JP5993202B2 - 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。
また、かかる構成によれば、発光素子では、光源マスク層に所望サイズの貫通孔を所望位置に設けることで、所望位置に所望サイズの発光部分領域を容易に設けることができる。また、光源マスク層の貫通孔を先に形成しておくことで、素子表面の遮光膜において所望位置に所望サイズの環状の穴を容易に設けることができる。したがって、設計どおりの発光素子を製造し易くすることができる。
また、請求項1に記載の発明によれば、製造し易い発光素子を提供することができる。
請求項2に記載の発明によれば、発光素子は、環状の穴から出射した光の干渉により、発光素子で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、発光素子の環状の穴から出射した光の干渉効果を高めることができる。
請求項5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において上側の表面から光を放射する発光素子であり、この上側の表面に遮光膜2を備える。図1において、発光素子1の光を射出する面(以下、射出面という)はXY平面と平行な面であるものとした。遮光膜2には、環状の穴3が設けられている。遮光膜2は、環状の穴3の内側に、中心遮光部4を有する。中心遮光部4は、発光素子1内部の発光部分領域5からの光を遮光する。発光部分領域5は、発光層20とは異なる層に配置されている。本実施形態では、発光部分領域5は、光源マスク層40に設けられた貫通孔の配置された領域であるものとした。発光層20は、環状の穴3の下方において光源となる領域(光源領域21)を備える。遮光膜2は、環状の穴3の内側にある部分(中心遮光部4)および外側にある部分によって、発光部分領域5からの光を遮光する。発光素子1は、中心遮光部4における中心O1と、発光部分領域5の中心O2とをずらして、遮光膜2が配置されている。
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、図1に示すように、半導体層10と、発光層20と、バッファ層(第1バッファ層)30と、光源マスク層40と、バッファ層(第2バッファ層)50と、遮光膜2と、を備えている。
以下、発光素子1の遮光膜2に設けられた環状の穴3について、説明の都合上、ずれの無い参考例と対比させながら図1ないし図4を参照して説明する。図2(a)に発光素子1の上面図を示し、図2(a)のA−A線矢視における断面図を図3(a)に示す。また、発光素子1の遮光膜2上の環状の穴3の位置を説明するために、参考例の発光素子1Aについても同様に図示する。すなわち、図2(b)に発光素子1Aの上面図を示し、図2(b)のC−C線矢視における断面図を図3(b)に示す。また、図4は発光素子1の上面図であって、発光制御のための構成要素の長さの関係をまとめて示す図である。
発光素子1の射出面からの仰角を例えば角度αで表す。仰角αの基準は発光素子1の射出面(XY平面と平行な面:図1参照)である。すなわち発光素子1の射出面はα=0°で表される。また、発光素子1の射出面に対する法線方向(Z軸の正の方向)はα=90°で表される。このとき、説明のために、発光素子1の射出面に対する法線方向を基準にした制御角Ψ(=90°−α)を導入する。この発光素子1の射出面に対する法線方向はΨ=0°で表される。Ψ=0°のとき、発光素子1からの光は直進する。制御角Ψが0°より大きくなると、発光素子1からの光は傾く。なお、発光素子1の射出面はΨ=90°で表される。発光素子1は、ずれ幅δ(図2〜図4参照)を変えることにより、仰角α(または制御角Ψ)を所定の角度範囲で制御することができる。
発光素子1の射出面の面内における方向を例えば角度θ(0≦θ<180°)で表す。このとき、説明のために、発光素子1を発光面(上面)から見たときの光の出射向きを示す方位角β(=θ+180°)を導入する。発光素子1は、発光素子1内部の発光部分領域5の中心O2に対して、中心遮光部4における中心O1をずらす方向を変えることにより、角度θ(または方位角β)を制御することができる。このように、ずれ幅δの基準を発光部分領域5の中心O2としているので、発光素子1の上面図(図2、図4、図5)において、発光素子1の内部の光源マスク層40を基準にしていることを破線で示している。
以下では、3次元空間上で仰角α(または制御角Ψ)と方位角βとの組みで特定される向きを光の出射方位と呼ぶ。
ここでは、発光素子1の環状の穴3から出射される光の干渉の原理について数式を用いつつ図2および図3を参照して説明する。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(例えばGaNであれば例えばn=2.6)。
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(波長λ)は470nmであるものとした。遮光膜2をMoの金属薄膜で形成し、遮光膜2の厚さh(図3(a)参照)を200nmとした。バッファ層50の厚さb(図3(a)参照)を250nmとした。バッファ層30および光源マスク層40の合計の厚さc(図3(a)参照)を250nmとした。
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の表面(上面)と平行な面の正方形領域(大きさ3000nm×3000nm)をベースとして想定した。また、発光領域から素子表面の上方3500nmまでの領域を計算対象としてシミュレーションを行った。
本発明の実施形態に係る発光素子1におけるビームパターンの計算結果の一例として、ZX平面におけるビームパターンのシミュレーション結果を図7(a)に示し、YZ平面におけるビームパターンのシミュレーション結果を図7(b)に示す。ここでは、発光素子1のバッファ層50(図3(a)参照)の上面をZ=0(XY平面)として、遮光膜2に設けた環状の穴3の内側にある中心遮光部4における中心O1の直下を原点(0,0,0)とした。また、発光素子1において、図2(a)に示すように、発光部分領域5の中心O2を基準にしたときに中心遮光部4の中心O1をずらす方向は、Y軸の負の方向であるものとした。この方向は、図3(a)の断面図では、右方向を示す。なお、比較のため、参考例の発光素子1Aについてもビームパターンを同様に算出した。
FDTD法による計算結果を用い、遠方界パターンを計算し、これを光の方向制御の評価に用いた。遠方界パターンは、距離が変わっても角度に対して光の強度が一定となるパターンを示す。前記ビームパターンは、素子表面の上方3500nm(3.5ミクロン)の距離を想定していたが、遠方界パターンは、素子表面の上方のおよそ1mmの距離を想定している。
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。
発光素子1(図1参照)は、内部の発光部分領域5の位置に対して、遮光膜2に形成する環状の穴3の位置をずらすことにより、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、各発光素子1に、同一サイズかつ同一形状の環状の穴3を設け、環状の穴3の位置をずらすパターンを変えるだけで、すべての光線の方向を制御できる。つまり、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9を参照(適宜、図1、図2及び図5参照)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10および図11を参照して説明する。図10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11(a)は、図2(a)に対応した図であって発光素子1Bの上面図を示す。図11(b)は、図11(a)のE−E線矢視における断面図を示す。
また、環状の穴は、完全な円でなくても、環状であればよい。四角のリングやその他の多角のリングであってもよい。
2 遮光膜
3 環状の穴
4 中心遮光部
5,5B 発光部分領域
10 半導体層
20 発光層
21 光源領域
30 バッファ層(第1バッファ層)
40 光源マスク層
50 バッファ層(第2バッファ層)
60 発光素子アレイ
70 IP立体ディスプレイ
71 基板
Claims (5)
- 一側の表面から光を放射する発光素子であって、
前記発光素子内部の発光部分領域からの光を遮光するための遮光膜を前記表面に備え、
前記遮光膜には、環状の穴が設けられており、
前記遮光膜に設けた環状の穴の内側にある中心遮光部における中心と、前記発光素子内部の発光部分領域の中心とをずらして、前記遮光膜を配置し、
発光層と、
前記発光層の一側に積層された第1バッファ層と、
前記第1バッファ層の上に積層された光源マスク層と、
前記光源マスク層の上に積層された第2バッファ層と、
前記第2バッファ層の上に積層された前記遮光膜と、を備え、
前記光源マスク層は、
前記発光素子内部の前記発光部分領域に対応した位置に貫通孔を備え、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発光素子。 - 前記遮光膜に設けた環状の穴の外径の最大値は、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に記載の発光素子。
- 前記発光素子内部の発光部分領域は、前記一側の表面に平行な面における最大幅が、前記遮光膜に設けた環状の穴の外径の最大値よりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の発光素子。
- 前記遮光膜に設けた環状の穴の内側にある中心遮光部における中心と、前記発光素子内部の発光部分領域の中心とのずれ幅は、前記遮光膜に設けた環状の穴の内側にある中心遮光部の径の最小値と前記発光部分領域において前記一側の表面に平行な面における最大幅との差の半分の値以下であることを特徴とする請求項3に記載の発光素子。
- 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として、前記一側の表面における所定の方位が予め定められており、
前記遮光膜に設けた環状の穴の内側にある中心遮光部における中心を、前記発光素子内部の前記発光部分領域の中心から、当該発光素子において前記所定の方位とは同じ向きにずらして前記遮光膜が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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