JP2014137853A - 発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子1は、発光層3と、発光層3の下側に設けられるn型半導体層4と、発光層3の上側に設けられるp型半導体層2とを合わせた発光素子層10と、p型半導体層2の表面に積層されるp電極層5と、発光素子層10からp電極層5まで貫通するように形成された穴状部61内に設けられる、発光素子層10よりも誘電率が低い材料でなる低誘電率部6と、低誘電率部6の表面に、低誘電率部6と同じ材料で、所定領域を取り囲むように突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱体8とを備える。3本の柱体81,82,83は、高さHで形成され、他の3本の柱体84,85,86は、高さH−d4で形成されている。射出面のそれぞれの光の干渉効果によって光線を成形し、柱の高さの差d4の高さHに対する割合で光線の放射方向を制御する。
【選択図】図1
Description
また、LEDから取り出す光の方向を制御する技術として、LED光の出射角度を調整可能な発光装置が特許文献2に記載されている。
さらに、微細な構造を備えたLEDから取り出す光の方向を制御できる技術は知られていないのが現状である。
かかる構成によれば、発光素子は、低誘電率部が、p型半導体層の下方に位置する発光層のさらに下側まで形成されているため、発光層から水平方向や下方向に放射された光を、低誘電率部に入射させることが可能となる。
かかる構成によれば、発光素子は、低誘電率部の屈折率が、発光素子層の屈折率よりも小さくなるので、低誘電率部の透過率を、発光素子層の透過率よりも高くすることができる。これにより、背景雑音を低下させることができる。
かかる構成によれば、発光素子は、p型半導体層および発光層の周囲に反射膜を設けているので、素子外部から放射され、素子内部に入射しようとする光を反射することができる。そのため、例えば、発光素子の発光層から素子外部に放出された放射光が、隣り合う発光素子の素子内部に入射するのを抑制することができる。そのため、発光素子に余分な放射光が入射することによる影響を低減することができる。また、発光素子は、発光層から、素子外側方向に放射された光を反射膜で反射することで、素子内側方向へと向かわせて低誘電率部に入射させることが可能となる。このように、発光素子は、反射膜を設けることで、発光層から、低誘電率部以外の方向に放射された光についても、低誘電率部に入射させることが可能となる。そして、この光を、低誘電率部内を伝搬して柱体に入射させることで、射出面から素子外部に取り出すことが可能となる。
さらに、発光素子は、発光の方向を柱体の高さの差で制御し、光線の成形を複数の柱体の配置で制御したものなので、光線が出射する方向を比較的大きくなるように制御したときに当該光線に生じやすいサイドローブを比較的小さく抑えることができる。つまり、発光素子は、妨害光を遮蔽できるのでS/N比の高い光線成形を行うことができる。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項3に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項4に記載の発明によれば、発光素子は、素子外部に取り出し可能な光量をより増大することができ、また、余分な光が素子内部に入射するのを抑制することができるので、より強度の高い光線を成形することができる。
請求項5に記載の発明によれば、6本の柱体を形成することで、それ以下の本数の場合と比較して、光線として形成される光以外の余分な光(妨害光)の発生を抑制することができ、6本の柱体のうちの3本の高さを異ならせることで、光線の放射方向を制御することができる。
請求項6に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
請求項7に記載の発明によれば、発光素子は、光線の方向制御をより効果的に行うことができる。
まず、発光素子の構造について、図1,2を参照して説明する。
図1に示す発光素子1は、例えばLEDのように、平坦な表面から光を放射するものである。
また、発光素子1は、指向性の高い光を発光する素子であって、特定の方向に光線を出射する光線指向型の発光素子である。
再び、図1,2を参照して発光素子1の各構成について説明する。
図1および図2(b)に示すように、p型半導体層2は、発光層3の上側(光取り出し側)に設けられており、発光層3側から順に、例えば、p型GaN/InGaN障壁層と、p型GaN層と、が積層された構造とすることができる。
p型半導体層2は、表面に、後記するp電極層5が積層されている。
p型半導体層2の厚さt1は、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。このp型半導体層2の厚さt1は、後記するp電極層5の下面から発光層3の上面までの距離d1と等しい。
発光素子1が青色発光素子である場合、発光層3は、例えば、InGaNの量子井戸層として形成される。
図1および図2(b)に示すように、n型半導体層4は、発光層3の下側に設けられており、発光層3から遠い方から順に、例えば、n型GaN層と、n型GaN/InGaN障壁層とが積層された構造とすることができる。
図1および図2に示すように、p電極層5は、p型半導体層2の表面に積層された薄膜状の金属電極であり、図示しない電源から正電圧が印加されると、p型半導体層2に正孔を注入するものである。p電極層5は、略中央部に開口部51を有し、この開口部51内を、後記する低誘電率部6が貫通している。
また、p電極層5は、図12に示すように、間隙Sにより互いに分離された複数の発光素子1の発光素子層10に亘って設けられている。なお、図1では、便宜上、p電極層5を、発光素子1の端面と面一となる位置で切断して示している。
このp電極層5の下面から発光層3の上面までの距離d1は、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。言い換えれば、p電極層5と発光層3との間に介在するp型半導体層2の厚さt1を、放射光の半導体中における波長λ1以上とする。
つまり、p電極層5は、遮光性を有する金属材料で形成されているため、発光層3で発光し、p型半導体層2中を伝搬した光がp電極層5に到達すると、p電極層5によって遮蔽される。これにより、素子表面において、p電極層5を積層した領域から光が出射されないようにすることができる。p電極層5の厚さt2は、p電極層5を形成する材料に応じて適宜設定することができる。
なお、p電極層5は、図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成されており、このパッド電極を介して電源(いずれも図示せず)の陽極に接続されている。
図1に示すように、低誘電率部6は、p電極層5を貫通し、発光素子層10に所定深さまで凹設された穴状部61に設けられる、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い材料で形成された柱状の層である。低誘電率部6は、ここでは、円柱状に形成されており、底面が平坦となっている。低誘電率部6の底面は、p型半導体層2の底面よりも下側に20nm以上離れて位置している。図2(b)に示すように、ここでは、所定深さ(p型半導体層2の表面からの深さd2)とは、p型半導体層2の厚さt1よりも20nm以上大きい深さである。したがって、低誘電率部6の深さ(p電極層5の表面からの深さd3)は、p電極層5の厚さt2とp型半導体層2の厚さt1とを合わせた大きさよりも20nm以上大きい。これによれば、低誘電率部6は、底面が、発光層3よりもさらに下側に位置することとなるので、発光層3から水平方向や下方向に放射される光についても、その一部を、低誘電率部6内に入射させることが可能となる。
低誘電率部6の直径φ1は、柱体8(ここでは、6本)を内包できる大きさであればよく、適宜設定することができる。また、低誘電率部6は、表面が、p電極層5の表面と同じ高さとなっている。
n電極層7は、n型半導体層4の下側に設けられた金属電極であり、図示しない電源から負電圧が印加されると、n型半導体層4に電子を注入するものである。n電極層7は、ここでは図示しないが、表面の一部にいわゆるパッド電極が形成され、このパッド電極を介して電源(いずれも図示せず)の陰極に接続されている。n電極層7は、図12に示すように、複数の発光素子1に亘って設けられている。n電極層7は、n型半導体層4との接触抵抗が、p電極層5とp型半導体層2との接触抵抗よりも小さい材料で形成することができる。例えば、p電極層5をNi/Auで形成した場合、GaN−p層との接触抵抗が約13×10−3Ωcm−2であるので、n電極層7は、これよりも接触抵抗が小さい、例えば、pd/Auで形成することができる。pd/Auは、GaN−p層との接触抵抗が約8×10−3Ωcm−2であるので、条件を満たしている。
図1に示すように、柱体8は、ここでは、素子表面から突出して設けられた、第1の柱体81と、第2の柱体82と、第3の柱体83と、第4の柱体84と、第5の柱体85と、第6の柱体86とを含む。なお、ここでの素子表面とは、具体的に低誘電率部6の表面を意味している。柱体8は、低誘電率部6の表面から突出して設けられており、ここでは、低誘電率部6と同一の材料で一体的に形成されている。
図2(a)では、柱体81,82,83,84,85,86の形状を円形で示した。つまり、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aが素子表面に投影されたときの平面図形の形状は円形であるものとした。また、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aは、素子表面に対し略平行である。
図2(a)に示すように、各射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aを素子表面に投影した平面図形の直径φ2はそれぞれ等しいものとした。直径φ2は、発光素子1の発光層3からの光が通るのに充分な太さを有する。ここで、充分な太さとは、発光素子1から出射される光の発光波長(以下、λ0と表記する)程度以上である。波長λ0は、放射光の自由空間における発光波長を示す。例えば、直径φ2をλ0とする。
図2(a)に示すように、柱体81,82,83,84,85,86は、素子表面の原点M(詳しくは後記する)の周囲に環状に等間隔で配置されている。ここでは、柱体81,82,83,84,85,86の配置角度θ1を60度としている。これにより、柱体81,82,83,84,85,86の射出面81a,82a,83a,84a,85a,86aから光が放射された際に、光線として形成される光以外の余分な光(妨害光)が特定箇所に固まって妨害することがないため、形成される光線の品質を向上させることができる。詳しくは後記する。
柱体81,82,83,84,85,86において、環状に隣り合う柱体の中心間の間隔は、隣り合った柱体の射出面から出射された光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。また、ここでは、各柱体の直径φ2をλ0としており、光軸を挟んで正対する柱体、ここでは、柱体82,85間の間隔p1を1.2λ0とした。なお、各柱体の直径φ2をλ0としているので、環状に隣り合う柱体、例えば、柱体81,86間の間隔p2は略0となる。
図2(a)に示す例では、所定の原点Mとは、素子表面において6つの柱体81,82,83,84,85,86により環状に取り囲まれた所定領域に位置する点である。また、この原点Mは、柱体81の中心O1と、柱体82の中心O2と、柱体83の中心O3と、柱体84の中心O4と、柱体85の中心O5と、柱体86の中心O6とから等距離にある点であり、中心O1,O2,O3,O4,O5,O6を頂点とする正六角形の重心(原点Mと表記する)のことである。ここで、6つの柱体81,82,83,84,85,86は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、各柱体により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、柱体の直径φ2とバランスを取りながら所望のものとして適宜設計できる。
例えば、柱体の直径φ2が波長λ0の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、1〜数波長程度とすることができる。
柱体81,82,83,84,85,86は、少なくとも1つの柱体の高さが他の柱体の高さと異なっている。
図1および図2(a)に示す例では、柱体81,82,83,84,85,86のうち、3つの柱体84,85,86は、他の3つの柱体81,82,83に対し、高さが低いものとする。なお、3つの柱体81,82,83は、互いに同じ高さであり、他の3つの柱体84,85,86は、互いに同じ高さである。
ここで、発光素子1の柱体8の高さを説明するための概念図を図2(b)に示す。高い柱体81,82,83は互いに高さが等しく、低い柱体84,85,86は互いに高さが等しいので、図2(b)では、光軸を挟んで正対する高さの異なる柱体を1本ずつ(柱体82と柱体85)図示し、他の柱体については図示を省略している。
一般に、誘電体の誘電率は真空中(空気中)より高いため、誘電体中を伝搬する際の光の速度は、空気中を伝搬する速度に比べて遅くなる。具体的には、放射光の自由空間における発光波長λ0と誘電体中の放射光の発光波長λ1との間には、「λ1=λ0/n」の関係がある。ここで、nは、誘電体の屈折率である。
なお、以下では、高い柱体81,82,83を「導波柱」と呼称し、柱体81,82,83と異なるように高さが調整された低い柱体84,85,86を「制御柱」と呼称して区別する場合もある。
図2(a)に示すように、高い柱体81,82,83(導波柱)と、低い柱体84,85,86(制御柱)とは、光軸を挟んで正対して配置される。具体的には、柱体81と柱体84とが正対し、柱体82と柱体85とが正対し、柱体83と柱体86とが正対している。
発光素子1における柱体は、光線の放射方向を制御するとともに、妨害光の発生を抑制するうえで合計6本とすることが最も好ましい。
すなわち、光は横波であるため、1本の柱体から放射された光の高調波を抑制するには光軸(重心)を対称軸とした反対側に発生する電界を打ち消す必要がある。しかし、例えば柱体を4本にすると、光軸を挟んで正対する導波柱と制御柱は2組となるが、光軸回りの対称性が向上して回転対称な成分が強め合うことになる。その一方で、軸回りに隣り合う2つの柱体の中間部分に生じる同偏光の高調波は柱体の配置によって強められるため、柱体を4本とすると妨害光の影響が大きくなるおそれがある。
次に、発光素子1の発光層3の発光の原理について説明する。
発光素子1は、電源からパッド電極(いずれも図示せず)を介してp電極層5に正電圧が印加され、電源からパッド電極(いずれも図示せず)を介してn電極層7に負電圧が印加されることで、p電極層5よりp型半導体層2に正孔が注入されるとともに、n電極層7よりn型半導体層4に電子が注入される。発光素子1は、p電極層5より注入された正孔がp型半導体層2中を拡散しながらp型半導体層2とn型半導体層4との接合部である発光層3へと移動し、一方、n電極層7より注入された電子がn型半導体層4内を接合部である発光層3へと移動する。そして、発光素子1は、発光層3の接合部において正孔と電子とが再結合することで生じるエネルギーによって発光する。
発光素子1は、p電極層5と発光層3との表面積が等しいため、p電極層5より注入された正孔が発光層3の全体に到達することから、発光層3の全体で発光する。
一方、発光層3から放射され、p型半導体層2の上側に設けられたp電極層5に入射した光は、遮光性を有するp電極層5によって遮蔽されるので、空気中に放射されない。そのため、発光素子1は、柱体8の射出面から出射された光によって光線を成形する際に、妨害光の影響を受けないようにすることができる。
続いて、発光素子1の柱体81,82,83,84,85,86から出射される光の干渉の原理について図3および下記の数式を適宜用いて説明する。なお、柱体81,82,83は互いに高さが同じであり、柱体84,85,86は互いに高さが同じであるので、図3および下記数式を用いる説明では、簡便のため、光軸を挟んで正対する高さの異なる2つの柱体82と柱体85から出射される光の干渉を例にとって説明する。なお、この説明では、簡便のため、発光層3から放射された光が、低誘電率部6内に入射した後、低誘電率部6の底面付近から鉛直方向に進んだ光が柱体82,85の中心軸を通って空気中に放射される場合を仮定する。
位置r1にある波源と、位置r2にある波源とからそれぞれ出射された光によって、3次元空間の位置rに時刻tにおいて成形される光の強度I(r)は、次の式(5)で与えられる。
次に、図4〜6を参照して、発光素子1の発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合について説明する。ここでは、説明をわかりやすくするために、低誘電率部6を備えない発光素子1(以下、「比較例の発光素子」という)を仮想的に設計し、本実施形態の発光素子と、比較例の発光素子とで、放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合を対比説明する。
ここで、比較例の発光素子1´において、柱体8(82,85)とは、p型半導体層2の表面から突出した部分のみを指すものとする。
さらに、図4(b)に示す本実施形態の発光素子1は、発光素子層10の屈折率をnAとし、低誘電率部6の屈折率をnBとする。このとき、屈折率nA>屈折率nBの関係が成立するものとする。ここで、発光素子層10の屈折率nAは、発光素子層10を形成する材料の誘電率の平方根で近似し、低誘電率部6の屈折率nBは、低誘電率部6を形成する材料の誘電率の平方根で近似する。
図4(a)に示すように、比較例の発光素子1´は、発光層3の発光位置401からの放射光のうち、柱体8の射出面への入射角θ1が臨界角θAよりも小さい放射光のみ、素子外部に放射されることとなる。
これに対し、本実施形態の発光素子1によれば、発光層3と柱体8の射出面との間に、発光素子層10と屈折率が異なる低誘電率部6を設けることで、発光層3から放射され、柱体8の射出面に直接入射する放射光だけでなく、より広い角度範囲の放射光を素子外部に取り出し可能となる。
ここで、図5に示す比較例の発光素子1´は、図4(a)に示す発光素子1´と同様のものであり、また、図6に示す本実施形態の発光素子1は、図4(b)に示す発光素子1と同様のものである。図5に示す比較例の発光素子1´と図6に示す本実施形態に係る発光素子1とは、内部構造(2次元断面)が異なるものの形状は同一である。図5では、比較例の発光素子1´の2次元断面を示しているが、所定の原点M(図示せず)を含み基板に垂直な線を中心軸とした回転対称な構造となっている。同様に、図6では、本実施形態に係る発光素子1の2次元断面を示しているが、発光素子1は、図2(a)に示す所定の原点Mを含み基板に垂直な線を中心軸とした回転対称な構造となっている。
図5に示す比較例の発光素子1´において、発光素子層10の屈折率をnAとし、柱体8の射出面への入射角に対する臨界角をθAとすると、臨界角θAは、次の式(10)のように定義される。
次に、図5に示す比較例の発光素子1´において、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最小値θ1は、放射光の柱体8の射出面への入射角に対する臨界角θAとの間で、次の式(13)で表される。
以上から、図5に示す比較例の発光素子1´において、発光層3からの放射光全体に対する、素子外部に取り出し可能な放射光の割合Icは、次の式(15)のように表される。
図6に示すように、本実施形態の発光素子1は、発光素子層10の屈折率をnAとし、低誘電率部6の屈折率をnB(ただし、nB<nA)とし、発光素子層10と低誘電率部6との界面への入射角に対する臨界角をθABとし、柱体8の射出面への入射角に対する臨界角をθBとする。ただし、臨界角θABおよび臨界角θBは、次の式(16),(17)によって定義されるものとする。
この場合、本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光のうち、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最小値θ1は、低誘電率部6への入射角が(π/2−θB)となる角度より、次の式(18),(19)によって表される。ここで、最小値θ1は、発光層3の表面を基準とした仰角で表され、最大値θ2は、p電極層5の底面を基準とした伏角で表される。
また、本実施形態の発光素子1において、発光層3からの放射光のうち、素子外部に取り出し可能な放射光の放射角の最大値θ2は、発光層3におけるp電極層5と低誘電率部6との界面の直下の位置を基準の位置(距離0)としたときの、発光位置までの距離xに応じて変化する。具体的には、最大値θ2は、距離xが大きくなると小さくなる。さらに、最大値θ2は、p電極層5による遮蔽を考慮すると以下のように表される。
つまり、本実施形態の発光素子1において、距離xの値が小さい場合、放射光はp電極層5に入射しないので遮蔽されない。したがって、この場合の最大値θmaxは、次の式(20)で表される。
一方、本実施形態の発光素子1において、距離xの値が大きくなると、放射光がp電極層5に入射して遮蔽されることとなる。したがって、この場合の最大値θmaxは、次の式(21)で表される。
ただし、距離xがさらに大きくなり、次の式(22)に示す条件が成立する場合、最小値θ1が最大値θ2を超えてしまうため、この部分を除外する必要がある。
発光素子1を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができる。発光素子1は、例えばLEDのように平坦な放射面を有する発光素子を用意し、その表面を微細加工して作成することが可能である。
図8(a)に示すように、まずバッファ層21を介してGaN等からなる発光素子層10が形成された基板120を用意する。図8(a)に示すように、例えばバッファ層21が積層されたSi等の基板120の表面に、例えば分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、有機金属化学気相成長(MOCVD)法等の成膜方法により、n型半導体層4を積層し、次に、InGaNの量子井戸層からなる発光層3を形成し、さらに、p型半導体層2を積層する。
さらに、図8(f)に示すように、エッチングにより発光素子層10に凹設した穴状部61内に、発光素子層10を形成する材料よりも誘電率の低い材料を充填し、低誘電率部6を形成する。
さらに、図9(b)に示すように、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストfの周囲のp型半導体層2をエッチングする。
そして、図9(e)に示すように、余分なp電極層5ごとフォトレジストfをリフトオフする。このようにして形成されたp電極層5は、ブロックごとに開口部51を有し、この開口部51内を、低誘電率部6が貫通している。
まず、図9(e)に示す低誘電率部6の表面の、高い柱体81,82,83となる部分にフォトレジストを形成する。そして、反応性イオンエッチング等のドライエッチングや薬液を用いたウェットエッチングにより、フォトレジストの周囲をエッチングする。これによって、高い柱体81,82,83の上側の一部が形成される。次に、低誘電率部6の表面の、低い柱体84,85,86となる部分にフォトレジストfを形成する。そして、前記したようなエッチングにより、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86となる柱体の表面に形成したフォトレジストの周囲をエッチングする。これにより、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86以外の表面が削られ、高い柱体81,82,83、および、低い柱体84,85,86が形成される。なお、柱体8の形成後に、p電極層5の表面にSiO2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。
また、さらに、発光素子1は、6本の柱体81,82,83,84,85,86を形成することで、光線として形成される光以外の余分な妨害光の発生を効果的に抑制することができる。
さらに加えて、発光素子1は、隣り合う発光素子1との間に設けられた間隙Sによって、発光素子層10が、隣り合う発光素子1の発光素子層10と互いに分離されているので、発光素子層10の端面(GaN端面)が平坦であれば、GaNと素子外部の大気との界面において光を反射する。そのため、発光素子1は、隣り合う発光素子1の発光層3で発光し、素子外部に放出された放射光が発光素子1内に入射するのを抑制することができるので、余分な放射光による影響を低減することができる。
本実施形態の発光素子1の性能を確かめるために、FDTD(Finite-Difference Time-Domain)法によるシミュレーションを行った。ここでは、発光素子1の表面(p電極層5および低誘電率部6の上面)と平行な面の正方形領域(大きさ6000nm×6000nm)をベースとして想定した。また、発光素子1の垂直方向の原点を、低誘電率部6の底面にとり、原点の上方3000nmの地点の電界強度を評価することとした。
次に、シミュレーションにおける発光素子1の設計例を、図10(a)を参照して説明する。
図10(a)に示すように、発光素子1は、発光素子層10(p型半導体層2,発光層3およびn型半導体層4)が、GaNにInを添加したLED(屈折率nA≒3.0)であるものとした。発光層3からの放射光の自由空間における発光波長λ0は405nmであるものとした。
p型半導体層2(図1参照)の厚さt1は、約200nmとした。
p電極層5(図1参照)は、厚さt2が200nmのAgの金属薄膜とした。
低誘電率部6の直径φ1は、1300nmとした。
低誘電率部6は、SiO2(屈折率nB=1.50)で形成した。
低誘電率部6のp型半導体層2の表面からの深さd2は、400nmとした。つまり、低誘電率部6の深さd3を、600nmとした。
低誘電率部6の外周面と発光素子層10の端面とを結んだ直線距離p3を1200nmとした。
柱体81,82,83,84,85,86の直径φ2は、放射光の自由空間における発光波長λ0に相当する405nmとした。
柱体81,82,83,84,85,86の配置角度θ1(図2(a)参照)は、60度とした。
光軸を挟んで正対する柱体間の間隔p1は、約1.2λ0(485nm)とした。
隣り合う柱体間の間隔p2(図2(a)参照)は、略0とした。
柱体81,82,83(図10(a)では、柱体82のみ図示)の高さHは、526nmとした。
また、柱体84,85,86(図10(a)では、柱体85のみ図示)の高さ「H−d4」は、柱体81,82,83の高さHから、柱体81,82,83と柱体84,85,86との高さの差「δH」[nm]を減じた高さとして、柱体81,82,83の高さHに対する柱体84,85,86の高さの差δHの割合δ(δ=d4/H)の値を変化させることで、光線方向が制御される。
この発光素子層10の周囲には、大気(屈折率n=1.0)が流通しているものとする。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.00とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.36であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、6.87であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.10とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.33であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、7.21であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.20とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.34であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、7.85であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.30とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.44であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、9.02であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.40とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.47であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、9.91であることを確かめた。
発光素子1,1´において、高さの差の割合δを0.50とした場合、発光素子1´の素子外部への放射光の取り出し強度は、1.60であるのに対し、発光素子1の素子外部への放射光の取り出し強度は、11.30であることを確かめた。
本実施形態の発光素子1および比較例の発光素子1´のそれぞれについて、柱体81,82,83の高さHに対する柱体84,85,86の高さの差δの割合δを0.10〜0.50まで変化させた場合、本実施形態の発光素子1は、比較例の発光素子1´に比べて、放射光の素子外部への取り出し強度(ピーク強度)を約5〜7倍向上できることを確かめた。
図11に示す発光素子1Aは、図1に示す発光素子1に対し、発光素子層10の周面を覆うように、反射膜9を設けた点で相違する。この反射膜9は、発光層3から放射された放射光を反射する材料で形成される。例えば、反射膜9は、酸化アルミニウムや二酸化チタン等の白色の絶縁物で形成することが望ましい。発光素子1Aに反射膜9を設けることで、発光素子1Aの発光層3で発光し、素子外部に放出されて隣り合う発光素子1Aに向かった放射光を、当該隣り合う発光素子1Aの反射膜9によって反射することができる。そのため、発光素子1Aの発光層3からの放射光以外の余分な放射光が、隣り合う発光素子1A内に入射するのを、さらに有効に抑制することができる。これによって、発光素子1Aは、余分な放射光による影響をより低減することができる。
さらに、発光素子1,1Aは、低誘電率部6をSiO2で形成したが、本発明はこれに限らず、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い誘電体材料であれば、材料は特に限定されない。例えば、低誘電率部6を、発光素子層10の材料よりも誘電率が低い絶縁体材料や半導体材料で形成してもよい。なお、低誘電率部6を、透明な誘電体材料で形成すると、光の内部吸収を抑えることができるので、より好ましい。
さらに、発光素子1,1Aは、図1,11に示すように、柱体が、断面円形状かつ円柱状に形成されていたが、これに限らず、断面多角形状かつ多角柱状であってもよい。また、すべての柱体の直径は必ずしも等しくなくてもよい。
本実施形態に係る発光素子1または1Aを基板上に多数並べることにより、IP方式のディスプレイであるIP立体ディスプレイを提供することが可能である。このように、本実施形態に係る発光素子1または1Aを基板上に複数並べてIP立体ディスプレイを構成することで、パッシブマトリクス駆動が可能となるので、IP立体ディスプレイの低消費電力化、低コスト化等を実現できる。
2 p型半導体層
3 発光層
4 n型半導体層
5 p電極層
51 開口部
6 低誘電率部
61 穴状部
7 n電極層
8 柱体
81,82,83 導波柱(柱体)
84,85,86 制御柱(柱体)
81a,82a,83a,84a,85a,86a 射出面
9 反射膜
10 発光素子層
20 基板
21 バッファ層
Claims (7)
- 発光層と、前記発光層の下側に設けられるn型半導体層と、前記発光層の上側に設けられるp型半導体層と、を合わせた発光素子層と、
前記p型半導体層の表面に設けられる遮光性を有するp電極層と、
前記発光素子層から前記p電極層まで貫通するように形成された穴状部内に設けられる低誘電率部と、
前記低誘電率部の表面の所定領域を取り囲むように前記表面から突出して設けられ、先端の射出面から光を放射する複数の柱体と、を備え、
前記低誘電率部は、前記発光素子層の材料よりも誘電率が低い材料で形成されており、
前記複数の柱体は、前記低誘電率部と同じ材料で形成され、少なくとも1本の柱体の高さが、その他の柱体の高さと異なることを特徴とする発光素子。 - 前記低誘電率部の底面は、前記p型半導体層の下面よりも20nm以上、下側に位置することを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 前記低誘電率部は、誘電率が、前記p型半導体層の材料の誘電率の1/2以下である材料で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発光素子。
- 少なくとも前記p型半導体層および前記発光層の周面に、光を反射する反射膜を設けたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記複数の柱体は、前記p型半導体層の表面に、前記所定領域を取り囲むように6本配置され、そのうちの3本の前記柱体の高さが、その他の3本の前記柱体の高さと異なり、前記3本の柱体の高さが互いに等しく、かつ、前記その他の3本の柱体の高さが互いに等しいことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記柱体の直径は、放射光の自由空間における波長以上であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記複数の柱体間の距離が、放射光の可干渉長以下であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発光素子。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017158091A1 (de) * | 2016-03-18 | 2017-09-21 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Diffraktives optisches element, verfahren zum herstellen eines diffraktiven optischen elements und laserbauelement |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58137272A (ja) * | 1982-02-10 | 1983-08-15 | Toshiba Corp | 表面放射型発光ダイオ−ド |
JPS58143592A (ja) * | 1982-02-22 | 1983-08-26 | Hitachi Ltd | 発光ダイオ−ド |
JP2002261400A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-09-13 | Ricoh Co Ltd | レーザ、レーザ装置および光通信システム |
JP2006054417A (ja) * | 2004-08-10 | 2006-02-23 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2007294566A (ja) * | 2006-04-24 | 2007-11-08 | Nichia Chem Ind Ltd | 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 |
JP2008140918A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Eudyna Devices Inc | 発光素子の製造方法 |
JP2009038319A (ja) * | 2007-08-03 | 2009-02-19 | Nichia Corp | 半導体発光素子 |
JP2009105376A (ja) * | 2007-10-19 | 2009-05-14 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 半導体発光素子、その製造方法及びこれを用いた半導体発光素子パッケージ |
JP2010062267A (ja) * | 2008-09-02 | 2010-03-18 | Toshiba Corp | 面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュール |
JP2010225771A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Toyoda Gosei Co Ltd | 半導体発光素子 |
JP2012109543A (ja) * | 2010-10-18 | 2012-06-07 | Canon Inc | 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを備えた光学装置 |
-
2013
- 2013-01-15 JP JP2013004512A patent/JP6055316B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58137272A (ja) * | 1982-02-10 | 1983-08-15 | Toshiba Corp | 表面放射型発光ダイオ−ド |
JPS58143592A (ja) * | 1982-02-22 | 1983-08-26 | Hitachi Ltd | 発光ダイオ−ド |
JP2002261400A (ja) * | 2001-02-27 | 2002-09-13 | Ricoh Co Ltd | レーザ、レーザ装置および光通信システム |
JP2006054417A (ja) * | 2004-08-10 | 2006-02-23 | Samsung Electro Mech Co Ltd | 窒化ガリウム系半導体発光素子及びその製造方法 |
JP2007294566A (ja) * | 2006-04-24 | 2007-11-08 | Nichia Chem Ind Ltd | 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 |
JP2008140918A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-06-19 | Eudyna Devices Inc | 発光素子の製造方法 |
JP2009038319A (ja) * | 2007-08-03 | 2009-02-19 | Nichia Corp | 半導体発光素子 |
JP2009105376A (ja) * | 2007-10-19 | 2009-05-14 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | 半導体発光素子、その製造方法及びこれを用いた半導体発光素子パッケージ |
JP2010062267A (ja) * | 2008-09-02 | 2010-03-18 | Toshiba Corp | 面発光装置及びその製造方法、並びに光伝送モジュール |
JP2010225771A (ja) * | 2009-03-23 | 2010-10-07 | Toyoda Gosei Co Ltd | 半導体発光素子 |
JP2012109543A (ja) * | 2010-10-18 | 2012-06-07 | Canon Inc | 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、面発光レーザアレイを備えた光学装置 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017158091A1 (de) * | 2016-03-18 | 2017-09-21 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Diffraktives optisches element, verfahren zum herstellen eines diffraktiven optischen elements und laserbauelement |
US11061174B2 (en) | 2016-03-18 | 2021-07-13 | Osram Oled Gmbh | Diffractive optical element, method of producing a diffractive optical element and laser component |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6055316B2 (ja) | 2016-12-27 |
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