装置は、複数の尖頭状の
発光素子を配列させて発光面を形成し、前記発光素子に
はそれぞれ直列に抵抗部が形成されることを特徴とす
る。このような照明装置によれば、良好な配線を確保し
ながら輝度を高くすることができ、且つ、各発光素子に
抵抗部が直列に形成されることから、各発光素子の順方
向電圧Vfにばらつきがある場合でも、順方向電圧Vfの低
い発光素子に集中して電流が流れるような問題が緩和さ
れ、素子の長寿命化や輝度のばらつきの抑制も可能であ
る。

【００１２】本発明のさらに他の照明装置は、複数の尖
頭状の発光素子を最密に配列させると共に、その光取り
出し面側に光励起蛍光体層を形成してなることを特徴と
する。このような照明装置によれば、良好な配線を確保
しながら単位面積当たりの輝度を最も高くすることがで
き、且つ、光取り出し面側に光励起蛍光体層を配設する
ことにより、発光素子が放出する光の波長を変換して出
力させることができる。

【００１３】また、本発明の投影装置は、複数の尖頭状
の発光素子を最密配列させて発光面を形成してなる照明
装置と、前記照明装置の光投影路に配設される透過型画
像表示部を有することを特徴とする。この投影装置によ
れば、良好な配線を確保しながら単位面積当たりの輝度
を最も高くすることができ、且つ、発光素子の指向性の
高さを利用して輝度の高い投影画像を表示させることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本実
施形態の照明装置について説明する。図１は本実施形態
の照明装置の一部を拡大して示す平面図であり、図２は
図１の照明装置の部分断面図である。本実施形態の照明
装置では、透明なガラス基板や合成樹脂基板の如き支持
基板１０上に貼り合わされる形で複数の発光ダイオード
１１が最密となるように配列されている。１つの発光ダ
イオード１１は略六角錐形状の結晶部からなり、略六角
錐形状の部分は先細りの尖頭部１２を有している。この
ような略六角錐形状の結晶部を有する発光ダイオード１
１は、ＧａＮ系の化合物半導体層によって構成すること
ができ、その製造方法の一例を挙げれば、例えば基板主
面をC面とするサファイア基板上に低温バッファ層とＧ
ａＮ下部成長層を形成した後、全面にシリコン酸化膜な
どの成長阻害膜を形成し、その成長阻害膜に数ミクロン
乃至数十ミクロンのサイズの開口部を形成し、その開口
部を用いた選択成長によって略六角錐形状の結晶部を該
開口部から突出させるように形成する。この時、略六角
錐形状の結晶部の傾斜面（ファセット）としては、たと
えばＳ面（｛１−１０１｝面）若しくは｛１１−２２｝
面が傾斜したファセットとして成長する。このＳ面等に
活性層を第１導電型半導体層と第２導電型半導体層で挟
む形で形成することで発光領域を略六角錐形状の結晶部
の傾斜面に形成できる。ここで活性層は例えばＩｎＧａ
Ｎ層であり、下側の第１導電型半導体層は例えばシリコ
ンドープのＧａＮ層から形成され、上側の第１導電型半
導体層は例えばマグネシウムドープのＧａＮ層から形成
される。

【００１５】略六角錐形状の発光ダイオード１１の底面
部は、矩形状とすることも可能であるが、本実施形態で
は略正六角形の形状を有している。このため発光ダイオ
ード１１を隣接する列が半ピッチずれた構成のハニカム
状に配列することで、最密な素子の配列が可能であり、
この最密な素子配列から単位面積当たりの輝度を最も高
くすることができる。各発光素子が最密となるように配
列させる方法の一例としては、各素子が製法上決められ
る最小マージン距離だけ離間されて配列される。この場
合の最小マージン距離とは、転写工程における位置合わ
せの精度や、フォトリソグラフィ工程におけるマスク合
わせのマージンなどによって決められる距離であり、一
般的にはプロセス技術の向上によって短くなる傾向があ
る。なお、本明細書では、最密配列や最小マージンにつ
いては、製法上最も短いマージンとしての距離とするこ
とが望ましいが、理想的な最短値には限定されずに、あ
る程度の変動の幅をもった概念であり、実質的に最小マ
ージン距離に近い距離をも概念として含むものである。

【００１６】略六角錐形状の発光ダイオード１１には、
ｎ側電極とｐ側電極１３が形成される。ｐ側電極１３は
マグネシウムドープのＧａＮ層上にＮｉ／Ｐｔ／Ａｕま
たはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸着し
て形成される。ｎ側電極はシリコンドープのＧａＮ層に
接続する下部成長層１４がｎ側電極取り出し領域として
機能する。下部成長層１４は選択成長時の結晶種として
用いられる半導体層であり、尖頭部１２の底面よりも広
い領域に形成されていることから、その尖頭部１２の底
面よりも広がった部分を利用して電気的な接続を図るこ
とができる。すなわち、下部成長層１４では、その表面
を覆う絶縁膜１５の一部が除去されてコンタクト用の窓
部１６が形成される。窓部１６を介して直列接続するよ
うに配線層１７が形成されている。配線層１７は窓部１
６を介してｎ側電極取り出し領域である下部成長層１４
と隣接する発光ダイオード１１のｐ側電極１３を接続す
る。この配線層１７が延在される側は、尖頭部１２が先
細りとなっている側であり、その分だけ尖頭部１２の周
囲に配線層１７を引き回すだけの空間があることから、
発光ダイオード１１を最密に配列させた場合でも十分な
直列接続を図ることができる。なお、選択成長の成長阻
害膜としてタングステン膜を形成した場合では、選択成
長の後タングステン膜をｎ側電極の取り出し部の一部と
して活用することも可能である。

【００１７】図３は本実施形態の照明装置の回路構成図
である。駆動用の定電流源１８から直列接続される複数
の発光ダイオード１１の列が並列接続されて構成されて
いる。発光ダイオード１１は所定の数（図中、ｎ個）だ
け直列に接続された構成が並列接続され、その所定の数
ｎは定格電圧を当該発光ダイオード１１の順方向電圧Ｖ
ｆで割った値に対応した数とされる。すなわち、当該照
明装置に対する供給電圧が１００Ｖ（ボルト）で順方向
電圧Ｖｆが３．４Ｖの場合は、約３０個直列接続したも
のを並列接続するようにし、供給電圧が２００Ｖ（ボル
ト）で順方向電圧Ｖｆが３．４Ｖの場合は、約６０個直
列接続したものを並列接続するようにすれば良い。

【００１８】このように複数の発光ダイオード１１を直
列接続することで、個々の発光ダイオード１１の順方向
電圧Ｖｆが多少ばらついた場合であっても、直列接続さ
れるｎ個を流れる電流値が平均化されることになる。し
たがって、低い順方向電圧Ｖｆを有する発光ダイオード
１１に集中して電流が流れその結果として寿命が短くな
ったり輝度のずれが発生するといった問題が未然に防止
されることになる。また、複数の発光ダイオード１１は
全部が直列接続されるのではなく、所定個数ごとに並列
接続されている。このため仮に１つの発光ダイオード１
１が不良となり電流を流せない状態となった場合でも、
他の並列接続される列の発光ダイオードが発光するた
め、全体として照明機能が失われてしまうということは
ない。また、直列接続される発光ダイオード１１の個数
ｎを、定格電圧を当該発光ダイオード１１の順方向電圧
Ｖｆで割った値に対応した数とすることで、定格電圧に
対して駆動できる最適数の発光ダイオード１１が駆動さ
れることになり、効率の良い照明が実現される。

【００１９】ここで、尖頭部を有する発光素子の製法に
ついて図４乃至図７を参照しながら説明すると、発光素
子の製造の際に用いられる成長基板２０としては、ウル
ツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に
限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基
体として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ _２
Ｏ_３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４
Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、
ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＬｉＧａＯ_２、ＧａＡｓ、ＭｇＡ
ｌ_２Ｏ_４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであ
り、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板また
は立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板で
ある。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化
ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる
場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア
基板を用いることができる。この場合の基板主面として
のＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むもの
である。半導体装置の製造に広く使用されているシリコ
ン基板などを利用することも可能である。

【００２０】選択成長をさせるための成長基板２０上に
は、選択時に良好な結晶性を得るためにバッファ層など
を形成しても良い。また、図４に示すように成長基板２
０上には選択成長の下部成長層２１が形成される。下部
成長層２１としては、化合物半導体層を選択することが
でき、後の工程でファセット構造を形成することからウ
ルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。さらに
化合物半導体層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する
窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、お
よびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好まし
い。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩ
Ｉ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガ
リウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）
系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ
ＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することがで
き、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。一例
としては、サファイア基板上にアンドープのＧａＮ層を
形成し、その後でＳｉドープのＧａＮ層を形成しても良
い。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、
ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの
窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮで
は、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡ
ｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲である
ことはいうまでもない。また、Ｓ面に実質的に等価な面
とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を
含むものである。ここで本明細書中、窒化物とはＢ、Ａ
ｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む
化合物を指し、全体の１％以内若しくは１ｘ１０^２０ｃ
ｍ^３以下の不純物の混入を含む場合もある。

【００２１】この下部成長層２１の成長方法としては、
種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属
化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分
子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、
ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることが
できる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶
性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、Ｇａソー
スとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメ
チルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウ
ム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジ
ウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキ
ル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニ
ア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物
ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであれば
ゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタ
ジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチ
ルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法で
は、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された
基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、Ｉ
ｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ
ることができる。

【００２２】結晶成長の下部成長層２１の表面には六角
形に開口した開口部２３を有する選択マスク２２が形成
され、図５に示すように、その六角形状に開口した開口
部２３からの選択成長によって半導体層２４が形成され
る。選択マスク２２は基体主面上に直接若しくは基体上
に形成されたバッファ層その他の層上に形成される成長
阻害膜であり、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜
などの絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマ
スクの形状は、一例として六角形状とされるが、帯状、
円形状、円弧状、或いは三角形状、五角形状などの多角
形形状であっても良い。また、選択成長の成長阻害膜と
してタングステン膜を形成した場合では、選択成長の後
タングステン膜をｎ側電極の取り出し部の一部として活
用することも可能となる。

【００２３】このような選択成長のマスク２２等を形成
したところで、選択的な結晶成長によって半導体層２４
を形成する。結晶成長は、前述の化合物半導体層の形成
のための方法と同じ方法で行うことができる。具体的に
は、成長方法としては、種々の気相成長法を挙げること
ができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ
（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ
法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（Ｈ
ＶＰＥ法）を用いることができる。

【００２４】当該発光素子の製造方法においては、選択
成長によって半導体層２４が形成されるが、その半導体
層２４の傾斜した結晶面は、好ましくは｛１−１０１｝
面若しくは｛１１−２２｝面またはこれらの各面に実質
的に等価な面の中から選ばれる面であることが望まし
く、所要の条件で選択成長することで現れる結晶面であ
る。これら傾斜した結晶面に囲まれる成長層は六角錐形
状のピラミッド状とされ、断面略三角の尖頭形状であ
る。この傾斜した結晶面としては、例えば基板の主面を
Ｃ＋面とすることで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な
面、若しくは｛１１−２２｝面または｛１１−２２｝面
に実質的に等価な面を容易に形成することができる。す
なわち、選択成長を行った場合では、基板主面に対して
傾斜した傾斜面としてＳ面及び｛１１−２２｝面は、Ｃ
＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比
較的得やすい面である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在す
るのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在す
るが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋
面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として
説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面で
ある。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。

【００２５】このＳ面ついては、窒化ガリウム系化合物
半導体を用いて結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、Ｇ
ａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多く
なる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることが
できないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとな
る。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒
化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面
はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安
定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離
しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンド
で結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一
本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的
にＶ／ＩＩＩ比が上昇することになり、積層構造の結
晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成
長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、
欠陥の低減にも有利となる。

【００２６】このような半導体層２４には、図６に示す
ように、傾斜面上に第１導電型クラッド層２５、第１の
活性層２６、および第２導電型クラッド層２７が積層さ
れる。本発明者らが窒化物半導体について行った実験に
おいて、カソードルミネッセンスを用い、成長したファ
セット構造を観測してみると、傾斜面であるＳ面の結晶
は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなってい
ることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温
度は例えば７００〜８００°Ｃとする。この温度ではア
ンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。
またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧ
ａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、
Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面
状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良
い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異
なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセ
ンスマッピングを行うと、０. ５- １μｍ程度の分解能
で測定することができるが、Ｃ+ 面の上に成長した通常
の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成
長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。
また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ+ 面より滑らかに
成っている。

【００２７】傾斜面上に積層される第１導電型クラッド
層２５、第１の活性層２６、および第２導電型クラッド
層２７において、第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第
２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成
する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半
導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層２５
をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によ
って構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層２６として
形成し、さらにその上にｐ型クラッド層２７としてマグ
ネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成
してダブルヘテロ構造を形成することができる。

【００２８】なお、第１の活性層２６である例えばＩｎ
ＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧ
ａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、
第１の活性層２６は単一のバルク活性層で構成すること
も可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量
子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造な
どの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子
井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁
層が併用される。活性層２６をＩｎＧａＮ層とした場合
には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の
発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａ
Ｎ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上で
の成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くな
り、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導
体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ
型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのド
ナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア
濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物
半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂ
ｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープする
ことによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得る
ためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アル
ゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリ
ングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性
化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性
化する方法もある。

【００２９】第１の活性層２６を挟む第１導電型クラッ
ド層２５及び第２導電型クラッド層２７には電極が直接
或いは間接的に接続される。各電極はそれぞれの素子ご
とに形成されるものであるが、ｐ電極またはｎ電極の一
方は複数の素子で共通化することもできる。接触抵抗を
下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後で
電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電
極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成され
るが、素子ごとに区分するためにフォトリソグラフィー
を用いてリフトオフなどにより微細加工することができ
る。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成す
ることもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極
を配線するようにすることもできる。また、独立して駆
動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成し
たものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極
材料を使用することも可能である。また、第１導電型ク
ラッド層２５は下部半導体層２１に電気的に接続される
ため、この下部半導体層２１に接続させる形でｎ側電極
を形成しても良い。特に下部半導体層２１は貼り合わせ
面としても利用されるため、接着面に電極を配設した
り、接着層に導電性を付与したりして、ｎ側電極の一部
として利用できる。

【００３０】また特に、本発明の半導体発光素子では、
結晶構造の良好な部分にのみ選択的に電極を形成する構
造とすることもできる。例えば、結晶面に結晶のステッ
プが揃っていない領域がある場合、そのステップが揃っ
ていない領域上を外して電極を形成することができる。
このような結晶のステップが揃っていない領域の存在
は、ＡＦＭを用いた観察や、経験則などで把握すること
ができ、一例として稜線上の部分や、端部に近い領域な
どを外した構造の電極を形成することができる。

【００３１】次に、図７に示すように、成長基板２０の
剥離が行われる。成長基板２０をエッチングや研磨など
によって除去することも可能であるが、成長基板２０を
透明なサファイア基板とした場合では、成長基板２０の
裏面からの紫外線域のレーザー、例えばエキシマレーザ
ーやＹＡＧレーザーのビームを照射することで、成長基
板２０とその上の下部半導体層２１との間にレーザーア
ブレーションが発生する。このレーザーアブレーション
とは、紫外線の範囲のビームを照射して、成長基板２０
と下部半導体層２１の間の界面でビームの光吸収エネル
ギーから下部半導体層２１の材料であるＧａＮのうちの
窒素を発生させ、成長基板２０と下部半導体層２１を分
離する技術である。成長基板２０をサファイア基板とし
た場合では、サファイア基板を透過してエキシマレーザ
ー等のビームを照射することができ、成長基板２０と下
部半導体層２１を容易に分離できる。成長基板２０の分
離により、発光素子は図８に示すように素子毎の構造と
なり、下部半導体層２１の底面２８が露呈する。

【００３２】成長基板２０の分離後、個々に分離された
発光素子３０が図９に示すように支持基板２９上に貼り
合わされる。この貼り合わせは、例えば転写技術によっ
て行うことができ、各発光素子３０は下部半導体層２１
の底部が支持基板２９の表面に貼り合わせられる。続い
て、金属薄膜からなるｐ側電極の形成や層間絶縁膜とな
る酸化膜が形成され、下部半導体層２１上の一部の酸化
膜に窓部が形成されてコンタクトホールが形成され、そ
のコンタクトホールの底部で臨む下部半導体層２１とｐ
側電極を隣接する素子の間で所要の配線層を用いて接続
することで直列接続が行われる。すなわち、一方の素子
の下部半導体層２１と、これに隣接する素子のｐ側電極
を電気的に接続することを繰り返し行うことで、発光ダ
イオードの直列接続が形成される。

【００３３】次に、図１０、図１１を参照しながら、本
発明の他の照明装置の実施形態について説明する。本実
施形態の照明装置は、マトリクス状に尖頭状の発光ダイ
オード４１が配列され、個々の発光ダイオード４１に直
列に抵抗部４３が接続される例である。

【００３４】発光ダイオード４１は、略六角錐形状の先
細り形状の尖頭部４８を有し、また底部には六角平板状
の下部成長層４９が形成されている。このような略六角
錐形状の結晶部を有する発光ダイオード４１は、前述の
発光ダイオード１１と同様にＧａＮ系の化合物半導体層
によって構成することができ、その製造方法の一例を挙
げれば、例えば基板主面をC面とするサファイア基板上
に低温バッファ層と下部成長層４９を形成した後、全面
にシリコン酸化膜などの成長阻害膜を形成し、その成長
阻害膜に数ミクロン乃至数十ミクロンのサイズの開口部
を形成し、その開口部を用いた選択成長によって略六角
錐形状の結晶部を該開口部から突出させるように形成す
る。この時、略六角錐形状の結晶部の傾斜面（ファセッ
ト）としては、たとえばＳ面（｛１−１０１｝面）若し
くは｛１１−２２｝面が傾斜したファセットとして成長
する。このＳ面等に活性層を第１導電型半導体層と第２
導電型半導体層で挟む形で形成することで発光領域を略
六角錐形状の結晶部の傾斜面に形成できる。ここで活性
層は例えばＩｎＧａＮ層であり、下側の第１導電型半導
体層は例えばシリコンドープのＧａＮ層から形成され、
上側の第１導電型半導体層は例えばマグネシウムドープ
のＧａＮ層から形成される。略六角錐形状の発光ダイオ
ード４１の底面部は、矩形状とすることも可能である
が、本実施形態では略正六角形の形状を有している。な
お、本実施形態では、下部成長層４９が形成された状態
で支持基板４４に発光ダイオード４１が貼り合わされる
構造とされるが、本実施形態は下部成長層４９が無い状
態で支持基板に貼り合わされる構造を有していても良
い。

【００３５】このような発光ダイオード４１には、図１
０に示すようにスパイラル状の抵抗部４３が接続されて
いる。スパイラル状の抵抗部４３は、発光ダイオード４
１の周囲を回って延長される高抵抗配線であり、例え
ば、金属薄膜、低不純物濃度の多結晶半導体層やカーボ
ンブラックなどを導入した層などによって形成される。
スパイラル状の抵抗部４３は、その形状から抵抗として
機能し、スパイラル状の抵抗部４３の中心側の一端は発
光ダイオード４１の底部側の下部成長層４９に接続す
る。抵抗部４３は、本実施形態では２周強ほど発光ダイ
オード４１の周囲を周回して接地線４２に接続するが、
抵抗部４３の形状やパターンなどは図示のものは一例に
過ぎず他のパターンなどを用いても良い。また、本実施
形態では、接地線は隣接する列で共通化しても良い。な
お、本実施形態では、抵抗部を形成する側をｎ側として
いるが、発光ダイオードのｐ側に抵抗部を形成すること
もできる。

【００３６】発光ダイオード４１のｐ側電極４５は、そ
れぞれ発光ダイオード４１の尖頭部に形成されており、
図１１に示すように各ｐ側電極４５はその頂点部で対向
基板４７の底面側に形成された共通電極４６に接触して
導通が図られている。

【００３７】図１２は本実施形態の照明装置の回路構成
図である。定電流源５０には、発光ダイオード４１と抵
抗部４３の組が並列に接続するように構成される。この
回路構成から、発光ダイオード４１には抵抗が直列接続
されて回路が構成されることになり、たとえば１つの発
光ダイオード４１が不良となり短絡するような場合であ
っても、その不良化した発光ダイオード４１を流れた電
流は確実に抵抗部４３を流れることになり、並列接続さ
れた発光ダイオードのうちの１つに集中して電流が流れ
るような問題は未然に防止される。また、発光ダイオー
ド４１の順方向電圧Ｖｆがばらついている場合でも、各
発光ダイオードに直列に抵抗が入るので、順方向電圧の
低い素子に集中して電流が流れるような問題も抑制され
ることになる。

【００３８】図１３はさらに他の照明装置の一例を示す
模式的な側面図である。発光ダイオード６１は光透過性
の支持基板６２の表面側に最密配列され、その支持基板
６２の底面側には蛍光体層６３が形成されると共にその
蛍光体層６３を覆うように保護膜６４が形成される。発
光ダイオード６１は、前述の発光ダイオード１１、４１
と同様に尖頭状である。この照明装置では、複数の発光
ダイオード６１が表面側に最密配列されていることか
ら、良好な配線を確保しながら単位面積当たりの輝度を
最も高くすることができる。発光ダイオード６１から射
出された光は、光透過性の支持基板６２を透過して蛍光
体層６３に到達する。この蛍光体層６３では、発光ダイ
オード６１からの光によって励起されて再び蛍光体層６
３から光が放出される。このとき蛍光体層６３から放出
される光は、発光ダイオード６１が放出する光の波長を
変換して出力されるものであり、蛍光体僧６３として所
定のもの選ぶことで発光ダイオードの発色にとらわれず
に任意の波長の光を取り出すことが可能である。

【００３９】このような蛍光体層を用いた照明装置の一
例としては、発光素子として青色発光の発光ダイオード
を使用し、光励起蛍光体層としては青色光で励起され黄
色発光を可能とする蛍光層を形成することができる。ま
た、発光素子としては、紫色発光の発光ダイオードを使
用することもでき、前記光励起蛍光体層としては紫色光
で励起され白色発光を可能とする蛍光層を形成すること
ができる。白色発光は赤色、青色、緑色の蛍光体を混合
して構成したり、青色と黄色の蛍光体を混合したり、赤
色とシアン色の蛍光体を混合したりすることで作り出す
ことができる。

【００４０】図１４は投影装置の模式図である。本実施
形態の投影装置は、前述の如き尖頭状の発光ダイオード
を複数個最密に配列させた照明装置７１と、その光取り
出し側に配設される透過型の液晶表示装置７２から構成
される。照明装置７１は、各発光ダイオードが尖頭状で
あることから良好な配線を確保することができ、且つ単
位面積当たりの輝度を最も高くすることができる。液晶
表示装置７２は照明装置の光投影路に配設される透過型
画像表示部であり、所要の画像信号を受信し該画像信号
を反映した表示を行って透過する光を制御する。この投
影装置によれば、発光ダイオードの指向性の高さを利用
して輝度の高い投影画像を表示させることができる。ま
た、指向角が狭いのでルーバーなどは不要であり、面が
発光するため、携帯性にも優れている。また、色分離ダ
イクロミックフィルターも不要であるため、さらなる小
型化も実現できる。

【００４１】なお、上述の実施形態においては、発光素
子として主に発光ダイオードについて説明したが、発光
素子は半導体レーザーであっても良い。また、上述の実
施形態において発光ダイオードの形状については、六角
錐形状のものを主に例示したが、他の形状、例えば断面
が三角若しくは台形状のストライプ状の形状であっても
良く、これらの複合的なパターンの発光ダイオードを並
べるようにすることも可能である。また、本実施形態で
は、配列される発光ダイオードのサイズを略同一として
いるが、異なるサイズ、高さ、形状の発光素子を組み合
わせるようにすることもでき、発光ダイオードと半導体
レーザーを同一支持基板上に組み合わせて照明装置を構
成することも可能である。

【００４２】

【発明の効果】上述のように、本発明の照明装置によれ
ば、面状に配列される発光部である発光面を最密配列さ
せることで、単位面積当たりの輝度を最も高くすること
ができ、しかも尖頭状の発光素子を用いることで、素子
の尖頭部分の存在する側に、ｎ側とｐ側の双方の電極に
対する接続部を設けることができる。直方体や板状など
の発光面に対する側壁が発光面に対して略垂直となる素
子構造に比べて、尖頭状の発光素子を用いる場合、尖頭
部分の周囲の空いたスペースを利用しながらの配線が可
能となり、最密配列させても十分な接続を図ることがで
きる。

【００４３】また、本発明の投影装置では、発光ダイオ
ードを用いることから輝度の高い投影画像を表示させる
ことができる。また、ランプなどを光源とするものに比
べて携帯性に優れる。さらに指向角が狭いのでルーバー
が不要であり、さらには色分離ダイクロミックフィルタ
ーなども不要である。このため更なる小型化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明装置の一実施形態の要部の平面図
である。

【図２】本発明の照明装置の一実施形態の要部の側断面
図である。

【図３】本発明の照明装置の一実施形態の回路図であ
る。

【図４】本発明の照明装置の一実施形態に用いられる発
光ダイオードの製造方法を工程順に説明するための工程
断面図であり、下部成長層を形成した工程までの工程断
面図である。

【図５】本発明の照明装置の一実施形態に用いられる発
光ダイオードの製造方法を工程順に説明するための工程
断面図であり、選択成長工程までの工程断面図である。

【図６】本発明の照明装置の一実施形態に用いられる発
光ダイオードの製造方法を工程順に説明するための工程
断面図であり、クラッド層形成工程までの工程断面図で
ある。

【図７】本発明の照明装置の一実施形態に用いられる発
光ダイオードの製造方法を工程順に説明するための工程
断面図であり、レーザーアブレーション工程までの工程
断面図である。

【図８】図７のレーザーアブレーションにより得られる
発光ダイオードの構造を示す図であり、（ａ）は発光ダ
イオードの断面図であり、（ｂ）は発光ダイオードの平
面図である。

【図９】本発明の照明装置の一実施形態の製造方法を説
明するための工程断面図であり、発光ダイオードを貼り
合わせところの工程断面図である。

【図１０】本発明の照明装置の他の一実施形態の要部の
平面図である。

【図１１】本発明の照明装置の他の一実施形態の要部の
側断面図である。

【図１２】本発明の照明装置の他の一実施形態の回路図
である。

【図１３】本発明の照明装置のさらに他の一実施形態の
要部の側断面図である。

【図１４】本発明の投影装置の一実施形態の模式図であ
る。

【符号の説明】

１１発光ダイオード１２尖頭部１３ｐ側電極１４下部成長層１５絶縁膜１６窓部１７配線層２０成長基板２１下部成長層２２選択マスク２３開口部２４半導体層２５クラッド層２６活性層２７クラッド層２９支持基板３０発光ダイオード４１発光ダイオード４３抵抗部４４支持基板４５ｐ側電極４６共通電極４７対向基板５０定電流源６１発光ダイオード６２支持基板６３蛍光体層６４保護膜７１照明装置７２液晶表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｓ 1/02 Ｇ // Ｆ２１Ｙ 101:02 1/00 ＥＦターム(参考） 2H091 FA45Z LA17 5F041 AA11 AA12 CA40 CA65 CA77 CA93 CA98 CB11 CB22 CB25 FF06 FF11 FF16 5G435 AA18 BB04 BB12 BB15 EE26 GG23 GG26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の尖頭状の発光素子を最密配列させ
て発光面を形成してなることを特徴とする照明装置。
【請求項２】前記尖頭状の発光素子は、所定の数だけ
直列に接続された構成が並列接続されることを特徴とす
る請求項１記載の照明装置。
【請求項３】前記所定の数は定格電圧を当該発光素子
の順方向電圧で割った値に対応した数であることを特徴
とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】前記尖頭状の発光素子は支持基板上に配
列されることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項５】前記尖頭状の発光素子は、素子の尖頭部
と素子の底面部がそれぞれ電極部とされ、直列接続され
る列の発光素子間では隣接する素子のうち一方の素子の
尖頭部と他方の素子の底面部が配線層によって接続され
ることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項６】前記尖頭状の発光素子は傾斜した面に第
１の導電層、活性層、及び第２の導電層を積層させた構
造を有することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項７】複数の尖頭状の発光素子を配列させて発
光面を形成し、前記発光素子にはそれぞれ直列に抵抗部
が形成されることを特徴とする照明装置。
【請求項８】前記抵抗部は高抵抗配線層を巻線状に形
成したものであることを特徴とする請求項７記載の照明
装置。
【請求項９】前記高抵抗配線層は前記発光素子の支持
基板側に形成されることを特徴とする請求項７記載の照
明装置。
【請求項１０】複数の尖頭状の発光素子を最密に配列
させると共に、その光取り出し面側に光励起蛍光体層を
形成してなることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】前記発光素子の発光波長と前記光励起
蛍光体層の発光波長は異なる波長であることを特徴とす
る請求項１０記載の照明装置。
【請求項１２】前記発光素子は青色発光の発光ダイオ
ードであり、前記光励起蛍光体層は青色光で励起され黄
色発光を可能とすることを特徴とする請求項１０記載の
照明装置。
【請求項１３】前記発光素子は紫色発光の発光ダイオ
ードであり、前記光励起蛍光体層は紫色光で励起され白
色発光を可能とすることを特徴とする請求項１０記載の
照明装置。
【請求項１４】複数の尖頭状の発光素子が製法上決め
られる最小マージン距離だけ離間されて配列され、前記
複数の尖頭状の発光素子により前記発光面を形成されて
なることを特徴とする照明装置。
【請求項１５】複数の尖頭状の発光素子を最密配列さ
せて発光面を形成してなる照明装置と、前記照明装置の
光投影路に配設される透過型画像表示部を有することを
特徴とする投影装置。