JP5926642B2 - 発光素子および発光素子アレイ - 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。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、構造物の屈折率が素子表面の屈折率よりも小さいので、構造物からの出射光の干渉により成形される光線が広がらないようにすることができる。
請求項4に記載の発明によれば、製造し易い発光素子アレイを提供することができる。
[発光素子の構造の概要]
本発明の第1実施形態に係る発光素子について図1を参照(適宜図2および図3参照)して説明する。図1に示す発光素子1は、図1において上側の素子表面63から光を放射する発光素子であり、この上側の素子表面63に光出射端として構造物2を備えている。この発光素子1において、構造物2の下側にそれぞれ位置する半導体層30、発光層40およびバッファ層60等の積層構造体は、一般的な発光素子の構成と同様であるが、光源マスク層50の説明と共に後記する。なお、図1において、XYZ軸の原点をOとし、発光素子1の素子表面63(バッファ層60の表面)はXY平面であるものとした。
先端段部3は、一例として円柱を基にした形状となっている。この円柱の中心軸は、図1の原点Oを通り、Z軸に一致している。つまり、図1に示す発光素子1の構造物2において、光出射端の先端側に延びる軸は、Z軸に一致している。
発光素子1は、例えばLEDのように、平坦な素子表面63(バッファ層60の表面)から光を放射するものである。発光素子1は、図1に示すように、半導体層30と、発光層40と、光源マスク層50と、バッファ層60と、構造物2と、を備えている。
本実施形態では、バッファ層60の中に、光源マスク層50が積層されている。バッファ層60の中において光源マスク層50の積層位置は特に限定されない。以下では、発光層40と光源マスク層50との間に積層されているバッファ層をバッファ層61と表記し、構造物2と光源マスク層50との間に積層されているバッファ層をバッファ層62と表記する。つまり、光源マスク層50は、バッファ層61とバッファ層62とに挟まれている。
<構造物2の材料>
本実施形態では、一例として、構造物2の先端段部3および基端段部4は一体成形されてなり、構造物2の材料の屈折率は、素子表面63を形成するバッファ層60の半導体の屈折率よりも小さくなっているものとする。このような構造物2の材料として、透明な材料を用いることが好ましい。例えば、SiO2は加工し易いので好ましい。また、SiO2は、バッファ層60の半導体がGaNの場合には、密着性の観点からも好ましい。
図1の発光素子1の上面図を図2に示し、図2のA−A線矢視における断面図を図3に示す。以下、図1ないし図3に示す構造物2の形状についての説明の都合上、中心軸(Z軸)に対して全体が回転対称な形状となっている参考例(図4参照)と対比させながら説明する。このために、参考例の発光素子100(図4参照)についても同様に平面図および断面図を示す。すなわち、図5に発光素子100の上面図を示し、図5のB−B線矢視における断面図を図6に示す。なお、参考例の発光素子100において、本発明の発光素子1と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
図4に示す参考例の発光素子100の素子表面63には、中心軸(Z軸)に対して全体が回転対称な形状となっている構造物102が設けられている。構造物102は、段状に形成されており、先端の先端段部103と、先端段部103よりも広く形成された基端段部104とを備える。先端段部103は、円柱形状となっており、光線が成形し易くなっている。また、基端段部104は円柱の形状となっており、その中心軸はZ軸に一致している。
構造物102の先端段部103および基端段部104をXY平面に投影したときに生じる図形は、図5に示すようにそれぞれ円形である。構造物102は平面視では方位依存性がなく、原点Oの周りで回転対称となっている。
図1に示す構造物2の先端段部3をXY平面に投影したときに生じる図形は、図2に示すように円形である。つまり、先端段部3は平面視では方位依存性がなく、原点Oの周りで回転対称となっている。一方、構造物2の基端段部4をXY平面に投影したときに生じる図形は、図2に示すように円が歪んだ形状となっている。図2において、11は基端段部4の第1領域10の投影形状を示し、21は基端段部4の第2領域20の投影形状を示す。図示するように、投影形状21は半円である。投影形状11は楕円を半分にした形状に近似している。投影形状11が楕円を半分にした形状であるとすると、長軸の2倍の長さが投影形状21の直径に一致している。詳細は後記するが、短軸の長さは、投影形状21の半径の長さRを基準に所定縮小率aで縮小した長さ(1−a)Rに定められている(図8(a)参照)。
図6に示すように、参考例の発光素子100のZX平面における断面(図5のB−B線矢視における断面)において、構造物102の先端段部103および基端段部104は、Z軸を中心として対称になっている。よって、図6の断面図において、例えば基端段部104の左の領域の図形104Lと、右の領域の図形104Rとは合同(相似においてスケーリングファクタ=1の場合)である。この合同の関係は、図6に示す断面(ZX平面)だけではなく、Z軸を含む任意の平面で成り立っている。なお、構造物102の先端段部103および基端段部104は一体なので図6では同じハッチングを付し、各部を形式的に区別するために、水平方向の境界線を破線で示した。
図3において、構造物2の先端段部3および基端段部4は一体なので同じハッチングを付し、各部を形式的に区別するために境界線を破線で示した。
図3に示すように、発光素子1のZX平面における断面(図2のA−A線矢視における断面)において、構造物2の先端段部3は、Z軸を境界線とした2つの矩形の幅(横の長さ)が等しくなっている。これは、先端段部3が平面視では方位依存性がないことを反映している。一方、先端段部3の断面において、図3に示すように、2つの矩形のZ軸方向の一端(先端)の短辺の位置は揃っているが、Z軸方向の他端の短辺の位置は揃っていない。このように2つの矩形の高さ(縦の長さ)が異なる点についての説明は、基端段部4の断面形状の説明の後に詳述する。
ここでは、発光素子1の構造物2から出射される光の干渉の原理について、参考例(図4参照)と対比させながら図7を参照して説明する。図7(a−1)は、参考例の発光素子100の平面図を示し、図5と同様の図である。図7(a−2)は、参考例の発光素子100の一部断面図を示し、図6の一部を示す。図7(b−1)は、発光素子1の平面図を示し、図2と同様の図である。図7(b−2)は、発光素子1の一部断面図を示し、図3の一部を示す。なお、図示を省略したが、図7(a−1)および図7(b−1)に示す原点Oには、紙面に垂直な方向にZ軸が重なっている。
図7(a−1)に示す参考例の発光素子100において、光は、素子表面63に段状に形成された構造物102から出射し、外部の空気中へと出射する。このとき、構造物102は、先端段部103が光出射端の中央部となり、基端段部104が、光出射端の中央部に対する周辺部となる。つまり、素子内部の発光層40(図6参照)からの光は、構造物102において光出射端の周辺部から出射する光路(以下、第1光路と呼ぶ)、または、構造物102において光出射端の中央部から出射する光路(以下、第2光路と呼ぶ)から出射する。
図7(b−1)に示す発光素子1において、光は、素子表面63に段状に形成された構造物2から出射し、外部の空気中へと出射する。このとき、参考例の発光素子100と同様に、構造物2は、先端段部3が光出射端の中央部となり、基端段部4が、光出射端の中央部に対する周辺部となる。つまり、素子内部の発光層40(図3参照)からの光は、構造物2において光出射端の周辺部から出射する光路(第1光路)、または、構造物2において光出射端の中央部から出射する光路(第2光路)を経由する。
第1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。シミュレーションの条件としては、発光素子1の素子表面63上に、縦6000nm×横6000nm×高さ3000nmの直方体の領域をベースとして想定した。また、評価に用いた強度分布の観測地点は、素子表面63から上方2400nmとした。
FDTD法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度として、XY平面に平行な上方の平面(素子表面の上方2400nm)に到達した光の強度の積算値を求め、上方で観測されるビームのスポット形状で光線形成を確認した。ここでは、FDTD法における電界の自乗をとった電力密度を光の強度とした。また、ZX平面における光の強度の積算値(ZX平面のビームパターン)を求めた。
構造物2の材料はSiO2(屈折率nα=1.5)であるものとした。
構造物2の基端段部4の半径Rを800nmとした。基端段部4の高さh1を65nmとした。
構造物2の先端段部3の直径rを、発光スペクトルの中心波長に相当する長さ(405nm)とした。先端段部3の高さh2を基端段部4の高さh1と同様に65nmとした。
発光素子1の構造物2から出射される光線について素子表面63の法線方向から測った傾き角度を方位角と呼び、方位角の最大値を最大方位角と呼ぶ。
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。
なお、この後に、構造物2の表面にSiO2等の絶縁性の保護膜を形成してもよい。また、発光素子1の素子表面63に電極を形成する場合には、構造物2を取り付ける前に、例えば金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって電極層が作製される。
図1に示す発光素子1は、構造物2の基端段部4が対称面(ZX平面)を備え、対称面に直交する面(YZ平面)の第1領域10と第2領域20との体積を変えたことにより、当該発光素子1から出射する光線の方向を制御できる。よって、発光素子1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。この場合、画素に対応して所定の最大方位角で出射する同一サイズかつ同一形状の構造物2を一度に同様に製造し、同じ最大方位角で出射する構造物2を各画素位置に対応した向きに回転させてそれぞれ設ければ、簡単構造で、IP方式の立体ディスプレイを提供することが可能である。このような応用例について図11を参照(適宜、図1〜図3参照)して説明する。
本発明の第2実施形態に係る発光素子について図12を参照して説明する。図12(a)は、図1に対応した図であって第2実施形態に係る発光素子1Bの斜視図である。図12(b)は、図3に対応した図であって発光素子1Bの断面図を示す。なお、発光素子1Bの上面図は、図2と同様なので省略する。
光源マスク層50は、遮光のほか、電極としても機能させることができる。
発光素子1Bの構造物2から出射される光の干渉の原理は図7を参照して説明したものと同様である。なお、一般的な樹脂は、屈折率が約1.5〜1.6であり、構造物2の材料をSiO2とした場合の屈折率(nα=1.5)と同程度であって、半導体の屈折率(GaNの場合、屈折率nβ=3.1)より小さい。
発光素子1Bによれば、発光層40からの光を透明樹脂からなる封止部材52を介して効率よく構造物2に伝達できるので、非透明な層を用いる場合に比べて発光強度を高めることができる。
2 構造物
3 先端段部
4 基端段部
10 第1領域(基端段部の体積が小さい方の部分)
11 第1領域の投影形状
12 第1領域の断面形状
20 第2領域(基端段部の体積が大きい方の部分)
21 第2領域の投影形状
22 第2領域の断面形状
30 半導体層
40 発光層
50 光源マスク層
51 貫通孔
52 封止部材
53 素子表面
60,61,62 バッファ層
63 素子表面
70 発光素子アレイ
80 IP立体ディスプレイ
81 基板
Claims (4)
- 半導体からなる一側の素子表面に、光出射端として段状に先端に向かって形成された構造物を備えた発光素子であって、
前記構造物は、先端の先端段部と、この先端段部よりも広く形成された少なくとも1段からなる基端段部とを備え、
前記構造物の前記先端段部は、先端側に延びる中心軸に直交する断面の外径の最大値が、発光波長以上、放射光の可干渉長の2倍以下であり、
前記基端段部は、前記先端段部の中心軸を含む面で2つに分けたときに対称になる対称面を有し、前記対称面とは異なる前記中心軸を含む面で2つに分けたときの各体積が異なることを特徴とする発光素子。 - 前記構造物の材料の屈折率は、前記素子表面を形成する半導体の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の発光素子。
- 発光層と、
前記発光層の上側に形成された光源マスク層と、
前記光源マスク層の上側に形成された前記構造物と、を備え、
前記光源マスク層は、
前記構造物に対応した位置に前記構造物の前記基端段部よりも広く形成された貫通孔を備え、前記貫通孔以外の領域が前記発光層からの光を遮蔽す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。 - 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を並べた発光素子アレイであって、
それぞれの前記発光素子は、
前記発光素子アレイにおける配設位置に応じた光の出射方位が予め定められており、
前記構造物の前記基端段部を前記先端段部の中心軸を含み前記対称面と直交する面で2つの部分に分けたときの体積が大きい方の部分が、当該発光素子の前記配設位置に応じた光の出射方位に向けて配置されていることを特徴とする発光素子アレイ。
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