JP7206628B2 - Light-emitting device and projector - Google Patents
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Description
本発明は、発光装置およびプロジェクターに関する。 The present invention relates to a light emitting device and a projector.
プロジェクターの光源として、従来から広く利用されてきた水銀ランプは、次第に暗くなり突然切れるという寿命の問題や、水銀規制という問題があって、徐々にLED(Light Emitting Diode)などの固体光源に移行している。 Mercury lamps, which have long been widely used as light sources for projectors, have problems with their lifespan, such as gradual dimming and sudden burnout, as well as problems with mercury regulations. ing.
例えば特許文献1には、複数のLEDチップを備えたLEDランプを、LED基板上に配列ピッチ4mmで2次元に300(15×20)個配列し、マイクロレンズアレイによってLEDランプの出力光を平行光とするプロジェクターが記載されている。
For example, in
上記のようなプロジェクターの光源(発光装置)は、スクリーンなどの照明対象を、効率よく照明することが望まれている。 The light source (light emitting device) of the projector as described above is desired to efficiently illuminate an illumination target such as a screen.
本発明に係る発光装置の一態様は、
発光素子と、前記発光素子に対応して設けられたレンズと、を有する複数の発光ユニットを有し、
前記発光素子は、
第1半導体層と、
前記第1半導体層と導電型の異なる第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられ、電流が注入されることで光を発生させることが可能な発光層と、
前記第1半導体層と電気的に接続された第1電極と、
前記第2半導体層と接触された第2電極と、
を有し、
前記第1半導体層および前記発光層の積層方向から見た平面視において、前記第2電極は、前記発光層と重なり、
前記積層方向から見た平面視において、複数の前記発光ユニットは、第1方向にピッチpで配置され、
前記第2半導体層と前記第2電極との接触領域の前記第1方向の大きさd、および前記ピッチpは、
d/p≦0.5、d≧2μm、かつ、p≦12μm
の関係を満たす。
One aspect of the light-emitting device according to the present invention is
a plurality of light-emitting units each having a light-emitting element and a lens provided corresponding to the light-emitting element;
The light emitting element is
a first semiconductor layer;
a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer;
a light-emitting layer provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and capable of generating light by current injection;
a first electrode electrically connected to the first semiconductor layer;
a second electrode in contact with the second semiconductor layer;
has
The second electrode overlaps the light-emitting layer in a plan view viewed from the stacking direction of the first semiconductor layer and the light-emitting layer,
In a plan view viewed from the stacking direction, the plurality of light emitting units are arranged at a pitch p in the first direction,
The size d in the first direction and the pitch p of the contact region between the second semiconductor layer and the second electrode are
d/p≦0.5, d≧2 μm, and p≦12 μm
satisfy the relationship
前記発光装置の一態様において、
前記大きさdおよび前記ピッチpは、
0.4≦d/p≦0.5
の関係を満たしてもよい。
In one aspect of the light-emitting device,
The size d and the pitch p are
0.4≦d/p≦0.5
may satisfy the relationship of
前記発光装置の一態様において、
前記大きさdおよび前記ピッチpは、
d/p≦0.3
の関係を満たしてもよい。
In one aspect of the light-emitting device,
The size d and the pitch p are
d/p≦0.3
may satisfy the relationship of
前記発光装置の一態様において、
複数の前記発光素子のうち第1発光素子は、複数の前記発光素子のうち第2発光素子と隣り合い、
前記第1発光素子から出射された光は、複数の前記レンズのうち、前記第2発光素子に対応して設けられた前記レンズにおいて、全反射しなくてもよい。
In one aspect of the light-emitting device,
a first light emitting element among the plurality of light emitting elements is adjacent to a second light emitting element among the plurality of light emitting elements;
The light emitted from the first light emitting element may not be totally reflected by the lens provided corresponding to the second light emitting element among the plurality of lenses.
前記発光装置の一態様において、
本発明に係るプロジェクターの一態様は、
前記発光装置の一態様と、
前記発光装置から出射された光を投射する投射装置と、
を有する。
In one aspect of the light-emitting device,
One aspect of the projector according to the present invention is
an aspect of the light-emitting device;
a projection device for projecting light emitted from the light emitting device;
have
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. It should be noted that the embodiments described below do not unduly limit the scope of the invention described in the claims. Moreover, not all the configurations described below are essential constituent elements of the present invention.
1. 第1実施形態
1.1. 発光装置
まず、第1実施形態に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図1は、第1実施形態に係る発光装置100を模式的に示す断面図である。図2は、第1実施形態に係る発光装置100を模式的に示す平面図である。なお、図1は、図2のI-I線断面図である。また、図1および図2では、互い直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
1. First Embodiment 1.1. Light Emitting Device First, the light emitting device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
発光装置100は、図1および図2に示すように、例えば、基板10と、発光素子20と、絶縁層40と、レンズ50と、を有している。なお、便宜上、図2では、発光素子20の第2電極32および絶縁層40の図示を省略している。
The
基板10は、例えば、サファイア基板である。基板10は、例えば、発光素子20の発光層24で発生した光を透過させることができる。
発光素子20は、基板10上に設けられている。発光素子20は、複数設けられている。複数の発光素子20は、図2に示すように、発光素子20の第1半導体層22および発光層24の積層方向(図示の例ではZ軸方向)から見た平面視において(以下、単に「平面視において」ともいう)、マトリックス状に設けられている。複数の発光素子20は、第1方向(例えばX軸方向)、および第1方向と直交する第2方向(例えばY軸方向)にピッチpで配置されている。発光素子20の数は、特に限定されないが、例えば、10000個(X軸方向に100個、Y軸方向に100個並んだ、100×100個)程度である。発光素子20は、例えば、LEDである。なお、図示の例では、複数の発光素子20は、第1方向、および第1方向と直交する第2方向にピッチpで配列された正方配列であるが、複数の発光素子20は、第1方向、および第1方向と60℃傾いた第2方向にピッチpで配列された六方配列であってもよい。
The
なお、本発明において、「上」とは、発光素子20の第1半導体層22および発光層24の積層方向において、発光素子20の発光層24からみて基板10から遠ざかる方向のことであり、「下」とは、積層方向において、発光層24からみて基板10に近づく方向のことである。図示の例では、「上」は、+Z軸方向側であり、「下」は、-Z軸方向側である。
In the present invention, "upper" means the direction away from the
発光素子20は、図1に示すように、例えば、第1半導体層22と、発光層24と、第2半導体層26と、第1電極30と、第2電極32と、を有している。
The
第1半導体層22は、基板10上に設けられている。第1半導体層22は、基板10と発光層24との間に設けられている。第1半導体層22の厚さは、例えば、5μm程度である。第1半導体層22は、例えば、Siがドープされたn型のGaN層である。図示の例では、隣り合う発光素子20において、第1半導体層22は、連続しており、複数の発光素子20において、第1半導体層22は、1つの共通した層である。
The
第1半導体層22の一部、発光層24、第2半導体層26は、例えば、柱状部28を構成している。複数の発光素子20において、柱状部28は、互いに分離して設けられている。図2に示す例では、柱状部28の形状は、平面視において、正方形である。
A portion of the
発光層24は、図1に示すように、第1半導体層22上に設けられている。発光層24は、第1半導体層22と第2半導体層26との間に設けられている。発光層24は、例えば、厚さ2.5nm程度のInGaN層と、厚さ12nm程度のGaN層と、を交互に5ペア積層させた多重量子井戸(MQW)構造を有している。発光層24は、電流が注入されることで光を発生させることが可能な層である。
The
第2半導体層26は、発光層24上に設けられている。第2半導体層26の厚さは、例えば、150nm程度である。第2半導体層26は、第1半導体層22と導電型の異なる層である。第2半導体層26は、例えば、Mgがドープされたp型のGaN層である。
The
発光装置100では、p型の第2半導体層26、不純物がドーピングされていない発光層24、およびn型の第1半導体層22により、pinダイオードが構成される。半導体層22,26は、発光層24よりもバンドギャップが大きい層である。発光装置100では、第1電極30と第2電極32との間に、pinダイオードの順バイアス電圧を印加すると(電流を注入すると)、発光層24において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。
In the light-emitting
発光層24で発生した光(-Z軸方向側に向かう光)は、基板10を透過して出射される。発光層24で発生した光(+Z軸方向側に向かう光)は、例えば、第2電極32において反射される。なお、図1では、発光層24で発生して基板10を透過する光(光線)を矢印で示している。
Light generated in the light-emitting layer 24 (light directed in the −Z-axis direction) is transmitted through the
第1電極30は、第1半導体層22上に設けられている。図示の例では、第1電極30は、第1半導体層22と接触されている。第1電極30は、第1半導体層22とオーミックコンタクトしていてもよい。第1電極30は、第1半導体層22と電気的に接続されている。
The
第1電極30は、発光層24に電流を注入するための一方の電極である。第1電極30としては、例えば、第1半導体層22側から、Ti層、Al層の順序で積層したものなどを用いる。図2に示す例では、隣り合う発光素子20において、第1電極30は、連続しており、複数の発光素子20において、第1電極30は、1つの共通した電極として格子状に設けられている。第1電極30は、柱状部28と離間し、柱状部28を囲むように設けられている。
The
第2電極32は、図1に示すように、第2半導体層26上に設けられている。第2電極32は、第2半導体層26と接触されている。第2電極32は、第2半導体層26とオーミックコンタクトしていてもよい。第2電極32は、平面視において、発光層24と重なっている。第2電極32は、第2半導体層26と電気的に接続されている。図示の例では、第2電極32は、絶縁層40上にも設けられている。
The
第2電極32は、発光層24に電流を注入するための他方の電極である。第2電極32の材質は、例えば、AgとPdとCuとの合金であるAPC合金など、発光層24で発生した光に対して高い反射率を有する導電体ある。図示の例では、隣り合う発光素子20において、第2電極32は、連続しており、複数の発光素子20において、第2電極32は、1つの共通した電極である。
The
第2電極32と第2半導体層26との接触領域34は、図2に示すように、正方形である。接触領域34は、第2電極32と第2半導体層26との接触面である。複数の接触領域34は、平面視において、マトリックス状に設けられている。複数の接触領域34は、
例えば、X軸方向およびY軸方向にピッチpで配置されている。
The
For example, they are arranged at a pitch p in the X-axis direction and the Y-axis direction.
絶縁層40は、図1に示すように、柱状部28の周囲であって、第1半導体層22上および第1電極30上に設けられている。絶縁層40は、第1電極30と第2電極32との間を、電気的に分離している。絶縁層40は、例えば、酸化シリコン層(例えばSiO2層)である。
The insulating
レンズ50は、基板10の下に設けられている。レンズ50は、例えば、基板10の下面に接着されている。図示の例では、レンズ50は、基板10側の入射面51aが平坦面であり、基板10とは反対側の出射面51bが曲面である凸レンズである。レンズ50は、複数設けられている。複数のレンズ50は、レンズアレイ52を構成している。レンズアレイ52は、例えば、マイクロレンズアレイ(MLA)である。
A
レンズ50は、発光素子20に対応して設けられている。すなわち、1つの発光素子20から出射された光は、1つのレンズ50に入射する。図示の例では、Z軸方向からみて、1のレンズ50の外縁の内側に、1つの発光素子20の柱状部28が配置されている。レンズ50の材質は、例えば、ガラスである。レンズ50は、発光素子20からランバーシアンに放射された光の放射角を狭めることができる。
レンズ50の中心の位置は、平面視において、例えば、接触領域34の中心の位置と同じである。複数のレンズ50は、平面視において、マトリックス状に設けられている。複数のレンズ50は、平面視において、例えば、X軸方向およびY軸方向にピッチpで配置されている。
The center position of the
発光素子20およびレンズ50は、複数の発光ユニット2を構成している。すなわち、発光装置100は、発光素子20と、発光素子20に対応して設けられたレンズ50と、を有する複数の発光ユニット2を有している。複数の発光ユニット2は、平面視において、例えば、X軸方向およびY軸方向にピッチpで配置されている。
The light-emitting
第2半導体層26と第2電極32との接触領域34のX軸方向の大きさd、および発光ユニット2のX軸方向のピッチpは、下記式(1),(2),(3)の関係を満たす。
The size d of the
d/p≦0.5 ・・・(1)
d≧2μm ・・・(2)
p≦12μm ・・・(3)
d/p≦0.5 (1)
d≧2 μm (2)
p≦12 μm (3)
式(1),(2),(3)より、大きさdは、2μm以上6μm以下であり、ピッチpは、4μm以上12μm以下である。 From formulas (1), (2), and (3), the size d is 2 μm or more and 6 μm or less, and the pitch p is 4 μm or more and 12 μm or less.
大きさdおよびピッチpは、下記式(4)を満たしてもよいし、または、下記式(5)を満たしてもよい。 The size d and the pitch p may satisfy the following formula (4) or the following formula (5).
0.4≦d/p≦0.5 ・・・(4)
d/p≦0.3 ・・・(5)
0.4≦d/p≦0.5 (4)
d/p≦0.3 (5)
発光装置100は、例えば、以下の特徴を有する。
The
発光装置100では、第2半導体層26と第2電極32との接触領域34のX軸方向の大きさd、および発光ユニット2のX軸方向のピッチpは、d/p≦0.5、d≧2μm、かつ、p≦12μmの関係を満たす。そのため、発光装置100では、上記範囲外の発
光装置に比べて、スクリーンなどの照明対象を、効率よく照明することができる(詳細は後述する「実験例」参照)。その結果、発光装置100では、省電力化を図ることができる。
In the light-emitting
発光装置100では、大きさdおよびピッチpは、0.4≦d/p≦0.5の関係を満たしてもよい。このような発光装置100では、上記範囲外の発光装置に比べて、高輝度化を図ることができる(詳細は後述する「実験例」参照)。
In the
発光装置100では、大きさdおよびピッチpは、d/p≦0.3の関係を満たしてもよい。このような発光装置100では、上記範囲外の発光装置に比べて、照明対象を、より効率よく照明することができる(詳細は後述する「実験例」参照)。
In the
なお、上記では、青色光を出射するGaN系の発光素子20について説明したが、GaP系やGaAs系などの半導体層を用いることにより、発光素子は、緑色光や赤色光を出射することができる。
Although the GaN-based light-emitting
また、上記では、第1半導体層22がn型の半導体層であり、第2半導体層26がp型の半導体層である場合について説明したが、第1半導体層22がp型の半導体層であり、第2半導体層26がn型の半導体層であってもよい。
In the above description, the
また、図示はしないが、第2電極32の+Z軸方向側には、ヒートシンクが設けられていてもよい。ヒートシンクは、第2電極32に接着されていてもよい。ヒートシンクの材質は、銅、アルミニウムなどである。ヒートシンクは、発光素子20において発生した熱を、効率よく放熱することができる。
Although not shown, a heat sink may be provided on the +Z-axis direction side of the
1.2. 発光装置の製造方法
次に、第1実施形態に係る発光装置100の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図3は、第1実施形態に係る発光装置100の製造工程を模式的に示す断面図である。
1.2. Method for Manufacturing Light Emitting Device Next, a method for manufacturing the
図3に示すように、基板10上に、第1半導体層22、発光層24、および第2半導体層26を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などが挙げられる。
As shown in FIG. 3, the
図1に示すように、第2半導体層26、発光層24、および第1半導体層22をパターニングして、柱状部28を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。
As shown in FIG. 1, the
次に、第1電極30を第1半導体層22上に形成する。第1電極30は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。
Next, a
次に、半導体層22,26上および第1電極30上に、絶縁層40を形成する。絶縁層40は、例えば、スピンコート法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などによって形成される。次に、絶縁層40をパターニングして第2半導体層26を露出させる。
Next, an insulating
次に、第2半導体層26上および絶縁層40上に、第2電極32を形成する。第2電極32は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。
Next, a
次に、例えば接着剤によって、基板10の下面に、レンズアレイ52を接着させる。
Next, the
以上の工程により、発光装置100を製造することができる。
The
なお、上記では、半導体層22,26および発光層24をエピタキシャル成長させた後に、半導体層22,26および発光層24をパターニングして、柱状部28を形成する例について説明したが、まず、マスク層(図示せず)を形成し、次に、該マスク層をマスクとして、半導体層22,26および発光層24をエピタキシャル成長させて柱状部28を形成してもよい。
In the above description, the semiconductor layers 22 and 26 and the light-emitting
2. 第2実施形態
2.1. 発光装置
次に、第2実施形態に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図4は、第2実施形態に係る発光装置200を模式的に示す断面図である。図5は、第2実施形態に係る発光装置200を模式的に示す平面図である。なお、図4は、図5のIV-IV線断面図である。また、図4および図5では、互い直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
2. Second Embodiment 2.1. Light Emitting Device Next, a light emitting device according to a second embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a
以下、第2実施形態に係る発光装置200において、上述した第1実施形態に係る発光装置100の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
Hereinafter, in the
発光装置200は、図4に示すように、基板60と発光素子20との間に、駆動回路基板64が設けられている点において、上述した発光装置100と異なる。発光装置200は、図4および図5に示すように、例えば、基板60と、ヒートシンク62と、駆動回路基板64と、絶縁層70と、第1貫通ビア80と、第2貫通ビア82と、パッド84と、配線86と、を有している。
The light-emitting
発光装置200では、基板60は、例えば、シリコン基板である。
In the
ヒートシンク62は、基板60の下に設けられている。ヒートシンク62は、例えば、基板60の下面に接着されている。ヒートシンク62の材質は、銅、アルミニウムなどである。ヒートシンク62は、発光素子20において発生した熱を、効率よく放熱することができる。
A
駆動回路基板64は、基板60上に設けられている。駆動回路基板64には、発光素子20を駆動させるための駆動回路が搭載されている。駆動回路は、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などによって実現される。駆動回路は、例えば、入力された画像情報に基づいて、発光素子20を駆動させることができる。そのため、1つの発光素子20は、1つの画素を形成することができる。発光装置200は、例えば、自発光イメージャーである。
A
絶縁層70は、駆動回路基板64上に設けられている。絶縁層70は、例えば、酸化シリコン層である。
The insulating
第1貫通ビア80および第2貫通ビア82は、絶縁層70を貫通して設けられている。貫通ビア80,82の材質は、例えば、Tiなどである。第1貫通ビア80は、駆動回路基板64に搭載された駆動回路と、発光素子20の第2電極32と、を接続している。第2貫通ビア82は、駆動回路とパッド84とを接続している。
The first through via 80 and the second through via 82 are provided through the insulating
パッド84は、第2貫通ビア82上に設けられている。パッド84の材質は、例えば、金属である。
A
配線86は、パッド84と、発光素子20の第1電極30とを、接続している。配線86の材質は、例えば、金属である。
The
発光素子20は、第1貫通ビア80上および絶縁層70上に設けられている。複数の発光素子20は、互いに離間している。図示の例では、第2電極32、第2半導体層26、発光層24、第1半導体層22、第1電極30は、この順で、第1貫通ビア80側から並んで設けられている。半導体層22,26、発光層24、および電極30,32は、平面視において、例えば、同じ形状(図5に示す例では正方形)を有している。
The
第1電極30は、配線86、パッド84、および第2貫通ビア82を介して、駆動回路と電気的に接続されている。第1電極30の材質は、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極である。発光層24で発生した光は、第1電極30を透過して、レンズ50に入射する。
The
第2電極32は、第1貫通ビア80を介して、駆動回路と電気的に接続されている。第2電極32では、第2半導体層26側から、Al層、Ti層の順序で積層したものなどを用いる。第2電極32のTiと、第1貫通ビア80のTiと、を十分に平滑かつ清浄して加圧および加熱することにより、第2電極32と第1貫通ビア80とを金属接合させることができる。
The
発光装置200では、平面視に置いて、第1電極30および第2電極32は、発光層24と重なっている。このような場合、接触領域34を形成する第2半導体層26は、n型の半導体層およびp型の半導体層のうち、電極との接触領域の面積が小さい方の半導体層であり、電極との接触領域の面積が同じ場合は、いずれか一方の半導体層である。図示の例では、第2半導体層26は、p型の半導体層であり、第2半導体層26と第2電極32との接触領域34の面積は、第1半導体層22と第1電極30との接触領域の面積と同じである。
In the light-emitting
発光装置200では、レンズアレイ52は、発光素子20の+Z軸方向側に設けられている。レンズアレイ52は、例えば、図示せぬ支持部材に接着されている。
In the light-emitting
2.2. 発光装置の製造方法
次に、第2実施形態に係る発光装置200の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
2.2. Method for Manufacturing Light Emitting Device Next, a method for manufacturing the
以下、第2実施形態に係る発光装置200の製造方法において、上述した第1実施形態に係る発光装置100の製造方法の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略または簡略する。
Hereinafter, in the method for manufacturing the
図3に示すように、基板10上に、第1半導体層22、発光層24、および第2半導体層26を、この順でエピタキシャル成長させる。
As shown in FIG. 3, the
次に、基板10を研磨およびプラズマエッチングすることにより、除去する。次に、図4に示すように、第1電極30および第2電極32を形成する。以上の工程により、発光素子20を形成することができる。なお、第2電極32は、基板10を除去する前に、形成されてもよい。
次に、基板60、ヒートシンク62、駆動回路基板64、絶縁層70、および貫通ビア80,82を準備し、第2電極32側を第1貫通ビア80に向けて、発光素子20を第2
貫通ビア82に接続させる。
Next, the
It is connected to the through via 82 .
次に、パッド84を、第2貫通ビア82上に形成する。パッド84は、例えば、スパッタ法、めっき法などにより形成される。なお、パッド84は、発光素子20を第1貫通ビア80に接続させる前に、形成されてもよい。
A
次に、第1電極30上およびパッド84上に、絶縁層40を形成する。次に、絶縁層40をパターニングして、第1電極30およびパッド84を露出させる。
Next, the insulating
次に、第1電極30上およびパッド84上に、配線86を形成する。配線86は、例えば、スパッタ法、めっき法などにより形成される。
Next, wirings 86 are formed on the
次に、レンズアレイ52を配置する。なお、ヒートシンク62は、レンズアレイ52を配置した後に、基板60の裏面に接着させてもよい。
Next, the
以上の工程により、発光装置200を製造することができる。
The
3. 第3実施形態
3.1. 発光装置
次に、第3実施形態に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図6は、第3実施形態に係る発光装置300を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図6では、発光素子20、レンズアレイ52、および基板60以外の部材の図示を省略している。また、図6では、発光素子20を簡略化して図示している。また、図6および後述する図7,8では、互い直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
3. Third Embodiment 3.1. Light Emitting Device Next, a light emitting device according to a third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a
以下、第3実施形態に係る発光装置300において、上述した第2実施形態に係る発光装置200の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
Hereinafter, in the light-emitting
発光装置300では、図6に示すように、レンズ50の形状が上述した発光装置100と異なる。
In the
発光装置300では、発光素子20は、基板60上に設けられている。複数の発光素子20のうち第1発光素子20aは、複数の発光素子20のうち第2発光素子20bと隣り合っている。複数のレンズ50のうち第1レンズ50aは、第1発光素子20aに対応して設けられたレンズである。複数のレンズ50のうち第2レンズ50bは、第2発光素子20bに対応して設けられたレンズである。第1レンズ50aは、第2レンズ50bと隣り合っている。第1発光素子20aから出射された光は、第1レンズ50aおよび第2レンズ50bにおいて、全反射しない。
In the light-emitting
例えば、図7に示す例では、光線L1は、照明対象の方向(目標方向)に放射角を狭めて進む光線であり、投射レンズによりスクリーンに投射される。光線L2は、目標方向とは異なる方向に拡がる光線であり、投射レンズに呑み込まれないため、投射表示に影響を与えない。光線L3は、レンズアレイ52内で全反射を繰り返す光線である。光線L3の一部は、発光素子20等によって形成される凹凸構造によって散乱され、表示とは無関係な位置をぼんやりと明るくするクロストークになる。
For example, in the example shown in FIG. 7, the light ray L1 is a light ray that travels in the direction of the object to be illuminated (target direction) with a narrow radiation angle, and is projected onto the screen by the projection lens. The light ray L2 is a light ray that spreads in a direction different from the target direction and is not swallowed by the projection lens, so it does not affect the projection display. A light ray L3 is a light ray that repeats total reflection within the
図6に示す発光装置300では、上記のようなクロストークを低減することができる。なお、図7は、参考例に係る発光装置を模式的に示す断面図である。
The
ここで、図8は、図6の拡大図である。レンズアレイ52と基板60との間の屈折率を
n1、レンズアレイ52の屈折率をn2、レンズアレイ52の外側(+Z軸方向側)の屈折率をn3とすると、n1<n2>n3である。n1とn2との大小関係が逆転すると(n1>n2となると)、発光素子20から出射された光の一部がn1とn2との界面(入射面51a)で全反射してクロストークになるため、n1<n2である。レンズアレイ52と基板60との間、およびレンズアレイ52の外側は、空気であってもよい。
Here, FIG. 8 is an enlarged view of FIG. If n 1 is the refractive index between the
第2レンズ50bは、出射面51bの頂点である点Cを境に領域Aと領域Bとに分けられる。点Cにおいて、第2レンズ50bの出射面51bと入射面51aとは平行であるため、点Cを通る光は、第2レンズ50bによって進行方向を曲げられない。一方、領域Aを通る光は、狭まる方向に曲げられ、領域Bを通る光は、拡がる方向に曲げられる。ここで、問題になるのは、全反射する可能性がある領域Bを通る光である。特に、点D(第1レンズ50aと第2レンズ50bとの境)は、一般的な曲率半径Rにおいて、光の入射角θ3が最も大きくなる点である。点Dにおいて全反射しなければ、領域B全域で全反射しない。
The
点Dで全反射しない条件は、以下のとおりである。点Dにおける第2レンズ50bの傾斜角をαとし、第1発光素子20aの最も+X軸方向側から点Dに至る光の入射角をθ1、θ2とすると、スネルの法則より、下記式(6)であるから、下記式(7)を導き出せる。
The conditions under which total reflection does not occur at point D are as follows. Let α be the tilt angle of the
点Dで全反射しない条件は、スネルの法則より、下記式(8)となり、θ3=θ2+αであるから、下記式(9)が導き出せる。そして、式(6)および式(9)より下記式(10)を導き出せる。 The condition for total reflection at the point D is given by the following formula (8) according to Snell's law, and since θ 3 =θ 2 +α, the following formula (9) can be derived. Then, the following formula (10) can be derived from formulas (6) and (9).
式(10)を満たすように、αを設定すれば、領域B全域で全反射しない。なお、θ1は、発光素子20とレンズアレイ52との間の距離d1、レンズアレイ52の厚さd2、発光素子20およびレンズ50のピッチ(発光ユニット2のピッチ)p、および発光素子
20の平面視における大きさによって決まる。
If α is set so as to satisfy Equation (10), total reflection does not occur in the entire region B. θ 1 is the distance d 1 between the light emitting
式(10)において、d1およびd2を変化させながらαの最大値αMAXを求め、下記式(11)から曲率半径Rの最小値RMINを求めた。 In Equation ( 10 ), the maximum value α MAX of α was determined while changing d1 and d2, and the minimum value R MIN of the radius of curvature R was determined from Equation (11) below.
図9および図10は、距離d1,d2と、曲率半径Rの最小値RMINと、の関係を示すグラフである。図9および図10では、n1=1(空気)およびn3=1(空気)とした。また、図9では、n2=1.68(高屈折率ガラス)とし、図10では、n2=1.46(石英ガラス)とした。また、図9および図10では、p=10μm、LEDの大きさ(平面視における大きさ)を4μm角とした。 9 and 10 are graphs showing the relationship between the distances d 1 and d 2 and the minimum value R MIN of the radius of curvature R. FIG. 9 and 10, n 1 =1 (air) and n 3 =1 (air). Also, in FIG. 9, n 2 =1.68 (high refractive index glass), and in FIG. 10, n 2 =1.46 (quartz glass). 9 and 10, p=10 μm and the size of the LED (size in plan view) is 4 μm square.
図9,10において、領域Hでは、RMINは5μm以上10μm未満である。領域Iでは、RMINは10μm以上15μm未満である。領域Jでは、RMINは15μm以上20μm未満である。領域Kでは、RMINは20μm以上25μm未満である。領域Lでは、RMINは25μm以上30μm未満である。領域Mでは、RMINは30μm以上35μm未満である。領域Nでは、RMINは35μm以上40μm未満である。領域Oでは、RMINは40μm以上45μm未満である。領域Pでは、RMINは45μm以上50μm未満である。 9 and 10, in region H, RMIN is 5 μm or more and less than 10 μm. In Region I, R MIN is greater than or equal to 10 μm and less than 15 μm. In region J, R MIN is 15 μm or more and less than 20 μm. In region K, R MIN is greater than or equal to 20 μm and less than 25 μm. In region L, R MIN is greater than or equal to 25 μm and less than 30 μm. In region M, R MIN is greater than or equal to 30 μm and less than 35 μm. In region N, R MIN is greater than or equal to 35 μm and less than 40 μm. In region O, R MIN is greater than or equal to 40 μm and less than 45 μm. In region P, R MIN is greater than or equal to 45 μm and less than 50 μm.
図9および図10に示すように、距離d1,d2が大きいほど、RMINが小さくなった。 As shown in FIGS. 9 and 10, the larger the distances d 1 and d 2 were, the smaller the R MIN was.
上記各RMINにおいては、隣接レンズへのクロストークが生じない。また、曲率半径Rが小さいほど集光効率が高く投射効率が高くなるので、図9および図10は、それぞれの距離d1,d2における最大投射効率が得られる条件でもある。そこで、上記の条件で、F(F-number)=1.5の投射レンズを用いて投射効率を測定した。図11および図12は、距離d1,d2と、投射効率と、の関係を示すグラフである。 At each R MIN above, there is no crosstalk to adjacent lenses. Also, the smaller the radius of curvature R, the higher the light collection efficiency and the higher the projection efficiency. Therefore, under the above conditions, projection efficiency was measured using a projection lens of F (F-number)=1.5. 11 and 12 are graphs showing the relationship between distances d 1 and d 2 and projection efficiency.
図11,12において、領域Qでは、投射効率は11.6%以上14.5%未満である。領域Sでは、投射効率は14.5%以上17.4%未満である。領域Tでは、投射効率は17.4%以上20.3%未満である。領域Uでは、投射効率は20.3%以上23.2%未満である。 11 and 12, in region Q, the projection efficiency is 11.6% or more and less than 14.5%. In region S, the projection efficiency is 14.5% or more and less than 17.4%. In region T, the projection efficiency is 17.4% or more and less than 20.3%. In region U, the projection efficiency is 20.3% or more and less than 23.2%.
図11および図12において、投射効率の等高線は、概ね左上から右下に走っているため、d1+d2の値で一元的に議論できるとする。図13は、図11の場合(n2=1.68)および図12の場合(n2=1.46)において、d1+d2と投射効率との関係を示すグラフである。投射効率は、発光素子20から射出された光の光量に対する、照明対象(例えばスクリーン)に到達した光の光量である。
In FIGS. 11 and 12, since the contour lines of the projection efficiency generally run from the upper left to the lower right, it is assumed that the value of d 1 +d 2 can be discussed in a unified manner. FIG. 13 is a graph showing the relationship between d 1 +d 2 and projection efficiency in the case of FIG. 11 (n 2 =1.68) and the case of FIG. 12 (n 2 =1.46). The projection efficiency is the amount of light reaching an illumination target (for example, a screen) with respect to the amount of light emitted from the
図13より、n2の値に関わりなく、d1+d2が10μm以上16μm以下のときに投射効率が高い。これは、p=10μmのときの最適値であり、幾何学的な比例関係が成り立つことから、d1+d2の最適値は、pの1.0倍以上1.6倍以下であるといえる。 From FIG . 13, regardless of the value of n2, the projection efficiency is high when d1 + d2 is 10 μm or more and 16 μm or less. This is the optimum value when p=10 μm, and since a geometric proportional relationship holds, it can be said that the optimum value of d 1 +d 2 is 1.0 times or more and 1.6 times or less of p. .
d1+d2を大きくすると、曲率半径の最小値RMINが小さくなって、光の放射角が狭まり、多くの光を投射レンズに呑み込むことができる。しかしながら、d1+d2が大きすぎると、発光素子20からレンズアレイ52までの距離が大きくなって、投射レンズが取り込める光量が減ってくる。そのため、d1+d2は、上記のような最適値を有する。
When d 1 +d 2 is increased, the minimum value R MIN of the radius of curvature is decreased, the radiation angle of light is narrowed, and more light can be swallowed into the projection lens. However, if d 1 +d 2 is too large, the distance from the
なお、図8に示すように、レンズアレイ52と点Dとの間の距離をd3とし、平面視における発光素子20の大きさをwとすると、下記式(12)を導き出せる。さらに、式(6)より下記式(13)が導き出せる。そして、式(12)および式(13)より、下記式(14)を導き出せる。
As shown in FIG. 8, when the distance between the
発光装置300では、複数の発光素子20のうち第1発光素子20aは、複数の発光素子20のうち第2発光素子20bと隣り合い、第1発光素子20aから出射された光は、複数のレンズ50のうち、第2発光素子20bに対応して設けられた第2レンズ50bにおいて、全反射しない。そのため、発光装置300では、発光素子20から出射された光のクロストークを低減することができる。
In the
なお、上述した発光装置100,200において、第1発光素子20aから出射された光は、第2レンズ50bにおいて、全反射しなくてもよい。
In addition, in the light-emitting
3.2. 発光装置の製造方法
次に、第3実施形態に係る発光装置300の製造方法について、説明する。第3実施形態に係る発光装置300の製造方法は、上述した第2実施形態に係る発光装置200の製造方法と、基本的に同様である。したがって、その詳細な説明を省略する。
3.2. Method for Manufacturing Light Emitting Device Next, a method for manufacturing the
3.3. 発光装置の変形例
次に、第3実施形態の変形例に係る発光装置について、図面を参照しながら説明する。図14は、第3実施形態に係る発光装置310を模式的に示す断面図である。なお、図14および後述する図15~図18では、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
3.3. Modification of Light Emitting Device Next, a light emitting device according to a modification of the third embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a
以下、第3実施形態の変形例に係る発光装置310において、上述した第3実施形態に係る発光装置300の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
Hereinafter, in the light-emitting
上述した発光装置300では、図6に示すように、レンズ50の入射面51aは平坦な面であり、出射面51bは曲面であった。これに対し、発光装置310では、図14に示
すように、レンズ50の入射面51aおよび出射面51bともに、曲面である。発光装置310では、レンズ50は、両凸レンズである。
In the
発光装置310では、例えば図6で示した光線L3(全反射光線)を除去することができる。複数のレンズ50のうち第3レンズ50cは、第2レンズ50bの-X軸方向側において、第2レンズ50bと隣り合うレンズである。複数の発光素子20のうち第3発光素子20cは、第2発光素子20bの-X軸方向側において、第2発光素子20bと隣り合うレンズである。第3レンズ50cは、第3発光素子20cに対応して設けられている。
In the
ここで、図15は、参考例に係る発光装置を模式的に示す断面図である。第3レンズ50cで全反射する光線は、図15に示すように、領域Eに当たる光である。
Here, FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the light emitting device according to the reference example. The light beam totally reflected by the
第1発光素子20aから出射され、第2レンズ50bの入射面51aすれずれに進む光線は、第2レンズ50bで屈折して光線L4として進むか、第3レンズ50cで屈折して光線L5として進むか、そのいずれかである。このような光線において、領域Fを通って領域E領域に進む光は、幾何学的に存在しない。したがって、両凸レンズでは、第3レンズ50cで全反射する光線が極めて少なくなる。
A light ray emitted from the first
上記のような両凸レンズでクロストークになる光は、光線L6、光線L7、光線L8である。光線L6は、第1レンズ50aで全反射する光線である。光線L7は、第2レンズ50bで全反射する光線である。光線L8は、第2レンズ50bからいったん出射された後、第3レンズ50cに再入射する光線である。
Light beams causing crosstalk in the biconvex lens as described above are light beams L6, L7, and L8. A light ray L6 is a light ray that is totally reflected by the
光線L6,L7は、第1レンズ50aの領域Gに入射する光線であるから、領域Gに幾何学的に入射しないような構造にすれば、クロストークを低減することができる。
Since the light beams L6 and L7 are light beams incident on the region G of the
発光装置310では、図16に示すように、発光素子20の-X軸方向側の端から第1レンズ50aの入射面51aに接線を引いたときに、接点の外に領域Gが確保できるように、入射面51aの曲率半径R1、距離d1、およびピッチpが規定されている。
In the
一方、図15の光線L8は、第2レンズ50bで曲がり過ぎるために、第3レンズ50cに再入射している。そのため、出射面51bの曲率半径R2を、曲率半径R1よりも小さくする方法が有効である。直観的には、曲率半径R2を大きくしないといけないように思われるが、光は、元々レンズ50に対して深い角度で入射しているので、曲率半径R2を小さくすることが正しい。
On the other hand, the light ray L8 in FIG. 15 is re-entering the
図17および図18は、発光装置310を模式的に示す断面図である。なお、図17は、R1=R2=80μmの場合を示している。図18は、R1=80μm、R2=70μmの場合を示している。
17 and 18 are cross-sectional views schematically showing the
図17では、光線L8は、第3レンズ50cに再入射している。一方、図18では、光線L8は、第2レンズ50bで曲がり過ぎないため、第3レンズ50cに再入射しない。
In FIG. 17, the light ray L8 is re-entering the
4. 第4実施形態
4.1. プロジェクター
次に、第4実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図19は、第4実施形態に係るプロジェクター400を模式的に示す図である。
4. Fourth Embodiment 4.1. Projector Next, a projector according to a fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 19 is a diagram schematically showing a
本発明に係るプロジェクターは、本発明に係る発光装置を有している。以下では、本発
明に係る発光装置として発光装置100を有するプロジェクター400について説明する。
A projector according to the present invention has a light emitting device according to the present invention. A
プロジェクター400は、筐体(図示せず)と、筐体内に備えられている赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射する赤色光源100R、緑色光源100G、青色光源100Bと、を有している。赤色光源100R、緑色光源100G、および青色光源100Bの各々は、発光装置100である。なお、便宜上、図19では、プロジェクター400を構成する筐体の図示を省略している。また、図19では、光源100R,100G,100Bを簡略化して図示している。
The
プロジェクター400は、さらに、筐体内に備えられている透過型の液晶ライトバルブ(光変調装置)402R,402G,402B、および投射レンズ(投射装置)406を有している。プロジェクター400は、LCD(Liquid Crystal Display)プロジェクターである。
The
光源100R,100G,100Bから出射された光は、各液晶ライトバルブ402R,402G,402Bに入射する。各液晶ライトバルブ402R,402G,402Bは、入射した光をそれぞれ画像情報に応じて変調させる。そして、投射レンズ406は、液晶ライトバルブ402R,402G,402Bによって形成された像(画像)を拡大してスクリーン(表示面)408に投射する。すなわち、投射レンズ406は、光源100R,100G,100Bから出射された光を、スクリーンに投射する。
Light emitted from the
また、プロジェクター400は、液晶ライトバルブ402R,402G,402Bから出射された光を合成して投射レンズ406に導くクロスダイクロイックプリズム(色光合成手段)404を、有することができる。
The
各液晶ライトバルブ402R,402G,402Bによって変調された3つの色光は、クロスダイクロイックプリズム404に入射する。クロスダイクロイックプリズム404は、4つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって3つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は、投射光学系である投射レンズ406によりスクリーン408上に投射され、拡大された画像が表示される。
The three colored lights modulated by the liquid crystal
4.2. プロジェクターの変形例
4.2.1. 第1変形例
次に、第4実施形態の第1変形例に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図20は、第4実施形態の第1変形例に係るプロジェクター410を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図20では、光源100R,100G,100Bを簡略化して図示している。また、図20では、スクリーン408の図示を省略している。
4.2. Modified example of projector 4.2.1. First Modification Next, a projector according to a first modification of the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing a
以下、第4実施形態の第1変形例に係るプロジェクター410において、上述した第4実施形態に係るプロジェクター400の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。このことは、後述する第4実施形態の第2変形例に係るプロジェクターにおいて、同様である。
Hereinafter, in the
上述したプロジェクター400では、図19に示すように、光変調装置として、透過型の液晶ライトバルブを用いた。これに対し、プロジェクター410は、図20に示すように、光変調装置として、DMD(Digital Micromirror Device、登録商標)418を用いている。プロジェクター410は、DLP(Digital Light Processing、登録商標)プロ
ジェクターである。
In the
プロジェクター410は、光源100R,100G,100Bと、ダイクロイックフィルター411,412と、レンズ413,414,415,416と、内部全反射プリズム(TIRプリズム)417と、DMD418と、投射レンズ406と、を有している。
The
赤色光源100Rから出射された光は、ダイクロイックフィルター411で反射されて、レンズ413に入射する。緑色光源100Gから出射された光は、ダイクロイックフィルター412で反射された後、ダイクロイックフィルター411を透過して、レンズ413に入射する。青色光源100Bから出射された光は、ダイクロイックフィルター411,412を透過して、レンズ413に入射する。光源100R,100G,100Bから出射された光は、ダイクロイックフィルター411において合成される。
Light emitted from the
レンズ413から出射された光は、レンズ414,415,416を介して、TIRプリズム417に入射する。レンズ414は、ロッドレンズ(インテグレーター)であり、レンズ414の内部で光が全反射を繰り返すことによって、レンズ414の出口で、照度分布をほぼ均一にすることができる。レンズ413,415,416は、例えば、集光レンズである。
The light emitted from
TIRプリズム417に入射した光は、反射部417aで反射されて、DMD418に入射する。
The light incident on the
DMD418は、入射した光を、画像情報に応じて変調し、反射させる。DMD418において反射した光は、TIRプリズム417を透過して、投射レンズ406に入射する。
The
4.2.2. 第2変形例
次に、第4実施形態の第2変形例に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図21は、第4実施形態の第2変形例に係るプロジェクター420を模式的に示す断面図である。なお、便宜上、図21では、スクリーン408の図示を省略している。
4.2.2. Second Modification Next, a projector according to a second modification of the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing a
上述したプロジェクター400では、図19に示すように、発光装置100である光源100R,100G,100Bを有していた。これに対し、プロジェクター420では、図21に示すように、発光装置200である光源200R,200G,200Bを有している。発光装置200は、画素を形成することができる自発光イメージャーであるため、プロジェクター420は、別途、光変調装置を有していない。そのため、小型化を図ることができる。なお、便宜上、図21では、光源200R,200G,200Bを簡略化して図示している。
As shown in FIG. 19, the
赤色光源200R、緑色光源200G、青色光源200Bは、それぞれ、赤色光、緑色光、青色光を出射する。さらに、プロジェクター420は、フィリップスプリズム422を有している。
The
光源200R,200G,200Bから出射された光は、フィリップスプリズム422において合成され、投射レンズ406に入射する。例えば、光源200R,200G,200Bから射出される光は、無偏光の光であるため、偏光依存が少ないフィリップスプリズム422が適している。
Lights emitted from the
なお、本発明に係る発光装置は、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)やHUD(ヘ
ッドアップディスプレイ)といったプロジェクターを応用した機器にも、適用することができる。また、本発明に係る発光装置は、プロジェクターの他、自動車用のヘッドライトやスポットライトなど、指向性がある明るい光を必要とする機器に広く応用することができる。
In addition, the light emitting device according to the present invention can also be applied to apparatuses such as HMDs (head mounted displays) and HUDs (head up displays) to which projectors are applied. In addition to projectors, the light-emitting device according to the present invention can be widely applied to devices that require bright light with directivity, such as automobile headlights and spotlights.
5. 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
5. Experimental Examples Experimental examples are shown below to describe the present invention more specifically. In addition, the present invention is not limited at all by the following experimental examples.
発光装置100に対応する発光装置と、F=1.5の投射レンズと、を有するモデルにおいて、モンテカルロ法による光線追跡により、シミュレーションを行った。なお、以下に示す図24については、シミュレーションではなく、実際に発光装置を作製して測定を行った実験結果である。
A model having a light emitting device corresponding to the
シミュレーションに用いたモデルの発光装置は、マトリックス状に配列された100000個(100個×100個)の発光ユニット(発光素子(LED)とレンズとからなる発光ユニット)を有している。また、当該モデルでは、第2半導体層と第2電極との接触領域(以下、単に「接触領域」ともいう)は、正方形である。 The model light-emitting device used in the simulation has 100000 (100×100) light-emitting units (light-emitting units consisting of light-emitting elements (LEDs) and lenses) arranged in a matrix. In the model, the contact area between the second semiconductor layer and the second electrode (hereinafter also simply referred to as "contact area") is square.
図22は、接触領域の大きさと、投射効率と、の関係を示すグラフである。LEDおよびレンズのピッチ(発光ユニットのピッチ)を、10μmとした。投射効率は、LEDから射出された光の強度に対する、スクリーンに到達した光の強度である。 FIG. 22 is a graph showing the relationship between the size of the contact area and projection efficiency. The pitch of the LEDs and the lenses (the pitch of the light emitting units) was set to 10 μm. Projection efficiency is the intensity of light reaching the screen relative to the intensity of light emitted from the LEDs.
図22に示すように、接触領域の大きさを4μm角よりも小さくすると、投射効率は、40%以上であった。 As shown in FIG. 22, the projection efficiency was 40% or more when the size of the contact area was smaller than 4 μm square.
次に、図23は、接触領域の大きさと、投射光束(スクリーンに投射された光束)と、の関係を示すグラフである。図23では、マイクロレンズアレイ(MLA)なしの場合であって、接触領域の大きさが10μm角の場合(すなわち、LEDの発光層が隙間なく連続して並んでいる場合)の投射光束を100として、規格化している。 Next, FIG. 23 is a graph showing the relationship between the size of the contact area and the projected luminous flux (luminous flux projected onto the screen). In FIG. 23, when the contact area is 10 μm square without a microlens array (MLA) (that is, when the light-emitting layers of the LED are continuously arranged without gaps), the projected luminous flux is 100 is standardized as
図23に示すように、MLAなしの場合では、投射光束は、接触領域の面積に比例して小さくなった。一方、MLAありの場合では、接触領域の大きさが4μm角になっても、90%を越える投射光束を維持することができた。接触領域の大きさが4μm角の場合、MLAなしと同程度の明るさを得るには、LEDの発光層に注入される電流は、1/6に減らすことができる。 As shown in FIG. 23, without MLA, the projected luminous flux decreased in proportion to the area of the contact area. On the other hand, in the case with MLA, even if the size of the contact area was 4 μm square, the projected luminous flux exceeding 90% could be maintained. For a contact area size of 4 μm square, the current injected into the emitting layer of the LED can be reduced by a factor of 6 to obtain the same brightness as without MLA.
次に、発光素子20としてLEDを用いた発光装置100に対応する実験として、LEDの接触領域の大きさを様々に変化させて、その特性の測定を行った。ただし、接触領域の形状は、正方形である。また、マトリックス状に並べたLEDでなく、孤立したLEDを用いた。図24は、LEDの発光層に注入される電流密度と、LEDの光パワー密度と、の関係を示すグラフである。接触領域の大きさを、100μm角から1μm角まで変化させた。
Next, as an experiment corresponding to the light-emitting
図24に示すように、電流密度が大きくなるにつれて光パワー密度が大きくなる傾向にあるが、ある電流密度で飽和する。これは、LEDに大電力を投入すると、発光効率が低下するドループ(droop)現象のためである。 As shown in FIG. 24, the optical power density tends to increase as the current density increases, but saturates at a certain current density. This is due to the droop phenomenon in which the luminous efficiency of the LED decreases when a large amount of power is supplied to the LED.
図24に示すように、接触領域の大きさが小さいほど、大きな光パワー密度に耐えられる。これは、接触領域の大きさが小さいほど、発光層の側面からの放熱によりジャンクシ
ョン温度が低下し、量子効率が維持できるからであると理解できる。しかし、接触領域の大きさが2μm角でドループ現象抑制効果は、飽和した。また、2μm角より小さい接触領域を有するLEDは、発光層をパターニングする際に、パターニングによって劣化する発光層の割合が高くなり、発光強度が低下する場合がある。したがって、接触領域の大きさは、2μm角以上であることが好ましい。
As shown in FIG. 24, a smaller contact area size can withstand higher optical power densities. It can be understood that this is because the smaller the size of the contact region, the lower the junction temperature due to heat dissipation from the side surface of the light emitting layer, and the quantum efficiency can be maintained. However, the effect of suppressing the droop phenomenon was saturated when the size of the contact area was 2 μm square. In addition, in the LED having a contact area smaller than 2 μm square, when patterning the light-emitting layer, the ratio of the light-emitting layer deteriorates due to the patterning, and the light emission intensity may decrease. Therefore, the size of the contact area is preferably 2 μm square or more.
次に、図25は、接触領域の大きさと、電流密度および総電流量と、の関係を示すグラフである。図25において、「電流密度」は、ドループ現象が発生する限界の電流密度(図24において光パワー密度が最大になるときの電流密度)を示している。また、図25において、「総電流量」は、電流密度に接触領域の大きさを掛けたものである。 Next, FIG. 25 is a graph showing the relationship between the contact area size, current density, and total current amount. In FIG. 25, "current density" indicates the limit current density at which the droop phenomenon occurs (the current density when the optical power density is maximized in FIG. 24). Also, in FIG. 25, the "total amount of current" is obtained by multiplying the current density by the size of the contact area.
図25に示すように、接触領域が10μm角の場合は、電流密度が2500A/cm2と低かった。これは、接触領域が10μm角の場合は、隣り合う接触領域同士が繋がって1mm角の接触領域となるためである。接触領域が1μm角の場合は、電流密度を28000A/cm2まで上げることができた。総電流量は、接触領域が3μm角以下になると、10μm角の場合の25Aより小さくなり、1μm角では3Aまで減少した。 As shown in FIG. 25, when the contact area was 10 μm square, the current density was as low as 2500 A/cm 2 . This is because when the contact area is 10 μm square, adjacent contact areas are connected to form a 1 mm square contact area. When the contact area was 1 μm square, the current density could be increased to 28000 A/cm 2 . When the contact area was 3 μm square or less, the total current amount became smaller than 25 A in the case of 10 μm square, and decreased to 3 A in the case of 1 μm square.
次に、図26は、図25のように接触領域の大きさに合わせて、電流密度を限界まで高くした場合の、接触領域の大きさと、投射光束と、の関係を示すグラフである。 Next, FIG. 26 is a graph showing the relationship between the size of the contact area and the projected luminous flux when the current density is increased to the limit according to the size of the contact area as shown in FIG.
図26に示すように、MLAありの場合、接触領域の大きさが1μm角以上9μm角以下にすると、10μm角の場合よりも投射光束が大きくなった(明るくなった)。特に、接触領域の大きさが4μm角以上5μm角以下の場合は、10μm角の場合の10倍近い投射光束が得られた。MLAありの場合は、MLAなしの場合よりも、投射光束が大きくなった。 As shown in FIG. 26, with MLA, when the size of the contact area is 1 μm square or more and 9 μm square or less, the projected luminous flux becomes larger (brighter) than in the case of 10 μm square. In particular, when the size of the contact area was 4 μm square or more and 5 μm square or less, a projected light beam nearly ten times as large as that of 10 μm square was obtained. With MLA, the projected luminous flux was larger than without MLA.
次に、図27は、接触領域の大きさと、効率と、の関係を示すグラフである。図27において、「効率」は、図26の投射光束を、図25の総電流量で割ったものである。図27に示すように、接触領域が小さいほど効率が高くなった。 Next, FIG. 27 is a graph showing the relationship between the size of the contact area and efficiency. In FIG. 27, "efficiency" is the projected luminous flux in FIG. 26 divided by the total current in FIG. As shown in Figure 27, the smaller the contact area, the higher the efficiency.
次に、図28は、LEDおよびレンズのピッチpに対する接触領域の大きさ(一辺の長さ)dの比(d/p)と、投射光束と、の関係を示すグラフである。 Next, FIG. 28 is a graph showing the relationship between the ratio (d/p) of the size (length of one side) d of the contact area to the pitch p of the LEDs and lenses and the projected luminous flux.
図28に示すように、比(d/p)が0.4以上0.5以下の場合、投射光束が高くなった。また、ピッチpは小さいほど投射光束が高くなるが、12μmで飽和した。したがって、ピッチpは、12μm以下が好ましいといえる。 As shown in FIG. 28, when the ratio (d/p) was 0.4 or more and 0.5 or less, the projected luminous flux increased. Also, the smaller the pitch p, the higher the projected luminous flux, but the pitch was saturated at 12 μm. Therefore, it can be said that the pitch p is preferably 12 μm or less.
次に、図29は、比(d/p)と効率との関係を示すグラフである。図29に示すように、ピッチpが5μm以上12μm以下の場合では、比(d/p)が0.5で変曲点を有した。効率をよくするには、比(d/p)を0.1以上0.5以下とすることが好ましいことがわかった。特に、比(d/p)を0.1以上0.3以下とすることにより、より効率をよくできる。 Next, FIG. 29 is a graph showing the relationship between the ratio (d/p) and efficiency. As shown in FIG. 29, when the pitch p was 5 μm or more and 12 μm or less, the ratio (d/p) had an inflection point of 0.5. It has been found that the ratio (d/p) is preferably 0.1 or more and 0.5 or less in order to improve the efficiency. In particular, the efficiency can be improved by setting the ratio (d/p) to 0.1 or more and 0.3 or less.
以上、図24より、接触領域の大きさを2μm角以上とし、図28より、ピッチpを12μm以下とし、図29より、比(d/p)を0.5以下とすることにより、照明対象を効率よく照明できることがわかった。 As described above, from FIG. 24, the size of the contact area is set to 2 μm square or more, from FIG. 28, the pitch p is set to 12 μm or less, and from FIG. can be efficiently illuminated.
本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。 The present invention may omit a part of the configuration or combine each embodiment and modifications as long as the features and effects described in the present application are provided.
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same function, method, and result, or configurations that have the same purpose and effect). Moreover, the present invention includes configurations obtained by replacing non-essential portions of the configurations described in the embodiments. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effects or achieves the same purpose as the configurations described in the embodiments. In addition, the present invention includes configurations obtained by adding known techniques to the configurations described in the embodiments.
2…発光ユニット、10…基板、20…発光素子、20a…第1発光素子、20b…第2発光素子、20c…第3発光素子、22…第1半導体層、24…発光層、26…第2半導体層、28…柱状部、30…第1電極、32…第2電極、34…接触領域、40…絶縁層、50…レンズ、50a…第1レンズ、50b…第2レンズ、50c…第3レンズ、51a…入射面、51b…出射面、52…レンズアレイ、60…基板、62…ヒートシンク、64…駆動回路基板、70…絶縁層、80…第1貫通ビア、82…第2貫通ビア、84…パッド、86…配線、100…発光装置、100R…赤色光源、100G…緑色光源、100B…青色光源、200…発光装置、200R…赤色光源、200G…緑色光源、200B…青色光源、300,310…発光装置、400…プロジェクター、402R,402G,402B…液晶ライトバルブ、404…クロスダイクロイックプリズム、406…投射レンズ、408…スクリーン、410…プロジェクター、411,412…ダイクロイックフィルター、413,414,415,416…レンズ、417…TIRプリズム、417a…反射部、418…DMD、420…プロジェクター、422…フィリップスプリズム
2 Light-emitting
Claims (7)
前記第1発光素子に対応して設けられた第1レンズと、
第2発光素子と、
前記第2発光素子に対応して設けられた第2レンズと、
を有し、
前記第1発光素子および前記第2発光素子の各々は、
第1半導体層と、
前記第1半導体層と導電型の異なる第2半導体層と、
前記第1半導体層と前記第2半導体層との間に設けられ、電流が注入されることで光を発生させることが可能な発光層と、
前記第1半導体層と電気的に接続された第1電極と、
前記第2半導体層と接触された第2電極と、
を有し、
前記第1半導体層および前記発光層の積層方向から見た平面視において、前記第2電極は、前記発光層と重なり、
前記第1発光素子と電気的に接続された配線が前記第1発光素子の側壁に沿って設けられ、
前記積層方向から見た平面視において、前記配線は、前記第1発光素子と前記第2発光素子との間において前記第1レンズの端部および前記第2レンズの端部と重なり、
前記積層方向から見た平面視において、前記第1発光素子および前記第2発光素子は、第1方向にピッチpで設けられ、
前記第2半導体層と前記第2電極との接触領域の前記第1方向の大きさdおよび前記ピッチpは、
d/p≦0.5、かつ、p≦12μm
の関係を満たし、
前記第1電極の一部は、前記積層方向から見た平面視において、前記第1半導体層、前記発光層、および前記第2半導体層を囲むように配置されている、発光装置。 a first light emitting element;
a first lens provided corresponding to the first light emitting element;
a second light emitting element;
a second lens provided corresponding to the second light emitting element;
has
each of the first light emitting element and the second light emitting element,
a first semiconductor layer;
a second semiconductor layer having a conductivity type different from that of the first semiconductor layer;
a light-emitting layer provided between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer and capable of generating light by current injection;
a first electrode electrically connected to the first semiconductor layer;
a second electrode in contact with the second semiconductor layer;
has
The second electrode overlaps the light-emitting layer in a plan view viewed from the stacking direction of the first semiconductor layer and the light-emitting layer,
wiring electrically connected to the first light emitting element is provided along a sidewall of the first light emitting element;
In a plan view viewed from the stacking direction, the wiring overlaps the end of the first lens and the end of the second lens between the first light emitting element and the second light emitting element,
In a plan view viewed from the stacking direction, the first light emitting element and the second light emitting element are provided at a pitch p in the first direction,
The size d in the first direction and the pitch p of the contact region between the second semiconductor layer and the second electrode are
d/p≦0.5 and p≦12 μm
satisfy the relationship of
A light-emitting device, wherein a part of the first electrode is arranged so as to surround the first semiconductor layer, the light-emitting layer, and the second semiconductor layer in plan view in the stacking direction .
前記大きさdおよび前記ピッチpは、
0.4≦d/p≦0.5
の関係を満たす、発光装置。 In claim 1 ,
The size d and the pitch p are
0.4≦d/p≦0.5
A light-emitting device that satisfies the relationship of
前記大きさdおよび前記ピッチpは、
d/p≦0.3
の関係を満たす、発光装置。 In claim 1 ,
The size d and the pitch p are
d/p≦0.3
A light-emitting device that satisfies the relationship of
前記第1発光素子は、前記第2発光素子と隣り合い、
前記第1発光素子から出射された光は、前記第2レンズにおいて、全反射しない、発光装置。 In any one of claims 1 to 3 ,
the first light emitting element is adjacent to the second light emitting element,
The light-emitting device, wherein light emitted from the first light-emitting element is not totally reflected by the second lens.
前記第1半導体層の一部、前記発光層、および前記第2半導体層は、柱状部を構成し、
前記第1電極は、前記第1半導体層の前記柱状部を構成していない部分に設けられ、
前記第1電極は、前記積層方向から見た平面視において、前記柱状部と離間している、発光装置。 In any one of claims 1 to 4 ,
part of the first semiconductor layer, the light-emitting layer, and the second semiconductor layer constitute a columnar section;
the first electrode is provided in a portion of the first semiconductor layer that does not constitute the columnar portion;
The light-emitting device, wherein the first electrode is separated from the columnar portion in plan view in the stacking direction.
前記第1発光素子の前記第1電極と、前記第2発光素子の前記第1電極とは、連続している、発光装置。 In claim 5 ,
The light-emitting device, wherein the first electrode of the first light-emitting element and the first electrode of the second light-emitting element are continuous.
前記発光装置から出射された光を投射する投射装置と、
を有する、プロジェクター。 A light emitting device according to any one of claims 1 to 6 ;
a projection device for projecting light emitted from the light emitting device;
a projector.
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