JP5912653B2 - 発光素子 - Google Patents
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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。
この場合、半導体柱状部の内部を伝搬して射出面から射出された光の位相と、高さが0の柱とみなしたバッファ層の表面から射出された光の位相とを異ならせることができる。このようにしても、異なる位相を有するそれぞれの放射光の干渉によって成形される光線の放射方向を、素子表面と垂直な方向から傾斜させることができる。また、半導体柱状部の高さを全て等しくすることができるので、構成が簡素となる。なお、特許請求の範囲における「半導体柱状部」には、高さが0の柱は含まれないものとする。
請求項1,2に記載の発明によれば、発光素子は、素子単体で光線の成形と方向制御を可能とすることができる。また、発光素子は、バッファ層の下側に所定の大きさの発光部を形成し、バッファ層の上側に所定の高さの柱を形成することで、簡単に製造することができる。
図1に示すように、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射出する光線指向型の発光素子である。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。発光素子1は、平坦な表面において所定領域を取り囲むように、2個以上の複数の柱(半導体柱状部)を有し、少なくとも1つの半導体柱状部の高さが他と異なり、これらすべての半導体柱状部から光を射出する点に特徴がある。以下では、一例として、発光素子1が、横断面が円形状の3個の半導体柱状部7,8,9を有し、半導体柱状部9が半導体柱状部7,8よりも低いものとして説明する。ここで、素子上面において、所定領域を環状に取り囲むように配置された3個の半導体柱状部7,8,9を図2に示す。
発光素子1は、図1に示すように、半導体層2と、発光部3,4,5と、バッファ層6と、半導体柱状部7,8,9とを備えている。半導体層2は、発光部3,4,5の下側に、図示しない基板との間に設けられたn型半導体層である。バッファ層6は、発光部3,4,5の上側に、素子表面との間に設けられたp型半導体層であり、表面が平坦に形成されている。図1では、バッファ層6の下側に発光部3,4,5が設けられている様子を示すために、バッファ層6を水平方向に切断して二つに分けて示している。
発光部3,4,5は、ここでは、バッファ層6の上側に設けられた半導体柱状部7,8,9のそれぞれに対応するように、半導体層2の上側の同一平面上にそれぞれ設けられている。図1または図2に示すように、ここでは、発光部3が半導体柱状部7に対応し、発光部4が半導体柱状部8に対応し、発光部5が半導体柱状部9に対応している。また、発光部3,4,5は、重心が、3個の半導体柱状部7,8,9の重心と同軸上に位置するように配置されている。詳しくは、後記する。発光部3,4,5は、半導体柱状部7,8,9の横断面の形状に対応して、横断面が円形状に形成されている。発光素子1が青色発光素子である場合、発光部3,4,5は、例えば、InGaNの量子井戸層として形成される。
また、発光部3,4,5は、厚さが極めて薄く、ここでは、約3〜10nm程度で形成される。
<半導体層>
半導体層2は、図示しない基板側から順に、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。
<バッファ層>
バッファ層6は、発光部3,4,5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。バッファ層6は、下面の発光部3,4,5が当接されない部分が、発光部3,4,5側の高さと同じだけ半導体層2側へと張り出しており、発光部3,4,5間の隙間を埋めている。
電極の構造は、図示を省略したが、一般的なLED素子と同様に、半導体層2およびバッファ層6との間に段差を設けて、当該段差から引き出された部分にオーミックコンタクトを形成する形で電極を形成できれば、特に限定されるものではない。また、電極材料としては一般的な金属電極が使用できる。
半導体柱状部7,8,9は、ここでは、横断面が円形状の柱状構造物であり、発光素子1から放出される光の波長λ0程度以上の径を有する。ここで、波長λ0は、自由空間における放射光の波長を示す。図1および図2では半導体柱状部7,8,9の形状を円形で示し、各半導体柱状部7,8,9の太さは等しいものとした(直径2φ)。
半導体柱状部7,8,9は、バッファ層6と同様の材料で形成されている。
<半導体柱状部の間隔>
半導体柱状部7,8,9は、図2に示すように、光取り出し面において、所定の原点の周囲に均等な角度α(この場合、α=120度)の方向に、互いに間隔pだけ離間して配置されている。半導体柱状部の間隔pは、隣り合った半導体柱状部からの光が干渉できる程度の長さに予め設定されている。つまり、半導体柱状部の間隔pは、発光素子の可干渉長以下であることが好ましい。なお、光の可干渉長は、光源の発光スペクトルの半値幅と、中心波長とに依存する。光源がLEDの場合、例えば10〜数十μm程度の長さとなる。
図2に示した例では、所定の原点とは、素子上面において3つの半導体柱状部7,8,9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、この原点は、図3(a)に示すように、半導体柱状部7の中心O1と、半導体柱状部8の中心O2と、半導体柱状部9の中心O3とから等距離にある点であり、中心O1,O2,O3を頂点とする正三角形の重心(原点Mと表記する)のことである。ここで、3つの半導体柱状部7,8,9は、円環状かつ均等に配置されることが好ましい。なお、各半導体柱状部により取り囲まれた所定領域の形状やサイズは、半導体柱状部の径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。例えば半導体柱状部の径が、発光波長λ0の数波長程度分であれば、所定領域のサイズは、数分の1波長〜数波長程度とすることができる。
半導体柱状部7,8,9のうち、2つの半導体柱状部7,8の高さを、それぞれ基準となる高さHとする。そして、半導体柱状部9と他の半導体柱状部7,8との高さの差をδとすると、半導体柱状部9の高さは(H−δ)となる(図1参照)。本実施形態の発光素子1では、後記する実験結果に基づいて、半導体柱状部9の高さの差δは、半導体中における放射光の波長λ1の長さ以下であることとした。ここで、波長λ1は、自由空間において波長λ0の光を、半導体中(半導体柱状部7,8,9の内部)を光導波路として伝搬したときの波長である。一般に、半導体の誘電率は真空中(空気中)より高いため、半導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、大気中または真空中の光の速度をc、半導体の屈折率をnとすると、半導体中の速度は、c/nで与えられる。
以下では、半導体柱状部7,8を導波柱7,8と呼称し、半導体柱状部7,8と異なるように高さが調整された半導体柱状部9を制御柱9と呼称して区別する場合もある。
発光素子1は、例えばGaNにInを添加したLEDであるものとし、発光スペクトルの中心波長(λ0)は405nmであるものとした。
発光素子1のバッファ層6(図1参照)の厚さを約500nmとした。
半導体柱状部7,8,9の間隔p(図2参照)は、放射光の自由空間での波長λ0に相当する405nmとした。
半導体柱状部7,8,9の半径φ(図2参照)は、放射光の自由空間での波長λ0に相当する405nmとした。
導波柱7,8の高さHは、放射光の半導体中の波長λ1の約2波長分に相当する263nmとした。
制御柱9の高さ(H−δ)は、263nmからδ[nm]を減じた高さとして、δの値を変化させることで、光線方向が制御される。
以下、発光部3,4,5の寸法と、半導体柱状部7,8,9の寸法との相互関係につい図3を参照しつつ下記の数式を適宜用いて説明する。なお、以下では、図3に示したように、発光部3と半導体柱状部7の組合せを例にとって説明するが、発光部4と半導体柱状部8の組み合わせ、および、発光部5と半導体柱状部9の組み合わせにおいても同様のことがいえる。
2φ−Λ<2Ψ≦2φ+Λ … 式(1)
かかる式(1)において、Λは、次の式(2)で表される。
Λ=2DtanθC … 式(2)
また、式(1),(2)におけるΛは、図3に示したように、発光部3(4,5)の直径2Ψと、半導体柱状部7(8,9)の直径2φとの差の合計を表している。
光線の傾きの角度(以下、制御角θと称する)の最大値は、半導体柱状部7(8,9)に対する、それぞれ対応する発光部3(4,5)の大きさに依存する。
ここでまず第1に、発光部の横断面が、それぞれ対応する半導体柱状部の横断面よりも大きい場合を想定する。また、本実施形態の比較として、例えば、発光部が、バッファ層の下側に一様に設けられている場合を想定する。この比較例では、光線成形に主たる影響を及ぼす複数の半導体柱状部の内部を伝搬して射出面からそれぞれ放射された光の強度と、光線成形においてはノイズとみなされる素子表面(特に、バッファ層の上面)から放射された光の強度とは、開口部分の面積比程度の違いしかないため、余分な干渉を引き起こしてしまい、明瞭な光線を成形することができない。
以下、発光素子1の半導体柱状部7,8,9から出射される光の干渉の原理について図4および下記の数式を適宜用いて説明する。なお、半導体柱状部107,108は高さが同じであるので、図4および下記数式を用いる説明では、簡便のため、高さの異なる2つの半導体柱状部108と半導体柱状部109から出射される光の干渉を例にとって説明する。
位置r1にある波源と、位置r2にある波源とからそれぞれ射出された光によって、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(7)で与えられる。
本実施形態の発光素子1の性能を確かめるために、FDTD(Finit-Difference Time Domain)法によるシミュレーションを行った。シミュレーション結果の説明に先立ち、FDTD法によるシミュレーションによるビームパターンの計算結果の一例について説明する。
ビームパターンの計算結果の一例として、図2に示すような3つの半導体柱状部7,8,9の配置において、半導体柱状部7,8,9の高さが等しい場合(δ=0)のシミュレーション結果を図5に示す。具体的には、図1に示したように、発光素子1をXYZ軸の3次元空間に配置した。
符号gの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の緑色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてgreen、すなわち、光の強度がおよそ0.05W/m2であることを示す。
符号bの領域は、図5(b)のカラー表示の場合の青色の領域を示し、図5(b)に示すスケールにてblue、すなわち、光の強度がおよそ0W/m2であることを示す。
符号rの領域は、素子表面の上方8000nmに到達した光の多い領域を示し、符号bの領域は、素子表面の上方8000nmに光の到達しない領域を示す。
光の強度分布の中心点を光線が通るものとすると、原点上に光の強度分布の中心点が現れることから、素子表面と垂直な方向に向かう線上に光線を成形できることを確かめた。また、光線の断面形状が円形に近ければ近いほど強度の高い光線が成形されているといえるが、図5(b)に示した例では、光線の断面形状がほぼ円形であり、強度の高い光線を成形できることを確かめた。
また、光線方向の評価は、計算領域の上端において電界強度が最大となる点を光線の中心とし、発光素子1の表面の法線となす角を光線方向の制御角θとした。また、導波柱5,6と制御柱7との高さの差δは、基準となる導波柱5,6の高さH(263nm〔2λ1〕)に、高さの差の割合の数値を乗じて求めることとする。
また、図6の表における画像は、XY面内にて、発光素子1から放射された光の軌跡(波面)を示すビームパターンである。このときの制御角θは、発光部3,4,5の横断面の直径2Ψと半導体柱状部7,8,9の横断面の直径2φとの大きさの差や半導体柱状部7,8,9の高さの差δを反映している。また、図6に示す表では、上から下に向かって、比較例1、実施例1、実施例2、比較例2となっている。なお、前記したように、半導体柱状部7,8,9の直径2φは、自由空間における発光波長であるλ0の2波長分と等しいものとした。
比較例1では、発光部3,4,5の直径2Ψを2φ+1.5Λとしている。よって、比較例1は、前記した式(1)の条件を満たさない。
この場合、図6の表に示すように、半導体柱状部7,8,9の高さの差δHが0.0H〜0.2Hのとき、発光部3,4,5で発光した光が半導体柱状部7,8,9の内部に十分に導かれず、その結果、射出面7a,8a,9aからそれぞれ射出される光の強度が低くなってしまうため、光線の中心部分の強度が低い光線が成形されてしまう。さらに、発光部3,4,5の直径2Ψが、それぞれ対応する半導体柱状部7,8,9よりもはるかに大きいため、素子表面から放射されるノイズが多すぎてしまい、高さの差δが0.2Hより大きくなると、光線を1本に絞ることができない。したがって、前記した式(1)の条件を満たさない比較例1は、光線の明瞭性が低いことを確かめた。
実施例1では、発光部3,4,5の直径2Ψを2φ+Λとしている。よって、実施例1は、前記した式(1)の条件を満たす。
この場合、図6の表に示すように、半導体柱状部7,8,9の高さの差δが0.0H〜0.3Hのとき、半導体柱状部7,8,9の射出面7a,8a,9aから射出された光の干渉によって、1本の光線が成形されていることがわかる。また、光線の断面形状が円形に近い楕円形となっており、中心部分の強度が高い光線が成形されていることがわかる。さらに、高さの差δが大きくなるにつれて、光線の中心部分の位置が変化している、具体的には、制御角θが大きくなっていることがわかる。
したがって、前記した式(1)の条件を満たす実施例1は、光線の明瞭性を向上することができ、かつ、光線の方向制御の任意性を向上することができることを確かめた。
実施例2では、発光部3,4,5の直径2Ψを2φとしている。よって、実施例2は、前記した式(1)の条件を満たす。
この場合、図6の表に示すように、半導体柱状部7,8,9の高さの差δが0.0H〜0.3Hのとき、半導体柱状部7,8,9の射出面7a,8a,9aから射出された光の干渉によって、1本の光線が成形されていることがわかる。また、光線の断面形状が円形に近い楕円形となっており、中心部分の強度が高い光線が成形されていることがわかる。また、高さの差δが大きくなるにつれて、光線の中心部分の位置が変化している、具体的には、光線の傾き角度θが大きくなっている。
したがって、前記した式(1)の条件を満たす実施例2は、光線の明瞭性を向上することができ、かつ、光線の方向制御の任意性を向上することができることを確かめた。
比較例2では、発光部3,4,5の直径2Ψを2φ−Λとしている。よって、比較例2は、前記した式(1)の条件を満たさない。
この場合、図6の表に示すように、半導体柱状部7,8,9の高さの差δが0.0H〜0.2Hのとき、半導体柱状部7,8,9の射出面7a,8a,9aから射出された光の干渉によって、1本の光線が成形されていることがわかる。また、光線の断面形状がほぼ円形であり、中心部分の強度が高い光線が成形されていることがわかるが、高さの差δを0.0H〜0.2Hまで変化させても、光線の中心部分の位置がほとんど変化していないことがわかる。したがって、前記した式(1)の条件を満たさない比較例2は、光線の方向制御が困難であることを確かめた。
図7に示すグラフは、発光部3,4,5の直径2Ψの値を2φ+1.5Λ〜2φ−Λまで変化させてシミュレーションした結果を示している。なお、図7に示すグラフにおいて、横軸は、導波柱7,8と制御柱9との高さの差δを、半導体中における発光波長λ1の長さを単位として示す。縦軸は、計算で求めた光線方向の制御角θを示す。
このように、発光部3,4,5の直径2Ψの寸法が、式(1)の条件を満たす場合、光線を発光素子1の表面の法線に対して十分傾けることができるので、本実施形態に係る発光素子1は、IP立体ディスプレイ等に好適である。
図8(a)および図8(b)に示すように、発光素子1を基板11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10を提供することが可能である。図示は省略するが、IP立体ディスプレイ10に対応したIP立体撮影装置がレンズ板を介して図8(b)に示す円柱や立方体等の被写体を予め撮影しておくことが、立体を表示(再生)するための前提となる。これにより、図8(b)に示すように、IP立体ディスプレイ10の各発光素子1が要素画像を空間上に投影し、それらが集積されて、被写体の再生像(立体像)として、例えば円柱や立方体が表示される。
よって、素子単位の画素構造(発光素子1)の中の3つの波源からそれぞれ射出された光によって、当該画素において強度変調が可能となる。なお、画素の位置によっては、制御角θ=0度とするために半導体柱状部7,8,9の高さを等しくすべき位置もある。
このように立体ディスプレイ10は、各画素を構成する発光素子1が、個別に、射出される方向(方向)が決定されていることによって、光学レンズを介することなく、各発光素子1から特定の方向(方向)への指向性をもった光を射出することができる。
発光素子1は、光線の成形と方向制御を必要とするデバイス一般に応用することが可能である。例えば、プロジェクター用光源、空間光インターコネクションに用いる接続器、拡散板を必要としない照明用光源などに好適である。
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。
あるいは、半導体層2の上に、発光部3,4,5の材料を成膜し、発光部3,4,5となる部分以外の部分をパターニングすることで、発光部3,4,5を形成してもよい。
また、半導体層2の上に、発光部3,4,5を形成する領域にInイオンを選択的に打ち込むなどによりInを局在化させてから結晶成長させることにより、発光部3,4,5を形成してもよい。
また、発光素子は、LED素子のような注入型のEL素子に限定されず、有機EL素子や無機EL素子のような真性EL素子であってもよい。
半導体柱状部の断面形状は、図示した円に限らず、多角形等であってもよい。また、半導体柱状部の個数を3個としたがこれに限られるものではない。発光部の数を半導体柱状部の数以上、かつ、3個以上とし、半導体柱状部の個数を発光部の数以下とする。また、柱の個数は、制御柱が導波柱と同数以下となるようにし、制御柱の高さを導波柱の高さに比べて大きく、あるいは、小さくすることで、光線方向を制御するものとする。ここでの柱とは、半導体柱状部と、高さが0の柱との両方を含むものとする。なお、前記したように、対応する半導体柱状部が設けられていない発光部3の上方に位置するバッファ層6の上面の一部領域を、高さが0の柱とみなすことができる。この高さが0の柱は、導波柱であるものとする。
1個あるいは2個の半導体柱状部および高さが0の柱の配置は図2の角度αが90度となるようにすることが好ましい。
1個あるいは2個の半導体柱状部および高さが0の柱の配置は図2の角度αが72度となるようにすることが好ましい。
1,2あるいは3個の半導体柱状部および高さが0の柱の配置は図2の角度αが60度となるようにすることが好ましい。例えば1,2あるいは3個の半導体柱状部および高さが0の柱を環状に配列した場合、間隔p(図2参照)はほぼ0であっても構わない。
内側に3個、外側に6個のように、環状に配列した複数の半導体柱状部を二重に配列してもよい。
また、すべての半導体柱状部の直径は必ずしも等しくなくてもよい。
2 半導体層
3,4,5 発光部
6 バッファ層
7,8 導波柱(半導体柱状部)
9 制御柱(半導体柱状部)
10 IP立体ディスプレイ
11 基板
Claims (2)
- 平坦な表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層の下側に設けられた発光部と、
前記バッファ層の上側に設けられ前記発光部で発光した光を、その内部を光導波路として伝搬して柱頭の射出面から放射する半導体柱状部と、を有し、
前記発光部及び前記半導体柱状部の個数は、等しく、かつ、3個以上であり、
前記発光部は、所定領域を取り囲むように前記半導体柱状部ごとに設けられ、
前記発光部は、横断面の直径2φと、対応する前記半導体柱状部の横断面の直径2Ψとの間に、前記バッファ層の表面から前記発光部までの深さDと、前記バッファ層の表面から前記発光部までの媒質の屈折率と前記発光部の媒質の屈折率とで定まる光の臨界角θ C とが含まれる以下の式(1)および式(2)で示す関係が成立し、
2φ−Λ<2Ψ≦2φ+Λ … 式(1)
Λ=2Dtanθ C … 式(2)
全ての前記半導体柱状部のうち、半数以下の前記半導体柱状部である制御柱と他の前記半導体柱状部である導波柱との高さの差δが、前記制御柱と前記導波柱とを通る光の位相差τと、前記半導体柱状部の媒質の屈折率nと、自由空間中の光の波長λ 0 とが含まれる以下の式(6)で表されることを特徴とする発光素子。
- 平坦な表面を有するバッファ層と、
前記バッファ層の下側に設けられた発光部と、
前記バッファ層の上側に設けられ前記発光部で発光した光を、その内部を光導波路として伝搬して柱頭の射出面から放射する半導体柱状部と、を有し、
前記発光部の個数は、前記半導体柱状部の個数よりも多く、かつ、3個以上であり、
複数の前記発光部は、所定領域を取り囲むように設けられ、
前記発光部は、横断面の直径2φと、対応する前記半導体柱状部の横断面の直径2Ψとの間に、前記バッファ層の表面から前記発光部までの深さDと、前記バッファ層の表面から前記発光部までの媒質の屈折率と前記発光部の媒質の屈折率とで定まる光の臨界角θ C とが含まれる以下の式(1)および式(2)で示す関係が成立し、
2φ−Λ<2Ψ≦2φ+Λ … 式(1)
Λ=2Dtanθ C … 式(2)
前記半導体柱状部と、前記バッファ層の表面との高さの差δが、前記バッファ層と前記導波柱とを通る光の位相差τと、前記半導体柱状部の媒質の屈折率nと、自由空間中の光の波長λ 0 とが含まれる以下の式(6)で表されることを特徴とする発光素子。
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