JP7232464B2 - 発光装置およびプロジェクター - 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。
半導体レーザーは、高輝度の次世代光源として期待されている。特に、ナノコラム、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノピラーなどと呼ばれるナノ構造を有する半導体レーザーは、フォトニック結晶の効果によって、狭放射角で高出力の発光が得られる発光装置が実現できると期待されている。
例えば、特許文献１には、複数の凹部が形成された主面を有する半導体基板と、複数の開口部を有するマスクパターンと、複数の凹部から複数の開口部を介して成長した複数の微細柱状結晶と、複数の微細柱状結晶上にそれぞれ成長した活性層と、を備える半導体光素子アレイが開示されている。
国際公開第２０１０／０２３９２１号
上記のナノ構造を有する発光装置では、一般的な半導体レーザーと同様に、発振閾値の低減が求められている。
本発明に係る発光装置の一態様は、
基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部集合体を有する積層体と、
を有し、
前記柱状部集合体は、
少なくとも１つの第１柱状部と、
複数の第２柱状部と、
を有し、
前記第１柱状部は、電流が注入されて光を発生させる発光層を有し、
前記第２柱状部には、電流が注入されず、
複数の前記柱状部集合体において、光閉じ込めモードが形成され、
前記第１柱状部は、電界強度のピークと重なる位置に配置され、
前記第２柱状部は、電界強度のピークと重ならない位置に配置されている。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記第２柱状部の径は、前記第１柱状部の径よりも小さくてもよい。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記第２柱状部は、前記第２柱状部の径と、前記第２柱状部の径方向における空乏層領域の幅と、が等しい部分を有してもよい。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記第２柱状部の高さは、前記第１柱状部の高さよりも小さくてもよい。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記柱状部集合体における電界強度のピークの数と前記第１柱状部の数は、等しくてもよい。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記柱状部集合体は、２つの前記第１柱状部と、２つの前記第２柱状部と、を有していてもよい。
本発明に係る発光装置の一態様において、
前記発光層は、第１部分と、第２部分と、を有し、
前記第２部分のバンドギャップは、前記第１部分のバンドギャップよりも大きく、
前記第１部分は、電界強度のピークと重なる位置に配置されていてもよい。
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を有する。
第１実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る発光装置を模式的に示す平面図。 第１柱状部の空乏層領域を説明するための図。 第２柱状部の空乏層領域を説明するための図。 第１半導体層の直径と第１半導体層の抵抗との関係を示すグラフ。 光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図。 光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図。 参考例に係る発光装置の柱状部を模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第１変形例に係る発光装置を模式的に示す平面図。 光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図。 第２変形例に係る発光装置を模式的に示す平面図。 光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図。 第２実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。 第３実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。
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。
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。
発光装置１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、積層体２０と、第１電極５０と、第２電極５２と、を有している。なお、便宜上、図２では、積層体２０の第１
柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂ以外の部材の図示を省略している。
基体１０は、例えば、板状の形状を有している。基体１０は、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板などである。
積層体２０は、基体１０に設けられている。図示の例では、積層体２０は、基体１０上に設けられている。積層体２０は、例えば、バッファー層２２と、複数の第１柱状部３０Ａと、複数の第２柱状部３０Ｂと、光伝搬層４０と、を有している。
なお、「上」とは、積層体２０の積層方向（以下、単に「積層方向」ともいう）において、ＭＱＷ（multi quantum well）層３４からみて基体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、ＭＱＷ層３４からみて基体１０に近づく方向のことである。また、「積層体２０の積層方向」とは、第１半導体層３２とＭＱＷ層３４との積層方向のことである。
バッファー層２２は、基体１０上に設けられている。バッファー層２２は、例えば、シリコンがドープされたｎ型のＧａＮ層である。バッファー層２２上には、第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂを形成するためのマスク層６０が設けられている。マスク層６０は、例えば、チタン層、酸化チタン層、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層などである。
第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂは、バッファー層２２上に設けられている。第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂは、バッファー層２２から上方に突出した柱状の形状を有している。第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂは、例えば、ナノコラム、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノピラーとも呼ばれる。第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの積層方向の大きさは、例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下である。
第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの積層方向と直交する方向における断面形状は、例えば、多角形、円などである。図２に示す例では、第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの断面形状は、正六角形である。
第１柱状部３０Ａは、第１半導体層３２と、発光層として機能するＭＱＷ層３４と、第２半導体層３６と、を有している。
第１半導体層３２は、バッファー層２２上に設けられている。第１半導体層３２は、基体１０とＭＱＷ層３４との間に設けられている。第１半導体層３２は、例えば、ｎ型の半導体層である。第１半導体層３２は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層、Ｓｉがドープされたｎ型のＡｌＧａＮ層などである。
ＭＱＷ層３４は、第１半導体層３２上に設けられている。ＭＱＷ層３４は、第１半導体層３２と第２半導体層３６との間に設けられている。第１柱状部３０Ａにおいて、ＭＱＷ層３４は、電流が注入されることで光を発生させる発光層として機能する。
ＭＱＷ層３４は、第１部分３４ａと、第２部分３４ｂと、を有している。第１部分３４ａおよび第２部分３４ｂは、例えば、不純物がドープされていないｉ型のＩｎＧａＮ層である。第１部分３４ａは、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮが凝集して形成された部分である。すなわち、第１部分３４ａのインジウムの濃度は、第２部分３４ｂのインジウムの濃度よりも高い。第２部分３４ｂのバンドギャップは、第１部分３４ａのバンドギャップよりも大きい。第１部分３４ａは、第１柱状部３０Ａの中央部に位置している。第２部分３４ｂは、第１部分３４ａを囲んでいる。
第１部分３４ａは、複数設けられている。複数の第１部分３４ａは、積層方向に並んでいる。隣り合う第１部分３４ａの間には、第２部分３４ｂが設けられている。図示の例では、第１部分３４ａは、３つ設けられている。ＭＱＷ層３４は、３つの第１部分３４ａと、第２部分３４ｂと、から構成された多重量子井戸構造を有している。すなわち、第１部分３４ａは量子井戸層として機能し、第２部分３４ｂはバリア層として機能する。
第２半導体層３６は、ＭＱＷ層３４上に設けられている。第２半導体層３６は、第１半導体層３２と導電型の異なる層である。第２半導体層３６は、例えば、ｐ型の半導体層である。第２半導体層３６は、例えば、マグネシウムがドープされたｐ型のＧａＮ層、マグネシウムがドープされたｐ型のＡｌＧａＮ層などである。第１半導体層３２および第２半導体層３６は、ＭＱＷ層３４に光を閉じ込める機能を有するクラッド層である。
第２柱状部３０Ｂは、第１柱状部３０Ａと同じ層構造を有している。すなわち、第２柱状部３０Ｂは、第１柱状部３０Ａと同様に、第１半導体層３２と、ＭＱＷ層３４と、第２半導体層３６と、を有している。
第２柱状部３０Ｂの径は、第１柱状部３０Ａの径よりも小さい。そのため、第２柱状部３０Ｂの抵抗は、第１柱状部３０Ａの抵抗よりも大きい。例えば、第２柱状部３０Ｂの最小径は、第１柱状部３０Ａの最小径よりも小さい。第１柱状部３０Ａの径は、例えば、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。第２柱状部３０Ｂの径は、例えば、１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
なお、「径」とは、第１柱状部３０Ａの平面形状が円の場合は、直径であり、第１柱状部３０Ａの平面形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の直径である。例えば、第１柱状部３０Ａの径は、第１柱状部３０Ａの平面形状が多角形の場合、該多角形を内部に含む最小の円の直径であり、第１柱状部３０Ａの平面形状が楕円の場合、該楕円を内部に含む最小の円の直径である。第２柱状部３０Ｂの径についても同様である。
図３は、第１柱状部３０Ａの空乏層領域４を説明するための図である。図４は、第２柱状部３０Ｂの空乏層領域４を説明するための図である。なお、図３では、第１柱状部３０Ａの最小径の部分を含む断面を図示し、図４では、第２柱状部３０Ｂの最小径の部分を含む断面を図示している。
図３および図４に示すように、第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂは、空乏層領域４を有している。空乏層領域４は、フェルミレベルピニング（Fermi-level pinning）によって第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの側面近傍に生じるキャリアが枯渇した領域である。
第１柱状部３０Ａの最小径Ｄ１を構成する部分は、図３に示すように、空乏層領域４と、空乏層を形成していない非空乏層領域６と、を有している。すなわち、第１柱状部３０Ａの最小径Ｄ１は、第１柱状部３０Ａの径方向における空乏層領域４の幅（２×Ｗ）よりも大きい。そのため、第１柱状部３０Ａの中央部には、非空乏層領域６が形成される。
第２柱状部３０Ｂの最小径Ｄ２を構成する部分は、図４に示すように、空乏層領域４のみを有しており、非空乏層領域６を有していない。すなわち、第２柱状部３０Ｂの最小径Ｄ２は、第２柱状部３０Ｂの径方向における空乏層領域４の幅と等しい。このように、第２柱状部３０Ｂは、第２柱状部３０Ｂの径と、第２柱状部３０Ｂの径方向における空乏層領域４の幅と、が等しい部分を有する。そのため、第２柱状部３０Ｂを高抵抗にすることができる。この結果、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４には電流が注入されず、発光が生
じない。すなわち、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４は、発光層として機能しない。以下、第２柱状部３０Ｂが高抵抗となる理由について説明する。
図５は、第１半導体層の直径と第１半導体層の抵抗との関係を示すグラフである。図５では、第１半導体層の材質をシリコンがドープされたＧａＮとして計算した。
図５に示すように、柱状部を構成する第１半導体層の直径を小さくしていくと、抵抗が急激に高くなることがわかる。通常、抵抗は第１半導体層の断面積に反比例し、断面積が１／２になると、抵抗は２倍になる。しかし、図４に示すように、第１半導体層の直径が空乏層領域の幅と等しくなると、上記の相関がなくなり、抵抗が急激に高くなる。したがって、柱状部を高抵抗にできる。なお、第１半導体層３２の断面積とは、積層方向に平行な法線を有する平面で切断した断面の面積である。
例えば、第１柱状部３０Ａの第１半導体層３２の積層方向の抵抗と、第２柱状部３０Ｂの第１半導体層３２の積層方向の抵抗と、を測定する。測定の結果、断面積と抵抗との上記相関がなくなっていれば、第２柱状部３０Ｂは、第２柱状部３０Ｂの径と、第２柱状部３０Ｂの径方向における空乏層領域４の幅と、が等しい部分を有していると判断できる。
なお、図５に示すように、柱状部の抵抗は、キャリア濃度にも依存する。例えば、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ－３である場合、第１半導体層３２の径が６０ｎｍ以下で、第１半導体層３２の直径が空乏層領域４の幅となる。
第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度は、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度よりも低い。そのため、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で発生した光の波長と、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４で吸収される光の波長と、をずらすことができる。
光伝搬層４０は、隣り合う第１柱状部３０Ａと第２柱状部３０Ｂの間、隣り合う第１柱状部３０Ａの間、および隣り合う第２柱状部３０Ｂの間に設けられている。光伝搬層４０は、マスク層６０上に設けられている。光伝搬層４０は、第１柱状部３０Ａの側面および第２柱状部３０Ｂの側面を覆っている。光伝搬層４０の屈折率は、第１柱状部３０Ａの屈折率および第２柱状部３０Ｂの屈折率よりも低い。光伝搬層４０は、例えば、不純物がドープされていないＧａＮ層である。第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で発生した光は、光伝搬層４０を通って、積層方向と直交する方向に伝搬することができる。なお、光伝搬層４０は、ＧａＮ層に限定されず、ＡｌＧａＮ層、酸化シリコン層など、その他の絶縁層であってもよい。
第１電極５０は、バッファー層２２上に設けられている。バッファー層２２は、第１電極５０とオーミックコンタクトしていてもよい。第１電極５０は、第１半導体層３２と電気的に接続されている。図示の例では、第１電極５０は、バッファー層２２を介して、第１半導体層３２と電気的に接続されている。第１電極５０は、ＭＱＷ層３４に電流を注入するための一方の電極である。第１電極５０としては、例えば、バッファー層２２側から、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いる。なお、基体１０が導電性の場合には、図示はしないが、第１電極５０は、基体１０の下に設けられていてもよい。
第２電極５２は、積層体２０の基体１０側とは反対側に設けられている。図示の例では、第２電極５２は、第２半導体層３６上に設けられている。第２半導体層３６は、第２電極５２とオーミックコンタクトしていてもよい。第２電極５２は、第２半導体層３６と電気的に接続されている。第２電極５２は、ＭＱＷ層３４に電流を注入するための他方の電極である。第２電極５２としては、例えば、ＩＴＯ（indium tin oxide）などを用いる。
図２に示すように、積層体２０は、複数の柱状部集合体２を有している。柱状部集合体２は、周期的に配列されている。例えば、柱状部集合体２は、２５０ｎｍ程度のピッチで配置されている。複数の柱状部集合体２は、図示の例では、積層方向からの平面視において、三角格子状に配列されている。なお、複数の柱状部集合体２の配列は、三角格子状に限定されず、例えば、四角格子状などに配列されていてもよい。複数の柱状部集合体２は、フォトニック結晶の効果を発現することができる。例えば、複数の柱状部集合体２は、可視光において、フォトニックバンド端による光閉じ込め効果を発現することができる。
柱状部集合体２は、複数の第１柱状部３０Ａと、複数の第２柱状部３０Ｂと、を有している。図２に示す例では、柱状部集合体２は、２つの第１柱状部３０Ａと、２つの第２柱状部３０Ｂと、を有している。２つの第１柱状部３０Ａが並ぶ方向と、２つの第２柱状部３０Ｂが並ぶ方向とは、例えば、直交している。
発光装置１００では、複数の第１柱状部３０Ａおよび複数の第２柱状部３０Ｂによって構成された柱状部集合体２を、１つのナノ構造体とみなして、周期的に配列している。これにより、例えば後述する図８に示すように１つのナノ構造体を１つの柱状部で構成する場合と比べて、第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの径を小さくすることができる。この結果、ＭＱＷ層３４に内在する歪みを低減でき、光を高い効率で増幅できる。
第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で発生した光は、第１半導体層３２および第２半導体層３６により積層方向と直交する方向に光伝搬層４０を通って伝搬し、複数の柱状部集合体２によるフォトニック結晶の効果により定在波を形成し、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で利得を受けてレーザー発振する。そして、発光装置１００は、＋１次回折光および－１次回折光をレーザー光として、積層方向に出射する。
図６および図７は、柱状部集合体２によって形成される光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図である。図６では、電界強度が等しい位置を結んだ等強度線を実線で図示している。また、図７では、等強度線を破線で図示している。図７では、１つの柱状部集合体２を拡大して図示している。
発光装置１００では、図６に示すように、複数の柱状部集合体２において、光閉じ込めモードが形成される。すなわち、発光装置１００では、複数の柱状部集合体２において、電界強度の分布が形成される。複数の柱状部集合体２では、波長と電界分布が異なる複数のモードが同時に形成される。例えば、複数の柱状部集合体２を三角格子状に二次元配列したフォトニック結晶において、フォトニックバンド端での発振を利用した場合、波長と電界分布が異なる複数のモードが同時に形成される。このようにして形成された複数のモードのうち典型的なモードとして、図６および図７には、１つの柱状部集合体２に対して、２つの電界強度のピークＰを持つモードを示している。光閉じ込めモードは、例えば、複数の柱状部集合体２の配置によって制御できる。光閉じ込めモードは、例えば、ＰＷＥ法（Plane Wave Expansion method）を用いて求めることができる。光閉じ込めモードは、前述した、フォトニック結晶の効果により形成される定在波として表される。電界強度のピークＰの位置とは、定在波において、電界強度がもっとも大きく変化する位置であり、電界強度が極値をとる位置である。
ここで、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４は電流が注入されて光を発生させる発光層として機能し、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４には、電流が注入されず、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４は、発光層として機能しない。すなわち、発光装置１００では、第１柱状部３０Ａは、電流が注入されて光を発生させる活性な柱状部であり、第２柱状部３０Ｂは、電流が注入されず、発光や吸収が生じない不活性な柱状部である。
第１柱状部３０Ａは、電界強度のピークＰと重なる位置に配置されている。第２柱状部３０Ｂは、ピークＰと重ならない位置に配置されている。すなわち、第１柱状部３０Ａにおける電界強度は、第２柱状部３０Ｂにおける電界強度よりも大きい。第１柱状部３０Ａでは、図７に示すように、ＭＱＷ層３４の第１部分３４ａがピークＰと重なる位置に配置されている。第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４の第２部分３４ｂは、ピークＰと重ならない。すなわち、第１柱状部３０Ａにおいて、第１部分３４ａにおける電界強度は、第２部分３４ｂにおける電界強度よりも大きい。
１つの柱状部集合体２において、第１柱状部３０Ａの数とピークＰの数とは、等しい。図６および図７に示す例では、１つの柱状部集合体２において、第１柱状部３０Ａの数は２つであり、ピークＰの数は２つである。
発光装置１００では、第１柱状部３０Ａにおいて、ｐ型の第２半導体層３６、ＭＱＷ層３４、およびｎ型の第１半導体層３２により、ｐｉｎダイオードが構成される。発光装置１００では、第１電極５０と第２電極５２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４に電流が注入され、ＭＱＷ層３４で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。なお、第２柱状部３０Ｂは高抵抗であるため、第１電極５０と第２電極５２との間に電圧を印加しても、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４には電流が注入されず、発光が生じない。
なお、図示はしないが、基体１０とバッファー層２２との間、または基体１０の下に反射層が設けられていてもよい。該反射層は、例えば、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層である。該反射層によって、ＭＱＷ層３４において発生した光を反射させることができ、発光装置１００は、第２電極５２側からのみ光を出射することができる。
発光装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
発光装置１００では、第１柱状部３０Ａは、電界強度のピークＰと重なる位置に配置され、第２柱状部３０Ｂは、電界強度のピークＰと重ならない位置に配置されている。そのため、面内方向において、発光層として機能する第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４の位置と電界強度のピークＰの位置とを一致させることができる。したがって、発光層と電界との結合を強くすることができ、電界強度のピークＰの位置に選択的に利得を生じさせることができる。これにより、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
さらに、発光装置１００では、複数の第１柱状部３０Ａおよび複数の第２柱状部３０Ｂによって構成された柱状部集合体２を、１つのナノ構造体とみなすことによって、第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの径を小さくできる。そのため、ＭＱＷ層３４に内在する歪みを低減できる。これにより、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
発光装置１００では、発光層として機能する第１柱状部３０Ａにおいて、ＭＱＷ層３４の第１部分３４ａは、電界強度のピークＰと重なる位置に配置されている。そのため、量子井戸層として機能する第１部分３４ａと電界との結合を強くすることができる。これにより、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
上述した発光装置１００の効果について、参考例を挙げて説明する。図８は、参考例に係る発光装置の柱状部２Ｄを模式的に示す平面図である。なお、図８に示す１つの柱状部２Ｄが、発光装置１００の柱状部集合体２に対応する。
１つの柱状部２Ｄに対して、２つの電界強度のピークＰを持つモードが形成されている
場合、量子井戸層として機能する第１部分３４ａとピークＰとが重ならない。そのため、参考例に係る発光装置では、第１部分３４ａと電界との結合が弱く、光を効率よく増幅できない。
これに対して、発光装置１００は、図７に示すように、複数の第１柱状部３０Ａおよび複数の第２柱状部３０Ｂを有する柱状部集合体２を有する。そのため、２つの電界強度のピークＰと、２つの第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４の第１部分３４ａと、を重ねることができる。したがって、上述したように、発光装置１００では、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。また、発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂを有することによって、参考例と比べて、柱状部の充填率が大きく低下しない。
さらに、発光装置１００では、１つの柱状部集合体２に対して２つの電界強度のピークＰを持つモードにおいて第１部分３４ａとピークＰとが強く結合する。これに対して、その他のモードでは、ピークＰの位置が変わるため、第１部分３４ａとピークＰとは強く結合できない。したがって、発光装置１００では、図６および図７に示した光閉じ込めモード以外のモードが競合する可能性を低減できる。
発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂの径は、第１柱状部３０Ａの径よりも小さい。ここで、ＭＱＷ層３４を結晶成長させる工程において、柱状部の径が小さいほど、ＭＱＷ層３４のインジウム濃度が低くなる。そのため、発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂのインジウムの濃度は、第１柱状部３０Ａのインジウムの濃度よりも低い。したがって、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で発生する光の波長と、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４で吸収される光の波長と、をずらすことができる。よって、発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂで吸収される光の量を低減できる。
発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂは、第２柱状部３０Ｂの径と、第２柱状部３０Ｂの径方向における空乏層領域４の幅と、が等しい部分を有する。そのため、上述したように、第２柱状部３０Ｂを高抵抗にすることができる。これにより、第１電極５０と第２電極５２との間に電圧を印加しても、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４には電流が注入されずに、ＭＱＷ層３４において発光を生じさせないことができる。
発光装置１００では、柱状部集合体２における電界強度のピークＰの数と第１柱状部３０Ａの数は等しい。そのため、発光装置１００では、面内方向において発光層の位置と電界強度の分布とを一致させることができ、光を高い効率で増幅ができる。
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９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。
図９に示すように、基体１０上に、バッファー層２２を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。
次に、バッファー層２２上に、マスク層６０を形成する。マスク層６０は、例えば、電子ビーム蒸着法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによる成膜、ならびにフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によるパターニングによって形成される。マスク層６０の第２柱状部３０Ｂを形成するための開口の面積は、マスク層６０の第１柱状部３０Ａを形成するための開口の面積よりも小さい。これにより、第２柱状部３０Ｂの径を第１柱状部３０Ａの径よりも小さくすることができる。
次に、マスク層６０をマスクとして、バッファー層２２上に、第１半導体層３２、ＭＱＷ層３４、および第２半導体層３６を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法、ＭＢＥ法などが挙げられる。
ここで、ＭＱＷ層３４をエピタキシャル成長させる際に、インジウムのマイグレーションにより第１部分３４ａと第２部分３４ｂとが形成される。また、第２柱状部３０Ｂの径が第１柱状部３０Ａの径よりも小さくなるように結晶成長させることによって、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度を、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度よりも低くできる。
以上の工程により、複数の第１柱状部３０Ａと複数の第２柱状部３０Ｂを有する柱状部集合体２が形成される。
図１に示すように、マスク層６０上に光伝搬層４０を形成する。光伝搬層４０は、例えば、ＭＯＣＶＤ法、スピンコート法などによって形成される。
次に、バッファー層２２上に第１電極５０を形成し、第２半導体層３６上に第２電極５２を形成する。第１電極５０および第２電極５２は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。なお、第１電極５０および第２電極５２の形成順序は、特に限定されない。
以上の工程により、発光装置１００を製造することができる。
１．３． 変形例
次に、第１実施形態に係る発光装置１００の変形例について説明する。以下に説明する各変形例において、上述した発光装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
１．３．１． 第１変形例
図１０は、第１変形例に係る発光装置を模式的に示す平面図である。図１０は、図２に対応している。
発光装置１０２では、図１０に示すように、２つの第１柱状部３０Ａが並ぶ方向が、上述した図２に示す発光装置１００における２つの第１柱状部３０Ａが並ぶ方向に対して、９０度回転している。同様に、２つの第２柱状部３０Ｂが並ぶ方向が、上述した図２に示す発光装置１００における２つの第２柱状部３０Ｂが並ぶ方向に対して、９０度回転している。
図１１は、光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図である。
図１１に示す例では、１つの柱状部集合体２に対して、２つの電界強度のピークを持つ光閉じ込めモードを示している。発光装置１０２における２つの電界強度のピークが並ぶ方向は、図６に示す発光装置１００における２つの電界強度のピークが並ぶ方向に対して、９０度回転している。発光装置１０２では、第１柱状部３０Ａは、図１１に示す光閉じ込めモードの電界強度のピークと重なる位置に配置されている。
発光装置１０２では、第１柱状部３０Ａは、電界強度のピークと重なる位置に配置され、第２柱状部３０Ｂは、電界強度のピークＰと重ならない位置に配置されている。そのため、発光装置１００と同様に、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
１．３．２． 第２変形例
図１２は、第２変形例に係る発光装置を模式的に示す平面図である。図１２は、図２に対応している。
上述した発光装置１００では、図２に示すように、柱状部集合体２は、２つの第１柱状部３０Ａと、２つの第２柱状部３０Ｂと、を有していた。
これに対して、発光装置１０４では、図１２に示すように、柱状部集合体２は、１つの第１柱状部３０Ａと、６つの第２柱状部３０Ｂと、を有している。
図１２に示す例では、６つの第２柱状部３０Ｂは、第１柱状部３０Ａの周囲に、等間隔で配置されている。
図１３は、光閉じ込めモードの電界強度分布の一例を模式的に示す図である。
図１３に示す例では、１つの柱状部集合体２に対して、１つの電界強度のピークを持つ光閉じ込めモードを示している。第１柱状部３０Ａは、当該ピークに重なるように配置されている。
発光装置１０４では、第１柱状部３０Ａは、電界強度のピークと重なる位置に配置され、第２柱状部３０Ｂは、電界強度のピークＰと重ならない位置に配置されている。そのため、発光装置１００と同様に、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
上述した第１変形例および第２変形例に示すように、柱状部集合体２を構成する第１柱状部３０Ａおよび第２柱状部３０Ｂの数および配置は、結合させる光閉じ込めモードに応じて、適宜、変更可能である。
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１４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。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の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した発光装置１００では、図１に示すように、第２柱状部３０Ｂの径を小さくすることによって第２柱状部３０Ｂを高抵抗とし、第２柱状部３０Ｂに電流が注入されないようにした。
これに対して、発光装置２００では、図１４に示すように、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２は、第１柱状部３０Ａの高さＨ１よりも小さい。そのため、第２柱状部３０Ｂは、第２電極５２に電気的に接続されず、第２柱状部３０Ｂには電流が注入されない。第１柱状部３０Ａの高さＨ１と第２柱状部３０Ｂの高さＨ２の差は、例えば、１０ｎｍ以上である。
なお、第１柱状部３０Ａの高さＨ１とは、第１柱状部３０Ａの積層方向の大きさである。また、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２とは、第２柱状部３０Ｂの積層方向の大きさである。
第２柱状部３０Ｂと第２電極５２との間には、絶縁性の光伝搬層４０が設けられている。そのため、第２柱状部３０Ｂと第２電極５２とを、より確実に絶縁できる。光伝搬層４０としては、例えば、酸化シリコンなどの絶縁性の材料を用いることができる。
第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度は、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度よりも低い。したがって、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４で発生する光の波長と、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４で吸収される光の波長と、をずらすことができる。したがって、第２柱状部３０Ｂで吸収される光の量を低減できる。
第２柱状部３０Ｂの径は、例えば、第１柱状部３０Ａの径よりも小さい。後述するように、第２柱状部３０Ｂの径が第１柱状部３０Ａの径よりも小さくなるように結晶成長させることで、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２を第１柱状部３０Ａの高さＨ１よりも小さくすることができる。さらに、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度を、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度よりも低くすることができる。
第２柱状部３０Ｂの高さＨ２は、第１柱状部３０Ａの第１半導体層３２の厚さと第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４の厚さの和以上である。そのため、例えば、第１柱状部３０Ａの高さＨ１と第２柱状部３０Ｂの高さＨ２が等しい場合、すなわち、Ｈ１＝Ｈ２の場合と比べて、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４よりも上部側の柱状部の充填率を小さくできる。これにより、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４よりも上部側の平均屈折率を低くでき、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４から当該ＭＱＷ層３４よりも上部側に漏れる光の量を低減できる。この結果、第２電極５２で吸収される光の量を低減でき、発振閾値を低減できる。
発光装置２００では、第１柱状部３０Ａは電界強度のピークＰと重なる位置に配置され、第２柱状部３０Ｂは電界強度のピークＰと重ならない位置に配置されている。そのため、発光装置１００と同様に、光を高い効率で増幅でき、発振閾値を低減できる。
さらに、発光装置２００では、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２は、第１柱状部３０Ａの高さＨ１よりも小さい。そのため、第１電極５０と第２電極５２との間に電圧を印加しても、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４には電流が注入されずに、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４において発光を生じさせないことができる。
第２柱状部３０Ｂの高さＨ２を小さくすることで第２柱状部３０Ｂに電流が注入されないようにすることによって、第２柱状部３０Ｂの径の自由度が大きくなる。例えば、発光装置１００では、第２柱状部３０Ｂの径を小さくすることによって第２柱状部３０Ｂに電流が注入されないようにするため、第２柱状部３０Ｂの径に制限がある。これに対して、発光装置２００では、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２を小さくすることによって第２柱状部３０Ｂに電流が注入されないようにするため、発光装置１００の例と比べて、第２柱状部３０Ｂの径の自由度が大きい。
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。図１５は、第２実施形態に係る発光装置２００の製造工程を模式的に示す断面図である。以下では、上述した発光装置１００の製造方法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。
図１５に示すように、基体１０上に、バッファー層２２をエピタキシャル成長させる。次に、バッファー層２２上に、マスク層６０を形成する。
マスク層６０の第２柱状部３０Ｂを形成するための開口の面積は、マスク層６０の第１柱状部３０Ａを形成するための開口の面積よりも小さい。これにより、第２柱状部３０Ｂの径を第１柱状部３０Ａの径よりも小さくすることができる。
次に、マスク層６０をマスクとして、バッファー層２２上に、第１半導体層３２、ＭＱＷ層３４、および第２半導体層３６をエピタキシャル成長させる。
第２柱状部３０Ｂの径が第１柱状部３０Ａの径よりも小さくなるように結晶成長させることによって、第２柱状部３０Ｂの高さＨ２を、第１柱状部３０Ａの高さＨ１よりも小さくできる。また、第２柱状部３０Ｂの径が第１柱状部３０Ａの径よりも小さくなるように結晶成長させることによって、第２柱状部３０ＢのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度を、第１柱状部３０ＡのＭＱＷ層３４のインジウムの濃度よりも低くできる。
以上の工程により、複数の第１柱状部３０Ａと複数の第２柱状部３０Ｂとを有する柱状部集合体２が形成される。
図１４に示すように、マスク層６０上に光伝搬層４０を形成する。次に、バッファー層２２上に第１電極５０を形成し、第２半導体層３６上に第２電極５２を形成する。
以上の工程により、発光装置２００を製造することができる。
２．３． 変形例
上述した第１実施形態に係る発光装置の第１変形例および第２変形例は、第２実施形態に係る発光装置にも適用可能である。
３． 第３実施形態
次に、第３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１６は、第３実施形態に係るプロジェクター９００を模式的に示す図である。
プロジェクター９００は、例えば、光源として、発光装置１００を有している。
プロジェクター９００は、図示しない筐体と、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。なお、便宜上、図１６では、赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、および青色光源１００Ｂを簡略化している。
プロジェクター９００は、さらに、筐体内に備えられている、第１レンズアレイ９０２Ｒと、第２レンズアレイ９０２Ｇと、第３レンズアレイ９０２Ｂと、第１光変調装置９０４Ｒと、第２光変調装置９０４Ｇと、第３光変調装置９０４Ｂと、投射装置９０８と、を有している。第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂは、例えば、透過型の液晶ライトバルブである。投射装置９０８は、例えば、投射レンズである。
赤色光源１００Ｒから出射された光は、第１レンズアレイ９０２Ｒに入射する。赤色光源１００Ｒから出射された光は、第１レンズアレイ９０２Ｒによって、集光され、例えば重畳されることができる。
第１レンズアレイ９０２Ｒによって集光された光は、第１光変調装置９０４Ｒに入射する。第１光変調装置９０４Ｒは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第１光変調装置９０４Ｒによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。
緑色光源１００Ｇから出射された光は、第２レンズアレイ９０２Ｇに入射する。緑色光
源１００Ｇから出射された光は、第２レンズアレイ９０２Ｇによって、集光され、例えば重畳されることができる。
第２レンズアレイ９０２Ｇによって集光された光は、第２光変調装置９０４Ｇに入射する。第２光変調装置９０４Ｇは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第２光変調装置９０４Ｇによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。
青色光源１００Ｂから出射された光は、第３レンズアレイ９０２Ｂに入射する。青色光源１００Ｂから出射された光は、第３レンズアレイ９０２Ｂによって、集光され、例えば重畳されることができる。
第３レンズアレイ９０２Ｂによって集光された光は、第３光変調装置９０４Ｂに入射する。第３光変調装置９０４Ｂは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置９０８は、第３光変調装置９０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン９１０に投射する。
また、プロジェクター９００は、第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂから出射された光を合成して投射装置９０８に導くクロスダイクロイックプリズム９０６を有することができる。
第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂ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９０６に入射する。クロスダイクロイックプリズム９０６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、投射装置９０８によりスクリーン９１０上に投射され、拡大された画像が表示される。
なお、赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、および青色光源１００Ｂは、発光装置１００を映像の画素として画像情報に応じて制御することで、第１光変調装置９０４Ｒ、第２光変調装置９０４Ｇ、および第３光変調装置９０４Ｂを用いずに、直接的に映像を形成してもよい。そして、投射装置９０８は、赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、および青色光源１００Ｂによって形成された映像を、拡大してスクリーン９１０に投射してもよい。
また、上記の例では、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micro Mirror Device）が挙げられる。また、投射装置の構成は、使用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。
また、光源を、光源からの光をスクリーン上で走査させることにより、表示面に所望の大きさの画像を表示させる画像形成装置である走査手段を有するような走査型の画像表示装置の光源装置にも適用することが可能である。
上述した実施形態に係る発光装置は、プロジェクター以外にも用いることが可能である。プロジェクター以外の用途には、例えば、屋内外の照明、ディスプレイのバックライト、レーザープリンター、スキャナー、車載用ライト、光を用いるセンシング機器、通信機器等の光源がある。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述した第１実施形態に係る発光装置１００では、ＩｎＧａＮ系のＭＱＷ層３４について説明したが、ＭＱＷ層３４としては、射出される光の波長に応じて、電流が注入されることで発光可能な様々な材料系を用いることができる。例えば、ＡｌＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＰ系、ＧａＰ系、ＡｌＧａＰ系などの半導体材料を用いることができる。第２実施形態に係る発光装置２００についても同様であり、ＭＱＷ層３４として、射出される光の波長に応じて、電流が注入されることで発光可能な様々な材料系を用いることができる。
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。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、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である。また、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…柱状部集合体、２Ｄ…柱状部、４…空乏層領域、６…非空乏層領域、１０…基体、２０…積層体、２２…バッファー層、３０Ａ…第１柱状部、３０Ｂ…第２柱状部、３２…第１半導体層、３４…ＭＱＷ層、３４ａ…第１部分、３４ｂ…第２部分、３６…第２半導体層、４０…光伝搬層、５０…第１電極、５２…第２電極、６０…マスク層、１００…発光装置、１００Ｒ…赤色光源、１００Ｇ…緑色光源、１００Ｂ…青色光源、１０２…発光装置、１０４…発光装置、２００…発光装置、９００…プロジェクター、９０２Ｒ…第１レンズアレイ、９０２Ｇ…第２レンズアレイ、９０２Ｂ…第３レンズアレイ、９０４Ｒ…第１光変調装置、９０４Ｇ…第２光変調装置、９０４Ｂ…第３光変調装置、９０６…クロスダイクロイックプリズム、９０８…投射装置、９１０…スクリーン

Claims (7)

  1. 基体と、
    前記基体に設けられ、複数の柱状部集合体を有する積層体と、
    を有し、
    前記複数の柱状部集合体の各々は、
    ２つの第１柱状部と、
    ２つの第２柱状部と、
    で構成され、
    前記複数の柱状部集合体の各々は、ナノ構造体であり、
    前記複数の柱状部集合体は、三角格子状または四角格子状に配列され、
    前記第１柱状部は、電流が注入されて光を発生させる発光層を有し、
    前記第２柱状部には、電流が注入されず、
    前記複数の柱状部集合体において、光閉じ込めモードが形成され、
    前記第１柱状部は、前記光閉じ込めモードの電界強度分布における電界強度のピークと重なる位置に配置され、
    前記第２柱状部は、前記光閉じ込めモードの前記電界強度分布における電界強度のピークと重ならない位置に配置されている、発光装置。
  2. 請求項１において、
    前記第２柱状部の径は、前記第１柱状部の径よりも小さい、発光装置。
  3. 請求項２において、
    前記第２柱状部は、前記第２柱状部の径と、前記第２柱状部の径方向における空乏層領域の幅と、が等しい部分を有する、発光装置。
  4. 請求項１において、
    前記第２柱状部の高さは、前記第１柱状部の高さよりも小さい、発光装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記光閉じ込めモードの前記電界強度分布における電界強度のピークの数と前記第１柱状部の数は、等しい、発光装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記発光層は、第１部分と、前記第１部分を囲む第２部分と、を有し、
    前記第２部分のバンドギャップは、前記第１部分のバンドギャップよりも大きく、
    前記第１部分は、前記光閉じ込めモードの前記電界強度分布における電界強度のピークと重なる位置に配置されている、発光装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の発光装置を有する、プロジェクター。
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