JP7392426B2 - 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。
近年、プロジェクターは、特にデジタルサイネージ市場や教育市場において、より明るい環境下で大画面に投影するニーズが高まっており、さらなる高輝度化が求められている。また、従来からプロジェクターの光源として広く利用されている水銀ランプは、次第に暗くなり突然切れるという寿命の問題や、水銀規制という環境問題があった。そこでプロジェクターの光源は、高輝度発光し、長寿命で水銀フリーなＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の固体光源に移行しつつある。
例えば特許文献１では、ナノコラム発光素子（ＬＥＤ）をセラミックパッケージに実装し、ナノコラム発光素子から出た光を、セラミックパッケージの窪みの壁面に形成されたＡｌ薄膜で反射させた照明装置が記載されている。
特許文献１の照明装置は、ナノコラム発光素子を１つ有しているが、ナノコラム発光素子を複数配列させることで高輝度化を図ることができる。
特開２００９－９９７８号公報
ナノコラム発光素子を複数配列させると、発光素子ごとにミラーを設ける必要がある。プロジェクターの光源として用いられる発光装置では、小型化が要求されているため、装置が大型にならないように、ミラーを配置することが求められている。
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た第１発光素子および第２発光素子と、
前記第１発光素子からの光を反射させる第１ミラーと、
前記第２発光素子からの光を反射させる第２ミラーと、
第１孔部および第２孔部を有し、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを支持する支持部材と、
を有し、
前記第１発光素子および前記第２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た発光層と、
を有し、
前記第１半導体層は、複数の柱状部を構成し、
前記第１発光素子の複数の前記柱状部は、前記第１孔部に配置され、
前記第２発光素子の複数の前記柱状部は、前記第２孔部に配置され、
前記第１ミラーは、前記第１孔部を規定する前記支持部材の側面に設けられ、
前記第２ミラーは、前記第２孔部を規定する前記支持部材の側面に設けられている。
前記発光装置の一態様において、
複数の前記柱状部は、フォトニック結晶構造を構成していてもよい。
前記発光装置の一態様において、
複数の前記柱状部の最短のピッチは、前記発光層が発する光の波長以下であってもよい。
前記発光装置の一態様において、
前記第１発光素子および前記第２発光素子は、コアシェル構造を有してもよい。
前記発光装置の一態様において、
前記基体と前記第１発光素子との間、および前記基体と前記第２発光素子との間に設けられた反射層を有してもよい。
前記発光装置の一態様において、
前記支持部材に支持され、前記第１ミラーと前記第２ミラーとを接続する金属層を有し、
前記金属層の熱伝導率は、前記支持部材の熱伝導率よりも高くてもよい。
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実施形態の変形例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を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る発光装置を模式的に示す平面図。 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。 第４実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。 第５実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。 薄膜構造の発光素子を模式的に示す断面図。 配光性についてのシミュレーションの結果を示す図。
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、例えば、基体１０と、ヒートシンク２０と、反射層３０と、発光素子４０と、支持部材５０と、ミラー６０と、金属層７０と、を有している。なお、便宜上、図２では、発光素子４０の柱状部４、支持部材５０、およびミラー６０以外の部材の図示を省略している。
基体１０は、図１に示すように、例えば、板状の形状を有している。基体１０は、例えば、サファイア基板である。基体１０の厚さは、例えば、５０μｍ程度である。基体１０の厚さが５０μｍ程度であれば、発光素子４０の熱をヒートシンク２０から放熱し易い。
ヒートシンク２０は、基体１０の下に設けられている。ヒートシンク２０の材質は、例えば、アルミニウム、銅などである。ヒートシンク２０は、発光素子４０の熱を放熱させることができる。
なお、本明細書では、基体１０の発光素子４０側の面１２の垂線Ｑ方向において、基体１０を基準とした場合、基体１０からヒートシンク２０に向かう方向を「下」、基体１０から発光素子４０に向かう方向を「上」として説明する。
反射層３０は、基体１０上に設けられている。反射層３０は、基体１０と発光素子４０との間に設けられている。反射層３０は、例えば、ＤＢＲ（distribution Bragg reflector）層である。反射層３０は、例えば、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に積層させたもの、ＡｌＩｎＮ層とＧａＮ層とを交互に積層させたものなどである。反射層３０は、発光層４４で発生する光を、第２電極４９に向けて反射させる。
発光素子４０は、反射層３０上に設けられている。図示の例では、発光素子４０は、反射層３０を介して、基体１０に設けられている。発光素子４０は、複数設けられている。複数の発光素子４０は、図２に示すように、垂線Ｑ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）、マトリックス状に配列されている。図示の例では、９つの発光素子４０が設けられているが、発光素子４０の数は、複数であれば特に限定されない。
発光素子４０は、ＬＥＤである。発光素子４０は、図１に示すように、例えば、バッファー層４１と、マスク層４２と、第１半導体層４３と、発光層４４と、第２半導体層４５と、絶縁層４６と、第３半導体層４７と、第１電極４８と、第２電極４９と、を有している。
バッファー層４１は、反射層３０上に設けられている。バッファー層４１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、バッファー層４１は、複数の発光素子４０において、共通の層として設けられている。
マスク層４２は、バッファー層４１上に設けられている。マスク層４２は、酸化シリコン層、窒化シリコン層など非極性な層である。マスク層４２は、第１半導体層４３、発光層４４、および第２半導体層４５を選択的に成長させるための層である。図示の例では、マスク層４２は、複数の発光素子４０において、共通の層として設けられている。
第１半導体層４３、発光層４４、および第２半導体層４５は、柱状部４を構成している。柱状部４は、バッファー層４１上に設けられている。柱状部４は、バッファー層４１から上方に突出した柱状の形状を有している。柱状部４の平面形状は、例えば、多角形、円などであり、図２に示す例では正六角形である。柱状部４の径は、ｎｍオーダーであり、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。柱状部４の垂線Ｑ方向の大きさは、例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下である。
なお、「柱状部４の径」とは、柱状部４の平面形状が円の場合は、直径であり、柱状部４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、柱状部４の径は、柱状部４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、柱状部４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。
柱状部４は、１つの発光素子４０において、複数設けられている。柱状部４は、１つの発光素子４０において、数個から数百個設けられている。隣り合う柱状部４の間隔は、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。なお、「隣り合う柱状部４の間隔」とは、隣り合う柱状部４の間の最小の距離である。
複数の柱状部４は、平面視において、所定の方向に所定のピッチで配列されている。複数の柱状部４は、例えば、三角格子状、四角格子状などに配置され、図２に示す例では、三角格子状に配置されている。複数の柱状部４の最短のピッチＰは、発光層４４が発する光の波長以下である。発光層４４が発生する光の波長をλとすると、λに対する最短のピッチＰの比Ｐ／λは、例えば、０．４５以上０．６５以下である。複数の柱状部４は、フォトニック結晶構造を構成し、発光素子４０は、フォトニック結晶効果を発現することができる。
なお、「柱状部４のピッチ」とは、当該所定の方向に沿って隣り合う柱状部４の中心間の距離である。「柱状部４の中心」とは、柱状部４の平面形状が円の場合は、該円の中心であり、柱状部４の平面形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の中心である。例えば、柱状部４の中心は、柱状部４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中心であり、柱状部４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中心である。
第１半導体層４３は、バッファー層４１上に設けられている。第１半導体層４３は、基体１０と発光層４４との間に設けられている。第１半導体層４３は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層である。
発光層４４は、第１半導体層４３上に設けられている。発光層４４は、第１半導体層４３と第２半導体層４５との間に設けられている。発光層４４は、電流が注入されることで光を発生させる。発光層４４は、例えば、不純物がドープされていないｉ型のＧａＮ層と、ｉ型のＩｎＧａＮ層と、を交互に５ペア積層させた多重量子井戸構造を有している。図示の例では、発光層４４の上面４４ａは、ｃ面である。
第２半導体層４５は、発光層４４上に設けられている。第２半導体層４５は、第１半導体層４３と導電型の異なる層である。第２半導体層４５は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ層である。
絶縁層４６は、隣り合う柱状部４の間に設けられている。絶縁層４６は、平面視において、柱状部４の周囲に設けられている。絶縁層４６は、マスク層４２上に設けられている。絶縁層４６は、例えば、酸化シリコン層である。図示の例では、絶縁層４６は、複数の発光素子４０において、共通の層として設けられている。
第３半導体層４７は、複数の柱状部４上および絶縁層４６上に設けられている。第３半導体層４７は、例えば、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ層である。
第１電極４８は、バッファー層４１上に設けられている。バッファー層４１は、第１電極４８とオーミックコンタクトしていてもよい。第１電極４８は、第１半導体層４３と電気的に接続されている。図示の例では、第１電極４８は、バッファー層４１を介して、第１半導体層４３と電気的に接続されている。第１電極４８は、発光層４４に電流を注入するための一方の電極である。第１電極４８としては、例えば、バッファー層４１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。図示の例では、第１電極４８は、複数の発光素子４０において、共通の電極として設けられている。
第２電極４９は、第３半導体層４７上に設けられている。第３半導体層４７は、第２電極４９とオーミックコンタクトしていてもよい。図示の例では、第２電極４９は、絶縁層４６上にも設けられている。第２電極４９は、第２半導体層４５と電気的に接続されている。図示の例では、第２電極４９は、第３半導体層４７を介して、第２半導体層４５と電気的に接続されている。第２電極４９は、発光層４４に電流を注入するための他方の電極である。第２電極４９としては、例えば、第３半導体層４７側から、Ａｌ層、Ｔｉ層の順序で積層したものなどを用いる。図示の例では、第２電極４９は、複数の発光素子４０において、共通の電極として設けられている。
発光素子４０では、ｐ型の第２半導体層４５、ｉ型の発光層４４、およびｎ型の第１半導体層４３により、ｐｉｎダイオードが構成される。発光素子４０では、第１電極４８と第２電極４９との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、発光層４４に電流が注入されて発光層４４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。複数の柱状部４によるフォトニック結晶効果によって、発光層４４で発生した光のうち＋１次回折光および－１次回折光は、垂線Ｑ方向に向かう。発光層４４から第２半導体層４５に向かう光は、第３半導体層４７から出射される。発光層４４から第１半導体層４３に向かう光は、反射層３０で反射されて第３半導体層４７から出射される。
支持部材５０は、第２電極４９上に設けられている。支持部材５０は、第２電極４９に接着されていてもよい。図示の例では、支持部材５０は、反射層３０、バッファー層４１、マスク層４２、絶縁層４６、および第２電極４９を介して、基体１０に設けられている。支持部材５０は、ミラー６０を支持している。
支持部材５０は、孔部５２を有している。孔部５２は、複数の発光素子４０に対応して複数設けられている。複数の柱状部４は、孔部５２に配置されている。平面視において、複数の柱状部４は、孔部５２と重なっている。複数の発光素子４０のうちの第１発光素子４０ａの複数の柱状部４は、複数の孔部５２のうちの第１孔部５２ａに配置されている。平面視において、第１発光素子４０ａの複数の柱状部４は、第１孔部５２ａと重なっている。複数の発光素子４０のうちの第２発光素子４０ｂの複数の柱状部４は、複数の孔部５２のうちの第２孔部５２ｂに配置されている。平面視において、第２発光素子４０ｂの複数の柱状部４は、第２孔部５２ｂと重なっている。図２に示す例では、孔部５２の平面形状は、円である。支持部材５０の材質は、例えば、樹脂である。
ミラー６０は、支持部材５０に支持されている。ミラー６０は、複数の孔部５２に対応して複数設けられている。ミラー６０は、孔部５２を規定する支持部材５０の側面５４に設けられている。ミラー６０は、側面５４の全面に設けられていてもよい。ミラー６０は、発光素子４０からの光を反射させる。複数のミラー６０のうち第１ミラー６０ａは、第１発光素子４０ａからの光を反射させる。第１ミラー６０ａは、第１孔部５２ａを規定する支持部材５０の側面５４に設けられている。複数のミラー６０のうち第２ミラー６０ｂは、第２発光素子４０ｂからの光を反射させる。第２ミラー６０ｂは、第２孔部５２ｂを規定する支持部材５０の側面５４に設けられている。ミラー６０の材質は、アルミニウム系の合金、銀系の合金などである。ミラー６０は、第２電極４９に接続されていてもよい。ミラー６０は、発光素子４０から出射された光の放射角を狭めることができる。
金属層７０は、支持部材５０に支持されている。金属層７０は、例えば、支持部材５０の上面５６に設けられている。上面５６は、隣り合う側面５４を接続する面である。金属層７０は、上面５６の全面に設けられていてもよい。金属層７０は、複数のミラー６０を接続している。金属層７０は、第１ミラー６０ａと第２ミラー６０ｂとを接続している。金属層７０の熱伝導率は、支持部材５０の熱伝導率よりも高い。金属層７０の材質は、例えば、ミラー６０と同じである。
なお、図示はしないが、支持部材５０上には、必要に応じて、発光素子４０を保護する保護ガラスが設けられていてもよい。
発光装置１００は、例えば、以下の効果を有する。
発光装置１００では、第１ミラー６０ａおよび第２ミラー６０ｂを支持する支持部材５０を有し、第１発光素子４０ａの複数の柱状部４は、支持部材５０の第１孔部５２ａに配置され、第２発光素子４０ｂの複数の柱状部４は、支持部材５０の第２孔部５２ｂに配置されている。そして、第１ミラー６０ａは、第１孔部５２ａを規定する支持部材５０の側面５４に設けられ、第２ミラー６０ｂは、第２孔部５２ｂを規定する支持部材５０の側面５４に設けられている。このように、発光装置１００では、第１ミラー６０ａおよび第２ミラー６０ｂを共通の支持部材５０で支持することができる。そのため、発光装置１００では、第１ミラーおよび第２ミラーを別々の支持部材で支持する場合に比べて、小型化を図ることができる。
発光装置１００では、複数の柱状部４は、フォトニック結晶構造を構成している。そのため、発光装置１００では、発光層４４で発生した光のうち＋１次回折光および－１次回折光を、垂線Ｑ方向に出射させることができる。これにより、垂線Ｑ方向に光を集光させることができる。
発光装置１００では、基体１０と第１発光素子４０ａとの間、および基体１０と第２発光素子４０ｂとの間に設けられた反射層３０を有する。そのため、発光装置１００では、反射層３０によって、発光層４４から第１半導体層４３に向かう光を、第２半導体層４５に向けて反射させることができる。
発光装置１００では、支持部材５０に支持され、第１ミラー６０ａと第２ミラー６０ｂとを接続する金属層７０を有する。そのため、発光装置１００では、金属層が設けられていない場合に比べて、高い放熱性を有することができる。
なお、上記では、ＩｎＧａＮ系の発光層４４について説明したが、発光層４４としては、出射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あらゆる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。
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。
図３に示すように、基体１０上に、反射層３０およびバッファー層４１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。
次に、バッファー層４１上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、スパッタ法などでマスク層４２を形成する。次に、マスク層４２を所定形状にパターニングする。
図１に示すように、マスク層４２をマスクとして、バッファー層４１上に、第１半導体層４３、発光層４４、および第２半導体層４５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法、ＭＢＥ法などが挙げられる。本工程により、柱状部４を形成することができる。
柱状部４を形成する工程では、エッチングダメージを受けない。例えば、第１半導体層、発光層、第２半導体層を有する積層体を形成した後、該積層体をエッチングすることにより、第１半導体層、発光層、第２半導体層を有する柱状部を形成する場合は、エッチングによるダメージを受ける。
次に、例えばＳＯＧ（Spin on Glass）などにより、柱状部４を覆うように絶縁層４６を形成する。
次に、バッファー層４１上に、第１電極４８を形成する。第１電極４８は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。例えばエッチングにより第１電極４８をパターニングする場合、柱状部４を覆う絶縁層４６は、エッチングから柱状部４を保護する保護層として機能する。
次に、絶縁層４６をエッチングして、柱状部４の第２半導体層４５を露出させる。次に、第２半導体層４５上に、第３半導体層４７を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。なお、第３半導体層４７を形成した後に、第１電極４８を形成してもよい。
次に、第３半導体層４７上に、第２電極４９を形成する。第２電極４９は、例えば、真空蒸着法などにより形成される。以上の工程により、発光素子４０を形成することができる。なお、第２電極４９を形成した後に、第１電極４８を形成してもよい。
次に、ミラー６０および金属層７０が形成された支持部材５０を、第２電極４９に接着する。
次に、必要に応じて基体１０を下面側から研磨した後、基体１０の下面にヒートシンク２０を接着する。
以上の工程により、発光装置１００を製造することができる。
なお、隣り合う発光素子４０の柱状部４の間隔が数μｍから十数μｍと狭い場合には、発光素子４０上に支持部材５０をモノリシックに形成してもよい。具体的には、第３半導体層４７上に第２電極４９としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）層を形成し、第２電極４９上に酸化シリコン層を例えば５μｍ程度形成する。そして、ＩＴＯ層をエッチングストップ層として、所定のマスク層を用いたドライエッチングを行うと、所望の形状を有する孔部５２が得られる。そして、孔部５２を規定する支持部材５０の側面５４にミラー６０を形成し、上面５６に金属層７０を形成する。この場合、ミラー６０および金属層７０は、隣り合うＩＴＯ層を接続する配線としての機能を有する。
１．３． 変形例
次に、第１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４は、第１実施形態の変形例に係る発光装置１１０の第１半導体層４３、発光層４４、および第２半導体層４５を模式的に示す断面図である。
以下、第１実施形態の変形例に係る発光装置１１０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、柱状部４は、第１半導体層４３、発
光層４４、および第２半導体層４５で構成されていた。これに対し、発光装置１１０では
、図４に示すように、柱状部４は、第１半導体層４３のみで構成されている。
発光装置１１０では、発光素子４０は、コアシェル構造を有している。発光層４４は、
第１半導体層４３の側面４３ａおよび上面４３ｂに設けられている。第１半導体層４３の
側面４３ａは、ｍ面である。第１半導体層４３の上面４３ｂは、例えば、ｃ面である。図
示の例では、発光層４４は、マスク層４２に接している。第２半導体層４５は、発光層４
４を覆うように設けられている。図示の例では、第２半導体層４５は、マスク層４２に接
している。
発光層４４を成長させる際に、原料ガスの比率を調整することによって、ｃ面だけでなく、ｍ面にも発光層４４を設けることができる。コアシェル構造では、原料ガスの供給の都合で隣り合う柱状部４の間隔を狭くすることが難しいため、発光素子４０は、フォトニック結晶効果を発現し難い。
発光装置１１０では、発光素子４０は、コアシェル構造を有しているため、発光素子４
０は、側面４３ａの垂線方向（図１に示す垂線Ｑ方向と直交する方向）に多くの光を出射
することができる。これにより、ミラー６０で反射される光の量を多くすることができる
。
発光装置１１０では、複数の柱状部４の最短のピッチは、例えば、発光層４４が発生す
る光の波長よりも大きい。そのため、発光素子４０は、フォトニック結晶効果を発現させ
ることなく、側面４３ａの垂線方向に多くの光を出射することができる。
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５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ある。図６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ある。なお、図５は、図６のＶ－Ｖ線断面図である。
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、基体１０と第１半導体層４３との間
の距離は、基体１０と第２半導体層４５との間の距離よりも小さかった。これに対し、発
光装置２００では、図５に示すように、基体２１０と第２半導体層４５との間の距離は、
基体２１０と第１半導体層４３との間の距離よりも小さい。
発光装置２００は、図５および図６に示すように、例えば、基体２１０と、駆動回路基板２２０と、スペーサー２３０と、を有している。
発光装置２００では、発光素子４０は、ジャンクションダウンの状態で基体２１０に実装されている。発光素子４０は、第２電極４９を基体２１０に向けて実装されている。図示の例では、発光素子４０は、駆動回路基板２２０、スペーサー２３０、および金属パッド２３８を介して、基体２１０に設けられている。
基体２１０は、例えば、シリコン基板である。基体２１０としてシリコン基板を用いることにより、サファイア基板を用いる場合に比べて、発光装置２００の放熱性を向上させることができる。
駆動回路基板２２０は、基体２１０と発光素子４０との間に設けられている。駆動回路基板２２０は、発光素子４０を駆動させるための駆動回路を有している。駆動回路は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などによって実現される。
スペーサー２３０は、駆動回路基板２２０と発光素子４０との間に設けられている。スペーサー２３０は、絶縁性の材料で構成されている。スペーサー２３０には、複数の貫通孔２３２が設けられている。複数の貫通孔２３２には、第１コンタクト部２３４と第２コンタクト部２３６とが設けられている。第１コンタクト部２３４は、第１電極４８と駆動回路基板２２０とを電気的に接続している。第２コンタクト部２３６は、第２電極４９と駆動回路基板２２０とを電気的に接続している。金属パッド２３８の材質は、例えば、チタンである。
第１電極４８は、コモン電極パッド２４０に接続されている。第１電極４８は、コモン電極パッド２４０および第１コンタクト部２３４を介して、駆動回路基板２２０と電気的に接続されている。第１電極４８の材質は、例えば、ＩＴＯである。図示の例では、第１電極４８は、複数の発光素子４０において、共通の電極として設けられている。バッファー層４１は、１つの発光素子４０に対して１つ設けられている。
第２電極４９は、第２コンタクト部２３６と第２半導体層４５との間に設けられている。第２電極４９は、１つの発光素子４０に対して１つ設けられている。発光層４４で発光して発光層４４から第２半導体層４５に向かう光は、第２電極４９で反射されて、第１電極４８から出射される。
支持部材５０は、例えば、第１電極４８に接着されている。図示の例では、支持部材５０は、駆動回路基板２２０、スペーサー２３０、絶縁層４６、および第１電極４８を介して、第１電極４８に設けられている。
図６に示すように、駆動回路基板２２０は、トランジスター２２２と、データ線２２４と、給電線２２６と、走査線２２８と、を有している。なお、便宜上、図５では、データ線２２４を図示していない。また、図６では、柱状部４、支持部材５０、ミラー６０、駆動回路基板２２０、および金属パッド２３８以外の部材の図示を省略している。
データ線２２４は、複数設けられている。給電線２２６は、例えば、データ線２２４と直交している。給電線２２６は、複数設けられている。走査線２２８は、例えば、給電線２２６と平行である。走査線２２８は、複数設けられている。トランジスター２２２は、１つの発光素子４０に対して２つ設けられている。トランジスター２２２、データ線２２４、給電線２２６、および走査線２２８によって、複数の発光素子４０を独立に駆動させることができ、映像の表示が可能となる。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４０を駆動させることができる。そのため、１つの発光素子４０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。
なお、発光装置２００では、複数の発光素子４０は、全て同じ色の波長を出射してもよいし、赤色光を出射する発光素子４０、緑色光を出射する発光素子４０、および青色光を出射する発光素子４０を交互に配置させてもよい。
発光装置２００は、極めて指向性が高く、高輝度であるため、後述するようなプロジェクターや、ＨＭＤ（Head Mounted Display）、ＨＵＤ（Head-Up Display）に最適である。
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７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。
発光装置２００の製造方法では、基体１０にバッファー層４１、第１半導体層４３、発光層４４、および第２半導体層４５を成長させた後、絶縁層４６を形成し、次に、第２半導体層４５および絶縁層４６に第２電極４９を形成することにより発光素子４０を作製する。第２電極４９を形成した後、基体１０を除去する。バッファー層４１、第１半導体層４３、発光層４４、第２半導体層４５、絶縁層４６、および第２電極４９の形成方法については、上述した発光装置１００の製造方法の説明を適用することができる。
次に、図７に示すように、基体２１０に駆動回路基板２２０を配置し、駆動回路基板２２０にスペーサー２３０を配置する。次に、スペーサー２３０に貫通孔２３２を形成し、貫通孔２３２にコンタクト部２３４，２３６を形成する。コンタクト部２３４，２３６は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成される。次に、第２コンタクト部２３６に、金属パッド２３８を形成する。金属パッド２３８は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法で形成される。
次に、図５に示すように、発光素子４０の第２電極４９と金属パッド２３８とを接合させる。例えば、第２電極４９および金属パッド２３８の表面を十分に平滑かつ清浄にして、加圧および加熱すると、第２電極４９のチタンと金属パッド２３８のチタンとが金属－金属接合する。
次に、例えば、全面に第１電極４８を形成し、ミラー６０および金属層７０が形成された支持部材５０を第１電極４８に配置する。次に、基体２１０にヒートシンク２０を配置する。
以上の工程により、発光装置２００を製造することができる。
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８は、第３実施形態に係るプロジェクター３００を模式的に示す図である。
プロジェクター３００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３００は、図８に示すように、赤色光を出射する赤色光源１００Ｒと、緑色光を出射する緑色光源１００Ｇと、青色光を出射する青色光源１００Ｂと、を有している。便宜上、図８では、赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、および青色光源１００Ｂを簡略化して図示している。
プロジェクター３００は、さらに、例えば、ピックアップ光学系３１０と、インテグレーター光学系３２０と、光変調素子３３０と、クロスダイクロイックプリズム３４０と、投射レンズ３５０と、を有している。
ピックアップ光学系３１０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光を集光する。ピックアップ光学系３１０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに対応して３つ設けられている。図示の例では、ピックアップ光学系３１０は、第１ピックアップレンズ３１２および第２ピックアップレンズ３１４によって構成されている。ピックアップ光学系３１０から出射された光は、インテグレーター光学系３２０に入射する。
インテグレーター光学系３２０は、ピックアップ光学系３１０から出射された光の強度を均一化するとともに偏光変換する。インテグレーター光学系３２０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに対応して３つ設けられている。図示の例では、インテグレーター光学系３２０は、第１レンズアレイ３２１、第２レンズアレイ３２２、偏光変換素子３２３、コンデンサーレンズ３２４、およびフィールドレンズ３２５によって構成されている。インテグレーター光学系３２０から出射された光は、光変調素子３３０に入射する。
光変調素子３３０は、インテグレーター光学系３２０から出射された光を、画像情報に応じて変調させる。インテグレーター光学系３２０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに対応して３つ設けられている。光変調素子３３０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光を透過させる透過型の液晶ライトバルブである。プロジェクター３００は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）プロジェクターである。
図示の例では、プロジェクター３００は、入射側偏光板３３２と、出射側偏光板３３４と、を有している。入射側偏光板３３２は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光の偏光を整え、光変調素子３３０に入射させる。出射側偏光板３３４は、光変調素子３３０を透過した光を検光し、クロスダイクロイックプリズム３４０に入射させる。なお、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光が直線偏光であれば、入射側偏光板３３２は、設けられていなくてもよい。
クロスダイクロイックプリズム３４０は、赤色光源１００Ｒから出射されて光変調素子３３０で変調された光、緑色光源１００Ｇから出射されて光変調素子３３０で変調された光、および青色光源１００Ｂから出射されて光変調素子３３０で変調された光を合成する。クロスダイクロイックプリズム３４０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。クロスダイクロイックプリズム３４０で合成された光は、投射レンズ３５０に入射する。
投射レンズ３５０は、クロスダイクロイックプリズム３４０で合成された光を、図示せぬスクリーン上に投射する。スクリーンには、拡大された画像が表示される。
プロジェクター３００では、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂを有している。光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは、放射角が狭いため、高い効率で、投射レンズ３５０に光を入射させることができる。したがって、Ｆ値（F-number）が大きな小口径の投射レンズ３５０を用いることができる。さらに、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは、発熱が少ないため、冷却装置を設けたとしても、小さな冷却装置で済む。そのため、プロジェクター３００の小型化を図ることができる。
４． 第４実施形態
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９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。
以下、第４実施形態に係るプロジェクター４００において、上述した第３実施形態に係るプロジェクター３００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。
上述したプロジェクター３００では、図８に示すように、光変調素子３３０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光を透過させる透過型の液晶ライトバルブであり、３つ設けられていた。
これに対し、プロジェクター４００では、図９に示すように、光変調素子３３０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光を反射させるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）であり、１つ設けられている。プロジェクター４００は、ＤＬＰ（Digital Light Processing）プロジェクターである。
プロジェクター４００では、例えば、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂと、光変調素子３３０と、投射レンズ３５０と、フィリップスプリズム４１０と、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム４２０と、を有している。
光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光は、フィリップスプリズム４１０に入射する。フィリップスプリズム４１０は、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光を合成する。フィリップスプリズム４１０で合成された光は、ＴＩＲプリズム４２０に入射する。
ＴＩＲプリズム４２０は、フィリップスプリズム４１０で合成された光を、光変調素子３３０に入射される。さらに、ＴＩＲプリズム４２０は、光変調素子３３０で変調された光を、投射レンズ３５０に入射させる。
プロジェクター４００では、ＤＭＤである光変調素子３３０を有している。ＤＭＤである光変調素子３３０は、液晶と異なり偏光を必要としない表示装置である。そのため、プロジェクター３００のような偏光変換素子が不要となる。さらに、光源１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは、光の強度の均一性が高いので、インテグレーター光学系も不要となる。そのため、プロジェクター４００の小型化を図ることができる。
５． 第５実施形態
次に、第５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１０は、第５実施形態に係るプロジェクター５００を模式的に示す図である。
以下、第５実施形態に係るプロジェクター５００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。
上述したプロジェクター４００では、図９に示すように、光源として、発光装置１００
を有していた。これに対し、プロジェクター５００では、光源として、発光装置２００を
有している。
プロジェクター５００は、図１０に示すように、赤色光を出射する赤色光源２００Ｒと
、緑色光を出射する緑色光源２００Ｇと、青色光を出射する青色光源２００Ｂと、を有し
て
いる。光源２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ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、そのため、プロジェクター５００は、別途、光変調素子を有していない。
これにより、小型化を図ることができる。
光源２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂから出射された光は、フィリップスプリズム４１０において合成され、投射レンズ３５０に入射する。
本発明に係る発光装置は、上記のようなプロジェクター用途に加え、例えば液晶ディスプレイなどの直視型ディスプレイのバックライトにも用いることができる。その場合、隣り合う発光素子４０の中心の間隔を数百μｍ以上に広げても画質に影響しないため、発光装置１００のように、高価なサファイア基板をそのまま転用することは、不経済である。したがって、サファイア基板を分割してより広い基板に移載することが望ましい。
また、本発明に係る発光装置は、自動車のヘッドランプ等の照明用途にも応用することができる。これにより、小型の照明装置を実現することができる。
また、本発明に係る発光装置は、高効率であるから、ウォッチやスマートフォン等の、屋外視認性と低消費電力との両立が求められる直視型の用途にも応用することができる。
また、本発明に係るプロジェクターは、ＨＭＤやＨＵＤといったプロジェクターを応用した装置にも応用することができる。
６． 実験例
光の配光性についてシミュレーションをした。図１に示すような主に発光層のｃ面で発光する柱状部を有するｃ面発光構造の発光素子と、図４に示すようなコアシェル構造の発光素子と、図１１に示すような柱状部を有さない薄膜構造の発光素子と、をシミュレーションのモデルとした。
図１１は、柱状部を有さない薄膜構造の発光素子を模式的に示す断面図である。薄膜構造の発光素子は、第１半導体層１０４３と、発光層１０４４と、第２半導体層１０４５と、を有している。
発光層が発する光の波長を、４５０ｎｍとした。ｃ面発光構造の柱状部の最短のピッチを２００ｎｍとした。コアシェル構造の柱状部の最短のピッチを１μｍとした。
図１２は、ｃ面発光構造の発光素子α、コアシェル構造の発光素子β、および薄膜構造の発光素子γの配光性についてのシミュレーション結果を示す図である。図１２において、Ｘ軸は基体の面内方向（基体の垂線方向と直交する方向）であり、Ｙ軸は基体の垂線方向である。Ｘ軸とＹ軸との交点に発光素子を配置した。
図１２に示すように、ｃ面発光構造は、薄膜構造に比べて、垂線方向に光が集光した。ｃ面発光構造は、フォトニック結晶効果によって、薄膜構造に比べて集光性能を高められることがわかった。
コアシェル構造は、薄膜構造に比べて、面内方向に出射される光が多かった。したがって、コアシェル構造は、薄膜構造に比べて、ミラーで反射させる光を多くできることがわかった。
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、および結果が同一の構成、あるいは目的およ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また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。
４…柱状部、１０…基体、１２…面、２０…ヒートシンク、３０…反射層、４０…発光素子、４０ａ…第１発光素子、４０ｂ…第２発光素子、４１…バッファー層、４２…マスク層、４３…第１半導体層、４３ａ…側面、４３ｂ…上面、４４…発光層、４４ａ…上面、４５…第２半導体層、４６…絶縁層、４７…第３半導体層、４８…第１電極、４９…第２電極、５０…支持部材、５２…孔部、５２ａ…第１孔部、５２ｂ…第２孔部、５４…側面、５６…上面、６０…ミラー、６０ａ…第１ミラー、６０ｂ…第２ミラー、７０…金属層、１００…発光装置、１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂ…光源、１１０…発光装置、２００…発光装置、２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ…光源、２１０…基体、２２０…駆動回路基板、２２２…トランジスター、２２４…データ線、２２６…給電線、２２８…走査線、２３０…スペーサー、２３２…貫通孔、２３４…第１コンタクト部、２３６…第２コンタクト部、２３８…金属パッド、２４０…コモン電極パッド、３００…プロジェクター、３１０…ピックアップ光学系、３１２…第１ピックアップレンズ、３１４…第２ピックアップレンズ、３２０…インテグレーター光学系、３２１…第１レンズアレイ、３２２…第２レンズアレイ、３２３…偏光変換素子、３２４…コンデンサーレンズ、３２５…フィールドレンズ、３３０…光変調素子、３３２…入射側偏光板、３３４…出射側偏光板、３４０…クロスダイクロイックプリズム、３５０…投射レンズ、４００…プロジェクター、４１０…フィリップスプリズム、４２０…ＴＩＲプリズム、５００…プロジェクター、１０４３…第１半導体層、１０４４…発光層、１０４５…第２半導体層

Claims (9)

  1. 基体と、
    前記基体に設けられた第１発光素子および第２発光素子と、
    前記第１発光素子からの光を反射させる第１ミラーと、
    前記第２発光素子からの光を反射させる第２ミラーと、
    第１孔部および第２孔部を有し、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーを支持する支持部材と、
    前記支持部材と前記基体との間に設けられる絶縁層と、
    前記支持部材と前記絶縁層との間に設けられる第１電極と、
    前記支持部材に支持され、前記第１ミラーと前記第２ミラーとを接続する金属層と、
    を有し、
    前記第１発光素子および前記第２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た発光層と、
    前記第２半導体層と導電型が同じ第３半導体層と、
    を有し、
    前記第１半導体層は、複数の柱状部を構成し、
    前記第３半導体層は、前記複数の柱状部を覆い、前記第２半導体層と電気的に接続され、
    前記第１発光素子の複数の前記柱状部は、前記第１孔部に配置され、
    前記第２発光素子の複数の前記柱状部は、前記第２孔部に配置され、
    前記第１ミラーは、前記第１孔部を規定する前記支持部材の側面に設けられ、
    前記第２ミラーは、前記第２孔部を規定する前記支持部材の側面に設けられ、
    前記第１孔部は、平面視で円形の孔であり、断面視で前記第１孔部を規定する前記支持部材の側面間の距離が前記基体から離れる毎に長くなる曲面を有し、
    前記第２孔部は、平面視で円形の孔であり、断面視で前記第２孔部を規定する前記支持部材の側面間の距離が前記基体から離れる毎に長くなる曲面を有し、
    前記第１電極は、平面視で少なくとも前記第１発光素子及び前記第２発光素子の前記第３半導体層の端部と重なり、
    前記第１ミラーと前記第２ミラーとは、前記第１電極と電気的に接続される、発光装置。
  2. 請求項１において、
    前記基体と前記第１発光素子との間、および前記基体と前記第２発光素子との間に設けられるバッファー層と、
    前記バッファー層と電気的に接続され、前記第１電極と隙間を介して配置される第２電極と、をさらに有し、
    前記バッファー層は、前記第１半導体層と電気的に接続される、発光装置。
  3. 請求項１において、
    前記基体と前記第１発光素子との間、および前記基体と前記第２発光素子との間に設けられる駆動回路基板と、
    前記駆動回路基板と前記第１発光素子との間、および前記駆動回路基板と前記第２発光素子との間に設けられ、絶縁性を有し、複数の貫通孔が設けられたスペーサーと、をさらに有し、
    前記第１発光素子および前記第２発光素子は、前記スペーサーと前記第１半導体層との間に前記駆動回路基板と電気的に接続される第２電極を有し、
    前記第１発光素子の前記第２電極と前記駆動回路基板とは、前記複数の貫通孔のうちの第１貫通孔に設けられた第１コンタクト部材を介して電気的に接続され、
    前記第２発光素子の前記第２電極と前記駆動回路基板とは、前記複数の貫通孔のうちの第２貫通孔に設けられた第２コンタクト部材を介して電気的に接続されている、発光装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    複数の前記柱状部は、フォトニック結晶構造を構成している、発光装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    複数の前記柱状部の最短のピッチは、前記発光層が発する光の波長以下である、発光装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記第１発光素子および前記第２発光素子は、コアシェル構造を有する、発光装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
    前記基体と前記第１発光素子との間、および前記基体と前記第２発光素子との間に設けられた反射層を有する、発光装置。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    前記金属層の熱伝導率は、前記支持部材の熱伝導率よりも高い、発光装置。
  9. 請求項１ないし８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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