JP7779320B2 - 発光デバイスおよび画像表示装置 - Google Patents

発光デバイスおよび画像表示装置

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Description

本開示は、発光デバイスおよびこれを備えた画像表示装置に関する。
例えば、特許文献1では、光取り出し側とは反対側に設けられた第1光反射層に凹面鏡部を設けた発光素子が開示されている。
国際公開第2019/124163号
ところで、マイクロサイズのディスプレイでは、光の取り出し効率の向上が求められている。
光取り出し効率を向上させることが可能な発光デバイスおよび画像表示装置を提供することが望ましい。
本開示の一実施形態の発光デバイスは、対向する第1の面および第2の面を有する第1化合物半導体層と、第1化合物半導体層の第2の面に面する活性層と、活性層に面する第3の面および第3の面と対向する光出射面となる第4の面を有し、第4の面に1または複数の集光構造を有する第2化合物半導体層と、第1化合物半導体層または第2化合物半導体層の層内に設けられた電流狭窄構造とを備えたものであり、1または複数の集光構造は、第2化合物半導体層の第4の面に形成されたナノアンテナまたはフレネルレンズによって構成されている
本開示の一実施形態の画像表示装置は、アレイ状に配列された複数の画素毎に複数の発光デバイスを備えたものであり、複数の発光デバイスとして、上記本開示の一実施形態の発光デバイスを有する。
本開示の一実施形態の発光デバイスおよび一実施形態の画像表示装置では、第1化合物半導体層、活性層および第2化合物半導体層の順に積層された第2化合物半導体層の光出射面に集光構造を設けると共に、第1化合物半導体層または第2化合物半導体層の層内に電流狭窄構造を設けるようにした。これにより、活性層の発光領域を限定し、例えば、複数の発光デバイスの上方に配置され、複数の発光デバイスから出射された光を取り込むレンズの取り込み角に入射する光の割合を増やす。
本開示の一実施の形態に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の一実施の形態に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の一実施の形態に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 図2に示した発光デバイスの製造方法を説明する断面模式図である。 図4Aに続く工程を表す断面模式図である。 図4Bに続く工程を表す断面模式図である。 図4Cに続く工程を表す断面模式図である。 図4Dに続く工程を表す断面模式図である。 図2に示した発光デバイスを複数備えた発光ユニットの構成の一例を表す断面模式図である。 一般的な発光デバイスでの発光位置による集光効果の差を説明する図である。 一般的な発光デバイスでの発光位置による集光効果の差を説明する図である。 一般的な発光デバイスでの発光位置による集光効果の差を説明する図である。 本開示の変形例1に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例1に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例2に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例2に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例3に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例3に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例4に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例4に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例4に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例5に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例5に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例5に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例6に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 図19に示した発光デバイスを複数備えた発光ユニットの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例7に係る発光デバイスの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例7に係る発光デバイスの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例8に係る発光ユニットの構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例8に係る発光ユニットの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例8に係る発光ユニットの構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の適用例1に係る画像表示装置の構成の一例を表す斜視図である。 図26に示した画像表示装置のレイアウトの一例を表す模式図である。 本開示の適用例2に係る画像表示装置の構成の一例を表す斜視図である。 図28に示した実装基板の構成を表す斜視図である。 図29に示したユニット基板の構成を表す斜視図である。 本開示の適用例3に係る画像表示装置の例を表す図である。
以下、本開示における一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
1.実施の形態(第1クラッド層に電流狭窄領域を設け、第2クラッド層の光出射面をレンズ形状とした発光デバイスの例)
2.変形例1(第2クラッド層の光出射面に複数のレンズを設けた例)
3.変形例2(第1クラッド層にメサ部を設けた例)
4.変形例3(第1クラッド層に溝を設けた例)
5.変形例4(第2電極の他の構造例)
6.変形例5(発光デバイスの側面にミラー構造を設けた例)
7.変形例6(レンズ形状の他の例)
8.変形例7(複数の活性層を設けた例)
9.変形例8(発光ユニットの構成の他の例)
10.適用例1(画像表示装置の例)
11.適用例2(画像表示装置の例)
12.適用例3(画像表示装置の例)
<1.実施の形態>
図1は、本開示の一実施の形態に係る発光デバイス1の断面構成の一例を模式的に表したものである。図2は、本開示の一実施の形態に係る発光デバイス1の断面構成の他の例を模式的に表したものである。発光デバイス1は、例えば、画像表示装置(例えば、画像表示装置100、図26参照)の表示画素Pに好適に用いられるものである。
[発光デバイスの構成]
発光デバイス1は、第1クラッド層11と、活性層12と、第2クラッド層13とがこの順に積層されたものである。発光デバイス1は、第2クラッド層13側が光出射面となっている。第1クラッド層11は、対向する一対の面(面11S1および面11S2)を有し、層内に電流狭窄構造を有する。活性層12は、第1クラッド層11の面11S2に積層されている。第2クラッド層13は、対向する一対の面(面13S1および面13S2)を有し、面13S1は活性層12と対向する。面13S2は光出射面となっており、集光構造(レンズ13L)を有している。第1クラッド層11の面11S1および第2クラッド層13の面13S2には、それぞれ、第1電極14および第2電極15がそれぞれ設けられている。
第1クラッド層11は、本開示の「第1化合物半導体層」の一具体例に相当し、例えばn型のGaN系の化合物半導体材料により形成されている。第1クラッド層11の層内には、電流狭窄構造が設けられている。
電流狭窄構造は、電流に狭窄作用を付与するものである。電流狭窄構造は、電流注入領域11Aおよび電流狭窄領域11Bを有する。電流注入領域11Aは、例えば、平面視において、第1クラッド層11の略中央に設けられている。電流狭窄領域11Bは、電流注入領域11Aの周囲に設けられている。電流狭窄領域11Bは絶縁性を有し、例えば、不純物を第1クラッド層11の表面(例えば、面11S1)側からのイオン注入することにより形成することができる。この他、第1クラッド層11の側面から酸化することでも形成することができる。また、後述する発光デバイス1の製造工程において第1クラッド層11を、エピタキシャル結晶成長を用いて形成する際に、電流狭窄領域11B部分をマスクして電流注入領域11A部分を結晶成長させた後、電流狭窄領域11B部分を結晶成長させることでも形成することができる。電流狭窄構造を設けることにより、第1電極14から活性層12に注入される電流の狭窄がなされ、電流注入効率が高められる。
電流狭窄構造は、例えば図3に示したように、第1クラッド層11から第2クラッド層13まで形成されていてもよい。また、電流注入領域11Aは、平面視において、必ずしも第1クラッド層11の略中央に設けられていなくてよい。例えば、後述する画像表示装置100において表示領域100Aの周縁部に配置される発光デバイス1では、電流注入領域11Aのピッチと、集光構造(例えば、レンズ13L)とを発光デバイス1の中央からずらし、最大放射角度を変えるような設計としてもよい。これにより、発光デバイス1から画像を受けるレンズ側の収差等から生じる集光効率の面内のばらつきを補正することができる。
活性層12は、自然放出光の放出および増幅を行うものであり、第1電極14および第2電極15から注入された正孔および電子が発光再結合して誘導放出光を発生するようになっている。活性層12は、例えば、量子井戸層(図示せず)と障壁層(図示せず)とが交互に複数積層された多重量子井戸(MQW)構造を有していている。活性層12は、層内に、電流狭窄構造に応じた発光領域を有している。
第2クラッド層13は、本開示の「第2化合物半導体層」の一具体例に相当し、例えばp型のGaN系の化合物半導体材料により形成されている。第2クラッド層13は、活性層12と対向する面13S1とは反対側の面13S2が光出射面となっており、面13S2には集光構造が設けられている。集光構造は、例えば凸型のレンズ13Lである。
レンズ13Lは、例えば後述する画像表示装置100の表示画素Pを構成する色画素Pr,Pg,Pb各々のピッチ(色画素ピッチ)以下であればよい。具体的には、レンズ13Lは、例えば図1に示したように、発光デバイス1の外径と同程度の外径を有していてもよいし、例えば図2に示したように、発光デバイス1の外径よりも小さくてもよい。レンズ13Lは、第2クラッド層13と同じ材料によって構成されており、例えば、第2クラッド層13をエッチングすることにより形成することができる。
第1電極14は、第1クラッド層11に接すると共に、第1クラッド層11に電気的に接続されている。つまり、第1電極14は第1クラッド層11とオーミック接触している。第1電極14は、例えば金属電極であり、例えばニッケル(Ni)と金(Au)との多層膜(Ni/Au)として構成されている。この他、第1電極14は、例えばインジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電材料を用いて形成するようにしてもよい。
第2電極15は、第2クラッド層13に接すると共に、第2クラッド層13に電気的に接続されている。つまり、第2電極15は第2クラッド層13とオーミック接触している。第2電極125は、例えばITO等の透明導電材料を用いて形成されている。
[発光デバイスの製造方法]
発光デバイス1は、例えば、次のようにして製造することができる。図4A~図4Eは、発光デバイス1の製造工程の一例を表したものである。
まず、図4Aに示したように、第2クラッド層13、活性層12および第1クラッド層11をこの順に積層形成する。第1クラッド層11、活性層12および第2クラッド層13は、例えば、それぞれ、有機金属化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等の方法を用いたエピタキシャル結晶成長により形成することができる。
次に、図4Bに示したように、第1クラッド層11上に、レジスト膜21を所定のパターンで形成する。続いて、図4Cに示したように、例えばイオン注入により、レジスト膜21から露出した第1クラッド層11の不純物濃度を制御して電流狭窄領域11Bを形成する。その後、レジスト膜21を除去し、第1クラッド層11上に第1電極14を形成する。
次に、図4Dに示したように、第2クラッド層13上に、所望のレンズ形状を有するレジスト膜22を形成する。続いて、図4Eに示したように、レジスト膜22をマスクとして、例えばエッチングにより第2クラッド層13を加工する。これにより、第2クラッド層13の表面には、例えば突状のレンズ13Lを形成される。その後、第2クラッド層13上に第2電極15を形成する。これにより、図1や図2に示した発光デバイス1が完成する。
[発光ユニットの構成]
後述する画像表示装置100では、複数の発光デバイス1が表示領域100Aに2次元アレイ状に配置される。図5は、例えば、画像表示装置100の表示画素P毎に配設される発光ユニットの断面構成を模式的に表したものである。
発光ユニットは、例えば、複数の発光デバイス1が一列に配置されたものである。発光ユニットは、例えば、複数の発光デバイス1の配設方向に延在する細長い形状となっている。画像表示装置100の表示画素Pは、例えば20μm以下のピッチで配列された、例えばRGBに対応する3つの色画素Pr,Pg,Pbを含んでおり、発光ユニットは、各色画素Pr,Pg,Pb毎に1つずつ発光デバイス1が配置されるように、例えば3つの発光デバイス1が一列に、駆動基板31上に実装される。
[作用・効果]
本実施の形態の発光デバイス1は、第1クラッド層11、活性層12および第2クラッド層13の順に積層された第2クラッド層13の光出射面(面13S2)を加工してレンズ13Lを設けると共に、第1クラッド層11内に電流注入領域11Aおよび電流狭窄領域11Bを設けるようにした。これにより、活性層12の発光領域を限定し、例えば略正面方向に集光可能なレンズ13Lの取り込み角(例えば、約±10°)に入射する光の割合を増やす。以下、これについて説明する。
有機エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイ等に用いられるマイクロサイズのパネル光源(以下、マイクロディスプレイと称す)では、小さな光源から出射される光を有効活用するために、レンズにより集光効率を高めている。
マイクロサイズの発光ダイオード(LED)は輝度が高く、マイクロディスプレイの光源として有効である。しかしながら、LEDは、素子サイズが小さくなるほど非発光な端面の寄与が大きくなり、光取り出し効率が大きく低下する。
マイクロディスプレイのように画素のピッチサイズが小さなディスプレイでは、ピッチサイズの制約から径の大きなレンズが置けないため、レンズのサイズと光源(LED)のサイズとが近くなり、集光効果が低下する。特に、赤色LEDはペリフェリ部の劣化が顕著であり、ペリフェリ部の劣化を回避する方法として素子サイズ(活性層の面積)を大きくする方法がとられるが、マイクロディスプレイでは、ピッチサイズの制約から上記方法をとることは難しい。
図6A~図6Cは、上記のように、レンズ1016のサイズと光源(活性層1012)のサイズとが略同じとなる一般的な発光デバイス1000の発光位置による集光効果を表したものである。一般的な発光デバイス1000では、第1クラッド層1011、活性層1012および第2クラッド層1013が順に積層された半導体積層体を間にして第1電極1014および第2電極1015が形成され、例えば第2電極1015の上方にレンズ1016が配設される。このような発光デバイス1000では、例えば図6Aに示したように、活性層1012の略中央において発せられた光はレンズ1016によって効率良く正面方向に取り出されるものの、図6Bおよび図6Cに示したように、外側に行くにつれて正面方向に取り出される光の量は少なくなる。
ところで、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)に代表される半導体レーザ(LD)では、レンズと電流狭窄構造とを用いた素子構造が提案されている。しかしながら、LDの活性層から発せられる光は、キャビティによってコヒーレントな光となる。このコヒーレントな光の広がりは、キャビティ長等のレージングのパラーメータと関連しており、活性層の狭窄サイズを限定しても変わらない。このため、LDにおける技術を、インコヒーレントな光を発するLEDに適用しても、同様の効果を得ることは難しい。
これに対して本実施の形態では、第1クラッド層11、活性層12および第2クラッド層13の順に積層された第2クラッド層13の光出射面(面13S2)を加工してレンズ13Lを設けると共に、第1クラッド層11内に電流注入領域11Aおよび電流狭窄領域11Bを設け、活性層12の発光領域を、例えばレンズ13Lの集光効率の高い、レンズ13Lの焦点およびその近傍に限定した。これにより、レンズ13Lの取り込み角に入射する光の割合が増加する。
以上により、本実施の形態の発光デバイス1では、光の取り出し効率を向上させることが可能となる。
また、LEDは、上述したように、素子サイズを小さくなると、端面における非発光再結合の割合が増大し、電力効率が大きく低下する。これに対して、本実施の形態では、上記のように電流狭窄構造として、例えば第1クラッド層11内に電流注入領域11Aおよび電流狭窄領域11Bを設け、活性層12の発光領域を限定したので、電力効率を向上させることが可能となる。
更に、本実施の形態では、第2クラッド層13を加工して第2クラッド層13の面13S2にレンズ13Lを設けるようにした。これにより、レンズを別途、発光デバイスの上方に配設する場合と比較して、結晶とレンズ面での境界反射損失や、レンズと発光点との距離が削減される。また、製造工程の削減や素子サイズの縮小(微細化)が可能となる。更に、エピタキシャル結晶成長により形成された第2クラッド層13そのものをレンズ13Lとして用いることにより、その大きな屈折率から広角の光を取り込むことが可能となる。よって、一般的な発光デバイス(例えば、発光デバイス1000)においてレンズとLEDとの間に発生するフレネル反射による効率の低下を低減することが可能となる。
次に、本開示の変形例1~8について説明する。なお、上記実施の形態の発光デバイス1に対応する構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
<2.変形例1>
図7は、本開示の変形例1に係る発光デバイス1Aの断面構成の一例を模式的に表したものである。発光デバイス1Aは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
上記実施の形態では、1つの発光デバイス1において、第2クラッド層13の面13S1に1つのレンズ13Lを設けた例を示したが、これに限らない。例えば図7に示したように、1つの発光デバイス1Aにおいて、第2クラッド層13の面13S1に2つまたはそれ以上のレンズ13Lを設けるようにしてもよい。
また、複数のレンズ13Lを設ける場合には、例えば図8に示したように、レンズ13Lの数に応じて、複数の電流注入領域11Aを複数設けるようにしてもよい。これにより、活性層12の発光領域は、複数のレンズ13Lそれぞれの焦点およびその近傍毎に限定される。
このように、本変形例では、1つの発光デバイス1において複数のレンズ13Lを設けるようにしたので、上記実施の形態の効果に加えて、注入効率が良い部分を効率よく用いることが可能となる。
<3.変形例2>
図9は、本開示の変形例2に係る発光デバイス1Bの断面構成の一例を模式的に表したものである。図10は、本開示の変形例2に係る発光デバイス1Bの断面構成の他の例を模式的に表したものである。発光デバイス1Bは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
電流狭窄構造は、例えば図9に示したように、第1クラッド層11の周縁部を研削したメサ部Mによって構成してもよい。あるいは、例えば図10に示したように、第1クラッド層11の所望の領域(例えば、略中央部分)を囲む溝11Xを設け、溝11Xの内側の第1クラッド層11の面11S1に第1電極14を設けた構成としてもよい。
このように、本変形例では、第1クラッド層11にメサ部Mや溝11Xを設けることにより、機械的に第1電極14から活性層12に注入される電流を狭窄するようにした。これにより、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
<4.変形例3>
図11は、本開示の変形例3に係る発光デバイス1Cの断面構成の一例を模式的に表したものである。発光デバイス1Cは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
上記実施の形態では、レンズ13Lを覆うように第2電極15を設けた例を示したが、第2電極15は、例えば図11に示したように、レンズ13Lの周囲の平坦な第2クラッド層13の面13S2に設けるようにしてもよい。その際には、第2電極15は、例えば、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)との多層膜(Ti/Al)やクロム(Cr)と金(Au)との多層膜(Cr/Au)等の金属電極として形成することができる。
また、上記実施の形態のように、第2電極15をレンズ13L上に設ける場合には、例えば図12に示したように、レンズ13Lの周囲の平坦な第2クラッド層13の面13S2に光反射膜16を形成するようにしてもよい。光反射膜16は、活性層12において発せられる光に対して入射角度に依らず高い反射率を有する材料を用いて形成することが好ましい。このような材料としては、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)および白金(Pt)が挙げられる。この他に、例えば、チタン(Ti)、銅(Cu)またはニッケル(Ni)あるいはそれらの合金等を用いるようにしてもよい。
このように、本変形例では、第2電極15としてレンズ13Lの周囲の平坦な第2クラッド層13の面13S2に金属電極を設けるようにした。また、第2電極15をレンズ13L上に設ける場合には、レンズ13Lの周囲の平坦な第2クラッド層13の面13S2に光反射膜16を形成するようにした。これにより、レンズ13L部分以外の第2クラッド層13の面13S2に入射する光が第2電極15あるいは光反射膜16によって反射されるようになり、結果としてレンズ13Lの取り込み角に入射する光の確率が高まる。よって、上記実施の形態と比較して、光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。
<5.変形例4>
図13は、本開示の変形例4に係る発光デバイス1Dの断面構成の一例を模式的に表したものである。発光デバイス1Dは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
本変形例の発光デバイス1Dは、側面にミラー構造を設けた点が、上記実施の形態の発光デバイス1とは異なる。具体的には、例えば図13に示したように、発光デバイス1Dの側面は、第1クラッド層11から第2クラッド層13にかけて連続する傾斜面とし、その周囲を光反射膜17Aで覆うようにしてもよい。この他、例えば図14に示したように、発光デバイス1Dの側面をミラー構造としてもよい。あるいは、例えば図15に示したように、発光デバイス1Dの側面をパラボリックミラー構造としてもよい。または、発光デバイス1Dの側面はフレネルミラー構造としてもよい。
このように、本変形例では、発光デバイス1Dの側面にミラー構造を設けるようにしたので、活性層12において発せられた光のうち、図13~図15に示した矢印のように光出射面(面13S2)側に向かわなかった光が発光デバイス1Dの側面のミラー構造によって繰り返し反射されることにより、最終的には光出射面(面13S2)に向かう光となってレンズ13Lから取り出されるようになる。よって、上記実施の形態と比較して、光取り出し効率をさらに向上させることが可能となる。
<6.変形例5>
図16は、本開示の変形例5に係る発光デバイス1Eの断面構成の一例を模式的に表したものである。図17は、本開示の変形例5に係る発光デバイス1Eの断面構成の他の例を模式的に表したものである。図18は、本開示の変形例5に係る発光デバイス1Eの断面構成の他の例を模式的に表したものである。発光デバイス1Eは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
上記実施の形態では、集光構造として、第2クラッド層13の面13L2に凸状のレンズ13Lを形成した例を示したが、レンズ13Lの形状はこれに限定されない。例えば図16に示したように、レンズ13Lの表面の一部が平坦面となっていてもよい。あるいは、集光構造は、例えば図17に示したように、ナノアンテナ13LAによって構成されていてもよいし、例えば図18に示したように、フレネルレンズ13LBによって構成されていてもよく、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
<7.変形例6>
図19は、本開示の変形例6に係る発光デバイス1Fの断面構成の一例を模式的に表したものである。発光デバイス1Fは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
活性層12は、例えば図19に示したように、例えばRGBに対応する光(赤色光Lr,緑色光Lgおよび青色光Lb)をそれぞれ発する複数の層12R,12G,12Bから構成されていてもよい。
図20は、図19に示した発光デバイス1Fを用いた発光ユニットの断面構成を模式的に表したものである。図20に示した発光ユニットは、RGBに対応する発光デバイス1Fr,1Fg,1Fbが一列に配置されている。
発光デバイス1Fでは、例えば、青色光Lbを発する層12B、緑色光Lgを発する層12Gおよび赤色光Lrを発する層12Rがこの順に積層されており、層12B,12G,12Rの間には、それぞれ、例えば第1クラッド層11と同様の構成を有する化合物半導体層が設けられている。図20に示した発光ユニットにおいて色画素Pr,Pg,Pbにそれぞれ配設される発光デバイス1Fr,1Fg,1Fbは、連続する半導体層を有している。詳しくは、色画素Pbには第1クラッド層11、層12B,12G,12Rを含む活性層12および第2クラッド層13からなる発光デバイス1Fbが配設されている。発光デバイス1Fbは、第1電極14を介して駆動基板31上に実装されている。色画素Pgには第1クラッド層11および層12Bが除去され、層12Bと12Gとの間の化合物半導体層が第1クラッド層11を兼ねる発光デバイス1Fgが配設されている。発光デバイス1Fgは、第1電極14、バンプ32およびパッド電極33を介して駆動基板31上に実装されている。色画素Prには層12B,12Gが除去され、層12Gと層12Rとの間の化合物半導体層が第1クラッド層11を兼ねる発光デバイス1Frが配設されている。発光デバイス1Frは、第1電極14、バンプ34およびパッド電極35を介して駆動基板31上に実装される。図20に示した発光ユニットでは、層12Rおよび第2クラッド層13が共通層として発光デバイス1Fr,1Fg、1Fbに亘って形成されている。
なお、RGBに対応する複数の層12R,12G,12Bが積層された発光デバイスを各色画素Pr,Pg,Pbに配設する用いる場合には、第2化合物半導体層の面13S2に設けられるレンズ13Lは、図20に示したように、各層12R,12G,12Bの位置に焦点を有する形状とすることが好ましい。
また、図20では、発光デバイス1Fr、発光デバイス1Fgおよび発光デバイス1Fbがこの順に一列に配設されている例を示したが、発光ユニットにおける発光デバイス1Fr、発光デバイス1Fgおよび発光デバイス1Fのそれぞれの位置は、これに限定されるものではない。更に、図20では、発光デバイス1Fg,1Frがそれぞれ、バンプ32,34およびパッド電極33,35を介して実装基板上に実装された例を示したが、駆動基板31への実装には、例えばCu-Cu接合等の他の接合方法を用いてもよい。
<8.変形例7>
図21は、本開示の変形例7に係る発光デバイス1Gの断面構成の一例を模式的に表したものである。発光デバイス1Gは、上記実施の形態における発光デバイス1と同様に、例えば、画像表示装置100の表示画素Pに好適に用いられるものである。
上記実施の形態では、例えば、p型のGaN系の化合物半導体材料により形成された第2クラッド層13側から光が取り出される例を示したが、これに限らない。例えば、図21に示したように、n型のGaN系の化合物半導体材料により形成された第1クラッド層11の面11S1にレンズ11Lを設け、第1クラッド層11側から光を取り出すようにしてもよい。
また、電流狭窄構造は、例えば図21に示したように、光出射面(面11S1)側に設けるようにしてもよい。本変形例では、第2クラッド層13が、本開示の「第1化合物半導体層」に相当し、第1クラッド層11が、本開示の「第2化合物半導体層」に相当する。
更に、例えば図22に示したように、光出射面(面11S1)とは反対側の、例えば第2クラッド層13の面13S2に凹面鏡構造13LXを設けるようにしてもよい。これにより、光出射面(面11S1)側とは反対側に向かう光を、効率良く光出射面(面11S1)側に反射させることが可能となる。
<9.変形例8>
図23は、本開示の変形例7に係る発光ユニットの断面構成の一例を模式的に表したものである。上記実施の形態では、互いに分離された3つの発光デバイス1を駆動基板31上に実装して発光ユニットとした例を示したが、これら3つの発光デバイスを構成する第1クラッド層11、活性層12および第2クラッド層13は、3つの発光デバイスに対する共通層として、互いに連続していてもよい。これにより、フェリペリー劣化による端面非発光の発生を低減することが可能となる。
また、図23に示したように、複数の発光デバイスに対して第1クラッド層11、活性層12および第2クラッド層13を共通層として用いる場合には、例えば図24に示したように、隣り合う発光デバイスの間を電気的あるいは光学的に分離する分離領域18を設けるようにしてもよい。分離領域18は、例えば、水素やボロン等を、例えば第2クラッド層13側から注入することにより形成することができる。この他、例えば図25に示したように、例えば、活性層12を残して、第1クラッド層11および第2クラッド層13にそれぞれ溝11X,13Xを設けて互いに電気的に分離するようにしてもよい。
<10.適用例1>
図26は、画像表示装置(画像表示装置100)の概略構成の一例を表した斜視図である。画像表示装置100は、表示画素Pに本開示の発光デバイス(例えば、発光デバイス1)が用いられている。画像表示装置100は、例えば図26に示したように、表示パネル110と、表示パネル110を駆動する制御回路140とを備えている。
表示パネル110は、実装基板120と、透明基板130とを互いに重ね合わせたものである。透明基板130の表面が映像表示面となっており、中央部分に表示領域100Aを有し、その周囲に、非表示領域であるフレーム領域100Bを有している。
図27は、実装基板120の透明基板130側の表面のうち表示領域100Aに対応する領域の配線レイアウトの一例を表したものである。実装基板120の表面のうち表示領域100Aに対応する領域には、例えば図27に示したように、複数のデータ配線1021が所定の方向に延在して形成されており、かつ所定のピッチで並列配置されている。実装基板120の表面のうち表示領域100Aに対応する領域には、さらに、例えば、複数のスキャン配線1022がデータ配線1021と交差(例えば、直交)する方向に延在して形成されており、且つ、所定のピッチで並列配置されている。データ配線1021およびスキャン配線1022は、例えば、Cu等の導電性材料からなる。
スキャン配線1022は、例えば、最表層に形成されており、例えば、基材表面に形成された絶縁層(図示せず)上に形成されている。なお、実装基板120の基材は、例えば、シリコン基板または樹脂基板等からなり、基材上の絶縁層は、例えば、SiN、SiO、酸化アルミニウム(AlO)または樹脂材料からなる。一方、データ配線1021は、スキャン配線1022を含む最表層とは異なる層(例えば、最表層よりも下の層)内に形成されており、例えば、基材上の絶縁層内に形成されている。
データ配線1021とスキャン配線1022との交差部分の近傍が表示画素Pとなっており、複数の表示画素Pが表示領域100A内において、例えばマトリクス状に配置されている。各表示画素Pは、例えばRGBに対応する色画素Pr,Pg,Pbを有し、各色画素Pr,Pg,Pbには、それぞれ、対応する発光デバイス1R,1G,1Bが実装されている。図27では、3つの発光デバイス1R,1G,1Bで一つの表示画素Pが構成されており、発光デバイス1Rから赤色光を、発光デバイス1Gから緑色光を、発光デバイス1Bから青色光をそれぞれ出力することができるようになっている場合が例示されている。
発光デバイス1には、例えば色画素Pr,Pg,Pbごとに一対、または一方が共通且つ他方が色画素Pr,Pg,Pb毎に配置される端子電極が設けられている。そして、一方の端子電極がデータ配線1021に電気的に接続されており、他方の端子電極がスキャン配線1022に電気的に接続されている。例えば、一方の端子電極は、データ配線1021に設けられた分枝1021Aの先端のパッド電極1021Bに電気的に接続されている。また、例えば、他方の端子電極は、スキャン配線1022に設けられた分枝1022Aの先端のパッド電極1022Bに電気的に接続されている。
パッド電極1021B,1022Bは、例えば、最表層に形成されており、例えば、図27に示したように、発光デバイス1が実装される部位に設けられている。ここで、パッド電極121B,122Bは、例えば、Au(金)等の導電性材料からなる。
実装基板120には、さらに、例えば、実装基板120と透明基板130との間の間隔を規制する複数の支柱(図示せず)が設けられている。支柱は、表示領域100Aとの対向領域内に設けられていてもよいし、フレーム領域100Bとの対向領域内に設けられていてもよい。
透明基板130は、例えば、ガラス基板または樹脂基板等からなる。透明基板130において、発光デバイス1側の表面は平坦となっていてもよいが、粗面となっていることが好ましい。粗面は、表示領域100Aとの対向領域全体に亘って設けられていてもよいし、表示画素Pとの対向領域にだけ設けられていてもよい。粗面は、色画素Pr,Pg,Pbから発せられた光が当該粗面に入細かな凹凸を有している。粗面の凹凸は、例えば、サンドブラストやドライエッチング等によって作製することができる。
制御回路140は、映像信号に基づいて各表示画素P(各発光デバイス1)を駆動するものである。制御回路140は、例えば、表示画素Pに接続されたデータ配線1021を駆動するデータドライバと、表示画素Pに接続されたスキャン配線1022を駆動するスキャンドライバとにより構成されている。制御回路140は、例えば、図26に示したように、表示パネル110とは別体で設けられ且つ配線を介して実装基板120と接続されていてもよいし、実装基板120上に実装されていてもよい。
なお、図26に示した画像表示装置100は、パッシブマトリクス型の画像表示装置の一例である。本実施の形態の発光デバイス1は、パッシブマトリクス型の画像表示装置(画像表示装置100)に限らず、アクティブマトリクス型の画像表示装置にも適用することができる。なお、アクティブマトリクス型の画像表示装置では、例えば、図26に示したフレーム領域100Bは不要となる。
<11.適用例2>
図28は、本開示の発光デバイス(例えば、発光デバイス1)を用いた画像表示装置の他の構成例(画像表示装置200)を表した斜視図である。画像表示装置200は、所謂タイリングディスプレイと呼ばれるものである。画像表示装置200は、例えば、図28に示したように、表示パネル210と、表示パネル210を駆動する制御回路240とを備えている。
表示パネル210は、実装基板220と、対向基板230とを互いに重ね合わせたものである。対向基板230の表面が映像表示面となっており、中央部分に表示領域を有し、その周囲に、非表示領域であるフレーム領域を有している(いずれも図示せず)。対向基板230は、例えば、所定の間隙を介して、実装基板220と対向する位置に配置されている。なお、対向基板230が、実装基板220の上面に接していてもよい。
図29は、実装基板220の構成の一例を模式的に表したものである。実装基板220は、例えば、図29に示したように、タイル状に敷き詰められた複数のユニット基板250により構成されている。なお、図29では、9つのユニット基板250により実装基板220が構成される例を示したが、ユニット基板250の数は、10以上であってもよいし、8以下であってもよい。
図30は、ユニット基板250の構成の一例を表したものである。ユニット基板250は、例えば、タイル状に敷き詰められた複数の発光デバイス1と、各発光デバイス1を支持する支持基板260とを有している。各ユニット基板250は、さらに、制御基板(図示せず)を有している。支持基板260は、例えば、金属フレーム(金属板)、もしくは、配線基板等で構成されている。支持基板260が配線基板で構成されている場合には、制御基板を兼ねることも可能である。このとき、支持基板260および制御基板の少なくとも一方が、各発光デバイス1と電気的に接続されている。
<12.適用例3>
図31は、透明ディスプレイ300の外観を表したものである。透明ディスプレイ300は、例えば表示部310と、操作部311と、筐体312とを有している。表示部310には、本開示の発光装置(例えば、発光デバイス1)が用いられている。この透明ディスプレイ300では、表示部310の背景を透過しつつ、画像や文字情報を表示することが可能である。
透明ディスプレイ300では、実装基板は、光透過性を有する基板が用いられている。発光デバイス1に設けられる各電極は、実装基板と同様に光透過性を有する導電性材料を用いて形成されている。あるいは、各電極は、配線幅を補足したり、配線の厚みを薄くすることで、視認されにくい構造となっている。また、透明ディスプレイ300は、例えば、駆動回路を備えた液晶層を重ね合わせることで黒表示を可能となり、液晶の配光方向を制御することにより、透過と黒表示とのスイッチングが可能となる。
以上、実施の形態および変形例1~8ならびに適用例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記変形例1~8のうちの2以上を組み合わせてもよい。
また、上記実施の形態等では、RGBに対応する光を発する発光ユニットを示したが、発光ユニットの構成はこれに限らない。例えば、発光ユニットは、例えばRGやRBのように2色の光を発する構成としてもよい。あるいは、RGBWのように4色以上の光を発する発光ユニットとし構成すとしてもよい。更に、例えば図20では、色画素Pr,Pg,Pbを含む表示画素Pを一単位とする発光ユニットを示したが、発光ユニットの構成はこれに限らない。発光ユニットは、例えば、画像表示装置100の表示領域100A全体を一単位とした構成としてもよい。その場合、駆動基板31上には、色画素Pr,Pg,Pbに対応する各発光デバイス1Fr,1Fg,1Fbがモザイク状に規則的に配置される。
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であってその記載に限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
本技術は以下のような構成を取ることも可能である。以下の構成の本技術によれば、第1化合物半導体層、活性層および第2化合物半導体層の順に積層された第2化合物半導体層の光出射面に集光構造を設けると共に、第1化合物半導体層または第2化合物半導体層の層内に電流狭窄構造を設けるようにした。これにより、活性層の発光領域を限定し、レンズの取り込み角に入射する光の割合を増やす。よって、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
(1)
対向する第1の面および第2の面を有する第1化合物半導体層と、
前記第1化合物半導体層の第2の面に面する活性層と、
前記活性層に面する第3の面および前記第3の面と対向する光出射面となる第4の面を有し、前記第4の面に1または複数の集光構造を有する第2化合物半導体層と、
前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層の層内に設けられた電流狭窄構造とを備え、
前記1または複数の集光構造は、前記第2化合物半導体層の前記第4の面に形成されたナノアンテナまたはフレネルレンズによって構成されている
を備えた発光デバイス。
(2)
前記電流狭窄構造は、電流注入領域と、前記電流注入領域の周囲に設けられた電流狭窄領域とを有する、前記(1)に記載の発光デバイス。
(3)
前記電流狭窄構造は、前記第1化合物半導体層から前記第2化合物半導体層までまたは前記第2化合物半導体層から前記第1化合物半導体層まで形成されている、前記(1)または(2)に記載の発光デバイス。
(4)
前記電流狭窄構造は、前記第1化合物半導体層の前記第1の面および前記第2化合物半導体層の前記第4の面の少なくとも一方に設けられた溝によって構成されている、前記(1)または(2)に記載の発光デバイス。
(5)
前記電流狭窄構造の前記電流狭窄領域は、前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層に設けられた不純物領域によって構成されている、前記(2)または(3)に記載の発光デバイス。
(6)
前記電流狭窄構造の前記電流狭窄領域は、前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層に設けられた酸化物層によって構成されている、前記(2)または(3)に記載の発光デバイス。
(7)
前記活性層の層内に複数の発光領域を有し、
前記複数の発光領域に対応する前記第4の面のそれぞれに前記1または複数の集光構造が設けられている、前記(1)乃至(6)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(8)
前記活性層は、隣り合う前記複数の発光領域の間を電気的または機械的に分離されている、前記(7)に記載の発光デバイス。
(9
記第1化合物半導体層と電気的に接続された第1電極と、前記第2化合物半導体層と電気的に接続された第2電極とをさらに有し、
前記第2電極は、前記1または複数の集光構造に積層されている、前記(1)乃至(8)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(10)
前記1または複数の集光構造の周囲の前記第4の面は光反射膜が積層されている、前記(9)に記載の発光デバイス。
(11)
前記第1化合物半導体層と電気的に接続された第1電極と、前記第2化合物半導体層と電気的に接続された第2電極とをさらに有し、
前記第2電極は、前記1または複数の集光構造の周囲に設けられている、前記(1)乃至(8)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(12)
前記第1化合物半導体層は、前記電流狭窄構造としてメサ形状を有する、前記(1)乃至(11)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(13)
前記第1化合物半導体層は、前記第1の面に凹面鏡構造を有する、前記(1)乃至(12)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(14)
前記第1化合物半導体層、前記活性層および前記第2化合物半導体層の側面は連続するミラー構造を有する、前記(1)乃至(13)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(15)
前記ミラー構造は、光反射膜、フレネルミラーまたはパラボリックミラーによって構成されている、前記(14)に記載の発光デバイス。
(16)
前記活性層は、互いに波長帯域の異なる光を発する複数の層からなる前記(1)乃至(15)のうちのいずれか1つに記載の発光デバイス。
(17)
アレイ状に配列された複数の画素毎に複数の発光デバイスを備え、
前記複数の発光デバイスは、それぞれ、
対向する第1の面および第2の面を有する第1化合物半導体層と、
前記第1化合物半導体層の第2の面に面する活性層と、
前記活性層に面する第3の面および前記第3の面と対向する光出射面となる第4の面を有し、前記第4の面に1または複数の集光構造を有する第2化合物半導体層と、
前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層の層内に設けられた電流狭窄構造とを有し、
前記1または複数の集光構造は、前記第2化合物半導体層の前記第4の面に形成されたナノアンテナまたはフレネルレンズによって構成されている
を有する画像表示装置。
(18)
前記複数の画素のピッチは20μm以下である、前記(17)に記載の画像表示装置。
(19)
前記複数の集光構造のピッチは、前記複数の画素のピッチ以下である、前記(17)または(18)に記載の画像表示装置。
本出願は、日本国特許庁において2021年8月30日に出願された日本特許出願番号2021-140413号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (19)

  1. 対向する第1の面および第2の面を有する第1化合物半導体層と、
    前記第1化合物半導体層の第2の面に面する活性層と、
    前記活性層に面する第3の面および前記第3の面と対向する光出射面となる第4の面を有し、前記第4の面に1または複数の集光構造を有する第2化合物半導体層と、
    前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層の層内に設けられた電流狭窄構造とを備え、
    前記1または複数の集光構造は、前記第2化合物半導体層の前記第4の面に形成されたナノアンテナまたはフレネルレンズによって構成されている
    発光デバイス。
  2. 前記電流狭窄構造は、電流注入領域と、前記電流注入領域の周囲に設けられた電流狭窄領域とを有する、請求項1に記載の発光デバイス。
  3. 前記電流狭窄構造は、前記第1化合物半導体層から前記第2化合物半導体層までまたは前記第2化合物半導体層から前記第1化合物半導体層まで形成されている、請求項1に記載の発光デバイス。
  4. 前記電流狭窄構造は、前記第1化合物半導体層の前記第1の面および前記第2化合物半導体層の前記第4の面の少なくとも一方に設けられた溝によって構成されている、請求項1に記載の発光デバイス。
  5. 前記電流狭窄構造の前記電流狭窄領域は、前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層に設けられた不純物領域によって構成されている、請求項2に記載の発光デバイス。
  6. 前記電流狭窄構造の前記電流狭窄領域は、前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層に設けられた酸化物層によって構成されている、請求項2に記載の発光デバイス。
  7. 前記活性層の層内に複数の発光領域を有し、
    前記複数の発光領域に対応する前記第4の面のそれぞれに前記1または複数の集光構造が設けられている、請求項1に記載の発光デバイス。
  8. 前記活性層は、隣り合う前記複数の発光領域の間を電気的または機械的に分離されている、請求項7に記載の発光デバイス。
  9. 前記第1化合物半導体層と電気的に接続された第1電極と、前記第2化合物半導体層と電気的に接続された第2電極とをさらに有し、
    前記第2電極は、前記1または複数の集光構造に積層されている、請求項1に記載の発光デバイス。
  10. 前記1または複数の集光構造の周囲の前記第4の面は光反射膜が積層されている、請求項9に記載の発光デバイス。
  11. 前記第1化合物半導体層と電気的に接続された第1電極と、前記第2化合物半導体層と電気的に接続された第2電極とをさらに有し、
    前記第2電極は、前記1または複数の集光構造の周囲に設けられている、請求項1に記載の発光デバイス。
  12. 前記第1化合物半導体層は、前記電流狭窄構造としてメサ形状を有する、請求項1に記載の発光デバイス。
  13. 前記第1化合物半導体層は、前記第1の面に凹面鏡構造を有する、請求項1に記載の発光デバイス。
  14. 前記第1化合物半導体層、前記活性層および前記第2化合物半導体層の側面は連続するミラー構造を有する、請求項1に記載の発光デバイス。
  15. 前記ミラー構造は、光反射膜、フレネルミラーまたはパラボリックミラーによって構成されている、請求項14に記載の発光デバイス。
  16. 前記活性層は、互いに波長帯域の異なる光を発する複数の層からなる請求項1に記載の発光デバイス。
  17. アレイ状に配列された複数の画素毎に複数の発光デバイスを備え、
    前記複数の発光デバイスは、それぞれ、
    対向する第1の面および第2の面を有する第1化合物半導体層と、
    前記第1化合物半導体層の第2の面に面する活性層と、
    前記活性層に面する第3の面および前記第3の面と対向する光出射面となる第4の面を有し、前記第4の面に1または複数の集光構造を有する第2化合物半導体層と、
    前記第1化合物半導体層または前記第2化合物半導体層の層内に設けられた電流狭窄構造とを有し、
    前記1または複数の集光構造は、前記第2化合物半導体層の前記第4の面に形成されたナノアンテナまたはフレネルレンズによって構成されている
    画像表示装置。
  18. 前記複数の画素のピッチは20μm以下である、請求項17に記載の画像表示装置。
  19. 前記複数の集光構造のピッチは、前記複数の画素のピッチ以下である、請求項17に記載の画像表示装置。
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