JP2022110674A - 発光装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】発振閾値を低くすることができる発光装置を提供する。【解決手段】欠陥準位の波長帯で発振した光は、第２フォトニック結晶に伝播し、前記第２フォトニック結晶は、前記第２フォトニック結晶におけるΓ点にフォトニックバンド端を有し、前記フォトニックバンド端の波長帯は、前記第１フォトニック結晶から前記第２フォトニック結晶に伝播する光の波長帯と重なり、前記基板の面内方向と直交する方向からみて、前記第１フォトニック結晶を伝搬する光の強度は、前記第１フォトニック結晶における第１点で最大となり、前記第１点の光の強度は、前記第１フォトニック結晶における前記第１点と異なる第２点の光の強度よりも大きく、前記複数の柱状部のうちの第１柱状部は、前記複数の柱状部のうちの第２柱状部よりも、径が大きく、前記第１柱状部は、前記複数の柱状部のうち、最も大きい径を有して、前記第１点の最も近くに設けられている、発光装置。【選択図】図１

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。中でも、ナノコラムを適用した半導体レーザーは、ナノコラムによる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実現できると期待されている。

例えば特許文献１には、活性層を備えたＩＩＩ－Ｖ族半導体からなる柱状結晶を複数含む光デバイスが記載されている。

特開２０１８－１４２６６０号公報

上記のような光デバイスでは、柱状結晶の間には、活性層が存在しないため、光の利得が小さく、発振閾値が高くなる。

本発明に係る発光装置の一態様は、
基板と、
前記基板に設けられ、複数の柱状部を有する第１フォトニック結晶と、
前記基板に設けられた第２フォトニック結晶と、
を有し、
前記複数の柱状部の各々は、発光層を有し、
前記第１フォトニック結晶は、前記第１フォトニック結晶におけるΓ点に欠陥準位を有し、
前記発光層で発生する光は、前記第１フォトニック結晶において前記欠陥準位の波長帯で発振し、
前記第１フォトニック結晶により発振した光は、前記第２フォトニック結晶に伝播し、
前記第２フォトニック結晶は、前記第２フォトニック結晶におけるΓ点にフォトニックバンド端を有し、
前記フォトニックバンド端の波長帯は、前記第１フォトニック結晶から前記第２フォトニック結晶に伝播する光の波長帯と重なり、
前記基板の面内方向と直交する方向からみて、
前記第１フォトニック結晶を伝搬する光の強度は、前記第１フォトニック結晶における第１点で最大となり、
前記第１点の光の強度は、前記第１フォトニック結晶における前記第１点と異なる第２点の光の強度よりも大きく、
前記複数の柱状部のうちの第１柱状部は、前記複数の柱状部のうちの第２柱状部よりも、径が大きく、
前記第１柱状部は、前記複数の柱状部のうち、最も大きい径を有して、前記第１点の最も近くに設けられている。

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平面図。 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の第１フォトニック結晶および第２フォトニック結晶のフォトニックバンド図の一例。 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実施形態に係る発光装置の製造工程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の製造工程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
１．１．１． 全体の構成
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を模式的に示す平面図である。図２は、第１実施形態に係る発光装置１００を模式的に示す図１のＩＩ－ＩＩ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、基板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。発光装置１００は、半導体レーザーである。なお、便宜上、図１では、第１電極５０および第２電極５２の図示を省略している。

発光装置１００は、第１フォトニック結晶６０と、第２フォトニック結晶７０と、を有している。第１フォトニック結晶６０および第２フォトニック結晶７０の詳細な構造については、後述する。

基板１０は、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板などである。

積層体２０は、基板１０に設けられている。図示の例では、積層体２０は、基板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、柱状部３０と、光伝搬層４０と、を有している。

本明細書では、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、発光層３４を基準とした場合、発光層３４から第２半導体層３６に向かう方向を「上」とし、発光層３４から第１半導体層３２に向かう方向を「下」として説明する。また、積層方向と直交する方向を「面内方向」ともいう。また、「積層体２０の積層方向」とは、柱状部３０の第１半導体層３２と発光層３４との積層方向のことである。

バッファー層２２は、基板１０上に設けられている。バッファー層２２は、例えば、Ｓｉ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、柱状部３０を形成するためのマスク層２４が設けられている。マスク層２４は、例えば、酸化シリコン層、チタン層、酸化チタン層、酸化アルミニウム層などである。

柱状部３０は、バッファー層２２上に設けられている。柱状部３０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。言い換えれば、柱状部３０は、バッファー層２２を介して基板１０から上方に突出している。柱状部３０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。柱状部３０の平面形状は、例えば、多角形、円である。図１に示す例では、柱状部３０の平面形状は、正六角形である。

柱状部３０の径は、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。柱状部３０の径を５００ｎｍ以下とすることによって、高品質な結晶の発光層３４を得ることができ、かつ、発光層３４に内在する歪を低減することができる。これにより、発光層３４で発生する光を高い効率で増幅することができる。

なお、「柱状部の径」とは、柱状部３０の平面形状が円の場合は、直径であり、柱状部３０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３０の径は、柱状部３０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３０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３０は、複数設けられている。隣り合う柱状部３０の間隔は、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。複数の柱状部３０は、積層方向からみて、所定の方向に所定のピッチで配列されている。図示の例では、複数の柱状部３０は、正方格子状に配置されている。なお、複数の柱状部３０の配置は、特に限定されず、三角格子状に配置されていてもよい。複数の柱状部３０は、フォトニック結晶の効果を発現することができる。

なお、「柱状部のピッチ」とは、所定の方向に沿って隣り合う柱状部３０の中心間の距離である。「柱状部の中心」とは、柱状部３０の平面形状が円の場合は、該円の中心であり、柱状部３０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３０の中心は、柱状部３０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３０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。

柱状部３０は、図２に示すように、第１半導体層３２と、発光層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、基板１０と発光層３４との間に設けられている。第１半導体層３２は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ型のＧａＮ層である。

発光層３４は、第１半導体層３２上に設けられている。発光層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。発光層３４は、電流が注入されることで光を発生させる。発光層３４は、例えば、ウェル層３３と、バリア層３５と、を有している。ウェル層３３およびバリア層３５は、不純物が意図的にドープされていないｉ型の半導体層である。ウェル層３３は、例えば、ＩｎＧａＮ層である。バリア層３５は、例えば、ＧａＮ層である。発光層３４は、ウェル層３３とバリア層３５とから構成されたＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を有している。

なお、発光層３４を構成するウェル層３３およびバリア層３５の数は、特に限定されない。例えば、ウェル層３３は、１層だけ設けられていてもよく、この場合、発光層３４は、ＳＱＷ（Single Quantum Well）構造を有している。

第２半導体層３６は、発光層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、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ層である。第１半導体層３２および第２半導体層３６は、発光層３４に光を閉じ込める機能を有するクラッド層である。

なお、図示はしないが、第１半導体層３２と発光層３４との間に、ｉ型のＩｎＧａＮ層からなるＯＣＬ（Optical Confinement Layer）が設けられていてもよい。また、第２半導体層３６は、ｐ型のＡｌＧａＮ層からなるＥＢＬ（Electron Blocking Layer）を有してもよい。

光伝搬層４０は、隣り合う柱状部３０の間に設けられている。図示の例では、光伝搬層４０は、マスク層２４上に設けられている。光伝搬層４０は、例えば、酸化シリコン層、窒化酸化シリコン層である。光伝搬層４０は、発光層３４で発光した光を伝搬させる。

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、発光層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、Ｃｒ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いる。

第２電極５２は、第２半導体層３６上に設けられている。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、発光層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、第２半導体層３６側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものを用いる。

なお、上記では、ＩｎＧａＮ系の発光層３４について説明したが、発光層３４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。

１．１．２． 第１フォトニック結晶および第２フォトニック結晶
発光装置１００は、図１および図２に示すように、第１フォトニック結晶６０と、第２フォトニック結晶７０と、を有している。第１フォトニック結晶６０および第２フォトニック結晶７０は、図２に示すように、基板１０に設けられている。図示の例では、第１フォトニック結晶６０および第２フォトニック結晶７０は、バッファー層２２を介して基板１０に設けられている。

第１フォトニック結晶６０は、複数の柱状部３０と、光伝搬層４０と、を有している。図１に示す例では、第１フォトニック結晶６０は、２５個の柱状部３０を有している。第１フォトニック結晶６０は、例えば、第１柱状部３０ａと、第２柱状部３０ｂと、第３柱状部３０ｃと、を有している。

第１柱状部３０ａの径は、第２柱状部３０ｂの径および第３柱状部３０ｃの径よりも大きい。第１柱状部３０ａは、複数の柱状部３０のうち最も大きい径を有している。図示の例では、第１柱状部３０ａは、１個設けられている。

第２柱状部３０ｂの径は、第１柱状部３０ａの径よりも小さく、かつ第３柱状部３０ｃの径よりも大きい。第２柱状部３０ｂは、例えば、複数設けられている。図示の例では、第２柱状部３０ｂは、８個設けられている。複数の第２柱状部３０ｂは、第１柱状部３０ａを囲むように設けられている。

第３柱状部３０ｃの径は、第１柱状部３０ａの径および第２柱状部３０ｂの径よりも小さい。第３柱状部３０ｃは、例えば、複数設けられている。図示の例では、第３柱状部３０ｃは、１６個設けられている。複数の第３柱状部３０ｃは、第１柱状部３０ａおよび第２柱状部３０ｂを囲むように設けられている。第２柱状部３０ｂは、第１柱状部３０ａと第３柱状部３０ｃとの間に設けられている。

ここで、図３は、第１フォトニック結晶６０および第２フォトニック結晶７０のフォトニックバンド図の一例である。図３に示すフォトニックバンド図の横軸は、運動量に対応する波数ベクトルであり、縦軸はエネルギーに対応する規格化周波数である。

第１フォトニック結晶６０は、図３に示すように、第１フォトニック結晶６０におけるΓ点に欠陥準位Ｄを有している。発光層３４で発生する光は、第１フォトニック結晶６０のフォトニック結晶の効果により、第１フォトニック結晶６０を面内方向に伝播し、第１フォトニック結晶６０において欠陥準位Ｄの波長帯で発振する。「欠陥準位Ｄの波長帯」とは、欠陥準位Ｄのエネルギーに対応する光の波長帯のことである。第１フォトニック結晶６０では、複数の柱状部３０のうち第１柱状部３０ａで径が最大であり、第１柱状部３０ａから離れるにつれて柱状部３０の径が小さくなる。そのため、第１フォトニック結晶６０は、Γ点に欠陥準位Ｄを有することができる。

第１フォトニック結晶６０を伝搬する光の強度は、図１に示すように、積層方向からみて、第１フォトニック結晶６０における第１点Ｐ１で最大となる。第１点Ｐ１の光の強度は、第１フォトニック結晶６０における第２点Ｐ２の光の強度よりも大きい。第２点Ｐ２は、第１点Ｐ１と異なる点である。複数の柱状部３０は、第１フォトニック結晶６０の第１点Ｐ１に向かうにつれて、径が大きくなる。

第１柱状部３０ａは、複数の柱状部３０のうち、第１点Ｐ１の最も近くに設けられている。図示の例では、第１柱状部３０ａは、第１点Ｐ１に設けられている。積層方向からみて、第１柱状部３０ａは、第１点Ｐ１と重なっている。第２点Ｐ２には、例えば、第２柱状部３０ｂが設けられている。

図示の例では、第１点Ｐ１の位置は、第１フォトニック結晶６０の中心の位置と重なっている。図示の例では、第１フォトニック結晶６０の中心は、最外に位置する複数の第３柱状部３０ｃの中心を結んで形成される図形の中心であり、第１フォトニック結晶６０を内部に含む最小の円の中心である。図示の例では、第１フォトニック結晶６０の平面形状は、光伝搬層４０で規定されており、正方形である。

第２フォトニック結晶７０は、積層方向からみて、第１フォトニック結晶６０を囲んでいる。第２フォトニック結晶７０は、複数の孔７２と、誘電体層７４と、を有する。第２フォトニック結晶７０は、複数の孔７２が設けられた誘電体層７４である。

複数の孔７２は、例えば、正方格子状に設けられている。図示の例では、孔７２は、誘電体層７４を貫通している。柱状部３０のピッチは、例えば、孔７２のピッチよりも大きい。

誘電体層７４は、マスク層２４上に設けられている。誘電体層７４は、例えば、第１フォトニック結晶６０の光伝搬層４０と接している。誘電体層７４は、例えば、酸化シリコン層、窒化酸化シリコン層である。

なお、図示はしないが、孔７２は、充填部材で充填されていてもよい。充填部材の屈折率は、誘電体層７４の屈折率と異なる。

第２フォトニック結晶７０は、図３に示すように、第２フォトニック結晶７０におけるΓ点にフォトニックバンド端を有している。第２フォトニック結晶７０におけるΓ点のフォトニックバンド端Ｂの波長帯は、第１フォトニック結晶６０の欠陥準位Ｄの波長帯と重なっている。「フォトニックバンド端Ｂの波長帯」とは、フォトニックバンド端Ｂのエネルギーに相当する光の波長帯のことである。図示の例では、フォトニックバンド端Ｂおよび欠陥準位Ｄは、同じ周波数を有している。フォトニックバンド端Ｂの波長は、例えば、欠陥準位の波長帯に含まれる。第１フォトニック結晶６０により発振した光は、第２フォトニック結晶７０に伝播する。第２フォトニック結晶７０におけるΓ点のフォトニックバンド端Ｂの波長帯は、第１フォトニック結晶６０から第２フォトニック結晶７０に伝播する光の波長帯と重なる。

なお、複数の柱状部３０および複数の孔７２の周期・形状、および屈折率を取得すれば、図３に示すようなフォトニックバンド図を作成することができる。フォトニックバンド図は、例えば、平面波展開法、有限差分時間領域法、有限要素法などにより計算される。このようなフォトニックバンド図、および出射されるレーザー光の波長により、第１フォトニック結晶６０がΓ点に欠陥準位Ｄを有していること、第２フォトニック結晶７０がΓ点にフォトニックバンド端Ｂを有していること、およびフォトニックバンド端Ｂの波長帯が第１フォトニック結晶６０から第２フォトニック結晶７０に伝播する光の波長帯と重なることを、確認することができる。

第２電極５２は、図２に示すように、第１フォトニック結晶６０上に設けられている。図示の例では、第２電極５２は、第２半導体層３６上および光伝搬層４０上に設けられている。第２電極５２は、第２フォトニック結晶７０上には設けられていない。第２電極５２は、第１フォトニック結晶６０の複数の柱状部３０に電流を注入する電極である。

１．１．３． 動作
発光装置１００では、第１フォトニック結晶６０において、ｐ型の第２半導体層３６、不純物がドープされていないｉ型の発光層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、発光層３４に電流が注入されて発光層３４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。

発光層３４で発生した光は、光伝搬層４０を面内方向に伝搬し、複数の柱状部３０によるフォトニック結晶の効果により定在波を形成して、発光層３４で利得を受けてレーザー発振する。ここで、第１フォトニック結晶６０は、第１フォトニック結晶６０におけるΓ点に欠陥準位を有しているため、図１に示す例では第１フォトニック結晶６０の中心と重なる第１点Ｐ１において最も光の強度が高くなる。第１フォトニック結晶６０において、第１柱状部３０ａは、複数の柱状部３０のうち、最も大きい径を有して、第１点Ｐ１の最も近くに設けられている。そのため、第１フォトニック結晶６０を伝搬する光と、発光層３４と、の重なりを大きくすることができる。これにより、第１フォトニック結晶６０を伝搬する光は、大きな利得を受けて低閾値でレーザー発振する。第１フォトニック結晶６０を伝搬する光は、欠陥準位Ｄの波長帯で発振する。

第１フォトニック結晶６０より発振した光の一部は、第２フォトニック結晶７０側に漏れて、第２フォトニック結晶７０に伝播する。第２フォトニック結晶７０は、第２フォトニック結晶７０におけるΓ点にフォトニックバンド端Ｂを有している。さらに、フォトニックバンド端Ｂの波長帯は、第１フォトニック結晶６０から第２フォトニック結晶７０に伝播する光の波長帯と重なっている。そのため、第２フォトニック結晶７０を面内方向に伝播する光は、第２フォトニック結晶７０におけるフォトニック結晶の効果により、レーザー光として面内方向と交差する方向に回折される。フォトニックバンド端ＢがΓ点の最低次のフォトニックバンド端である場合、光は、面内方向と直交する方向、すなわち、積層方向に出射される。例えば、柱状部３０のピッチを孔７２のピッチよりも大きくことで、フォトニックバンド端ＢをΓ点の最低次のフォトニックバンド端とすることができる。なお、フォトニックバンド端ＢがΓ点にあれば、高次のフォトニックバンド端でも、面内方向と交差する方向に光を出射することができる。

なお、図示はしないが、基板１０とバッファー層２２との間、または基板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、発光層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、基板１０とは反対側からのみ光を出射することができる。反射層は、積層方向からみて、第２フォトニック結晶７０と重なっている。

１．１．４． 作用効果
発光装置１００では、複数の柱状部３０の各々は、発光層３４を有し、第１フォトニック結晶６０は、第１フォトニック結晶６０におけるΓ点に欠陥準位Ｄを有し、発光層３４で発生する光は、第１フォトニック結晶６０において欠陥準位Ｄの波長帯で発振し、第１フォトニック結晶６０により発振した光は、第２フォトニック結晶７０に伝播する。第２フォトニック結晶７０は、第２フォトニック結晶７０におけるΓ点にフォトニックバンド端Ｂを有し、フォトニックバンド端Ｂの波長帯は、第１フォトニック結晶６０から第２フォトニック結晶７０に伝播する光の波長帯と重なる。積層方向からみて、第１フォトニック結晶６０を伝搬する光の強度は、第１フォトニック結晶６０における第１点Ｐ１で最大となり、第１点Ｐ１の光の強度は、第１フォトニック結晶６０における第１点Ｐ１と異なる第２点Ｐ２の光の強度よりも大きい。複数の柱状部３０のうちの第１柱状部３０ａは、複数の柱状部３０のうちの第２柱状部３０ｂよりも、径が大きく、第１柱状部３０ａは、複数の柱状部３０のうち、最も大きい径を有して、第１点Ｐ１の最も近くに設けられている。

そのため、発光装置１００では、複数の柱状部のうち最も大きい径を有する第１柱状部が、複数の柱状部のうち第１点Ｐ１の最も近くに設けられていない場合に比べて、第１フォトニック結晶６０を伝搬する光と、発光層３４と、の重なりを大きくすることができる。これにより、第１フォトニック結晶６０を伝搬する光は、大きな利得を受けることができる。その結果、発光装置１００では、発振閾値を低くすることができる。

発光装置１００では、複数の柱状部３０は、第１フォトニック結晶６０の第１点Ｐ１に向かうにつれて、径が大きくなる。そのため、発光装置１００では、第１フォトニック結晶６０は、Γ点にフォトニックバンド端Ｂを有することができる。

発光装置１００では、複数の柱状部３０に電流を注入する第２電極５２を有する。第２電極５２は、第２フォトニック結晶７０には電流を注入しないため、その分、省電力化を図ることができる。

発光装置１００では、第２フォトニック結晶７０は、積層方向からみて、第１フォトニック結晶６０を囲んでいる。そのため、発光装置１００では、第２フォトニック結晶が第１フォトニック結晶を囲んでいない場合に比べて、第１フォトニック結晶６０から第２フォトニック結晶７０に伝播する光を増やすことができる。

発光装置１００では、第２フォトニック結晶７０は、複数の孔７２が設けられた誘電体層７４である。そのため、発光装置１００では、例えば柱状部を成長させることにより第２フォトニック結晶を形成する場合に比べて、第２フォトニック結晶７０を容易に形成することができる。

発光装置１００では、第２フォトニック結晶７０に伝播した光は、面内方向と交差する方向に回折される。そのため、発光装置１００では、レーザー光を面内方向と交差する方向に出射することができる。

なお、発光装置１００を１画素として取り扱い、この画素を複数配置することで、アクティブ・マトリックス駆動可能なレーザー光源を提供することができる。複数の画素を配置する際に、画素ごとに発光層３４の発光波長を変えることで、マルチカラー映像表示デバイスに利用可能なレーザー光源を提供することができる。

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４および図５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４に示すように、基板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２４を形成する。マスク層２４は、例えば、電子ビーム蒸着法、スパッタ法などにより形成される。

次に、マスク層２４上に誘電体層７４を形成する。誘電体層７４は、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、ＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって形成される。

図５に示すように、誘電体層７４をパターニングして、誘電体層７４に、複数の孔７２および開口部７３を形成する。パターニングは、開口部７３を複数の孔７２が囲むように、行われる。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。本工程により、第２フォトニック結晶７０を形成することができる。

次に、開口部７３によって露出されたマスク層２４をパターニングして、複数の開口部を形成する。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。

図２に示すように、マスク層２４をマスクとしてバッファー層２２上に、第１半導体層３２、発光層３４、および第２半導体層３６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。

次に、複数の柱状部３０の間に光伝搬層４０を形成する。光伝搬層４０は、例えば、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法によって形成される。本工程により、複数の柱状部３０を有する第１フォトニック結晶６０を形成することができる。

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。

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６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２に示すように、第２フォトニック結晶７０は、複数の孔７２を有していた。

これに対し、発光装置２００では、図６に示すように、第２フォトニック結晶７０は、複数のダミー柱状部７６を有している。

複数のダミー柱状部７６は、積層方向からみて、例えば、正方格子状に設けられている。ダミー柱状部７６は、第３半導体層７７と、第４半導体層７８と、を有している。第３半導体層７７は、バッファー層２２上に設けられている。第３半導体層７７の材質は、例えば、第１半導体層３２と同じである。第４半導体層７８は、第３半導体層７７上に設けられている。第４半導体層７８の材質は、例えば、第２半導体層３６と同じである。

ダミー柱状部７６は、発光層を有していない。そのため、ダミー柱状部７６は、発光しない。仮に、ダミー柱状部が発光すると、ダミー柱状部で発光した光の位相と、第１フォトニック結晶６０で発振した光の位相とが異なり、発光装置１００として所望の特性を有するレーザー光を出射することが困難となる。

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および図８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、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する。

発光装置２００の製造方法では、基板１０上にバッファー層２２およびマスク層２４を形成した後、図７に示すように、マスク層２４に、柱状部３０を形成するための開口部と、ダミー柱状部７６を形成するための開口部を形成する。

次に、マスク層２４をマスクとして、バッファー層２２上に第１半導体層３２および第３半導体層７７をエピタキシャル成長させる。

図８に示すように、第１半導体層３２上に発光層３４をエピタキシャル成長させる。発光層３４の成長は、第３半導体層７７を図示せぬマスク層で覆った状態で行う。マスク層は、発光層３４の成長後に除去される。

図６に示すように、発光層３４上に第２半導体層３６をエピタキシャル成長させ、第３半導体層７７上に第４半導体層７８をエピタキシャル成長させる。

次に、複数の柱状部３０の間に光伝搬層４０を形成し、複数のダミー柱状部７６の間に誘電体層７４を形成する。光伝搬層４０および誘電体層７４は、一体的に形成される。本工程により、第１フォトニック結晶６０および第２フォトニック結晶７０を形成することができる。

次に、第１電極５０および第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。

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９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９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光学素子９０２Ｒと、第２光学素子９０２Ｇと、第３光学素子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光学素子９０２Ｒに入射する。赤色光源１００Ｒから出射された光は、第１光学素子９０２Ｒによって集光される。なお、第１光学素子９０２Ｒは、集光以外の機能を有していてもよい。後述する第２光学素子９０２Ｇおよび第３光学素子９０２Ｂについても同様である。

第１光学素子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光学素子９０２Ｇに入射する。緑色光源１００Ｇから出射された光は、第２光学素子９０２Ｇによって集光される。

第２光学素子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光学素子９０２Ｂに入射する。青色光源１００Ｂから出射された光は、第３光学素子９０２Ｂによって集光される。

第３光学素子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、テレビ、テレビのバックライト、イメージャー、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、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）等の光源がある。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

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。

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

発光装置の一態様は、
基板と、
前記基板に設けられ、複数の柱状部を有する第１フォトニック結晶と、
前記基板に設けられた第２フォトニック結晶と、
を有し、
前記複数の柱状部の各々は、発光層を有し、
前記第１フォトニック結晶は、前記第１フォトニック結晶におけるΓ点に欠陥準位を有し、
前記発光層で発生する光は、前記第１フォトニック結晶において前記欠陥準位の波長帯で発振し、
前記第１フォトニック結晶により発振した光は、前記第２フォトニック結晶に伝播し、
前記第２フォトニック結晶は、前記第２フォトニック結晶におけるΓ点にフォトニックバンド端を有し、
前記フォトニックバンド端の波長帯は、前記第１フォトニック結晶から前記第２フォトニック結晶に伝播する光の波長帯と重なり、
前記基板の面内方向と直交する方向からみて、
前記第１フォトニック結晶を伝搬する光の強度は、前記第１フォトニック結晶における第１点で最大となり、
前記第１点の光の強度は、前記第１フォトニック結晶における前記第１点と異なる第２点の光の強度よりも大きく、
前記複数の柱状部のうちの第１柱状部は、前記複数の柱状部のうちの第２柱状部よりも、径が大きく、
前記第１柱状部は、前記複数の柱状部のうち、最も大きい径を有して、前記第１点の最も近くに設けられている。

この発光装置によれば、発振閾値を低くすることができる。

発光装置の一態様において、
前記複数の柱状部は、前記第１フォトニック結晶の前記第１点に向かうにつれて、径が大きくなってもよい。

この発光装置によれば、第１フォトニック結晶は、Γ点にフォトニックバンド端を有することができる。

発光装置の一態様において、
前記複数の柱状部に電流を注入する電極を有してもよい。

この発光装置によれば、電極は、第２フォトニック結晶には電流を注入しないため、その分、省電力化を図ることができる。

発光装置の一態様において、
前記第２フォトニック結晶は、前記面内方向と直交する方向からみて、前記第１フォトニック結晶を囲んでいてもよい。

この発光装置によれば、第１フォトニック結晶から第２フォトニック結晶に伝播する光を増やすことができる。

発光装置の一態様において、
前記第２フォトニック結晶は、複数の孔が設けられた誘電体層であってもよい。

この発光装置によれば、例えば柱状部を成長させることにより第２フォトニック結晶を形成する場合に比べて、第２フォトニック結晶を容易に形成することができる。

発光装置の一態様において、
前記第２フォトニック結晶に伝播した光は、前記面内方向と交差する方向に回折されてもよい。

この発光装置によれば、レーザー光を面内方向と交差する方向に出射することができる。

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。

１０…基板、２０…積層体、２２…バッファー層、２４…マスク層、３０…柱状部、３０ａ…第１柱状部、３０ｂ…第２柱状部、３０ｃ…第３柱状部、３２…第１半導体層、３３…ウェル層、３４…発光層、３５…バリア層、３６…第２半導体層、４０…光伝搬層、５０…第１電極、５２…第２電極、６０…第１フォトニック結晶、７０…第２フォトニック結晶、７２…孔、７３…開口部、７４…誘電体層、７６…ダミー柱状部、７７…第３半導体層、７８…第４半導体層、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、９００…プロジェクター、９０２Ｒ…第１光学素子、９０２Ｇ…第２光学素子、９０２Ｂ…第３光学素子、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. 基板と、
   前記基板に設けられ、複数の柱状部を有する第１フォトニック結晶と、
   前記基板に設けられた第２フォトニック結晶と、
   を有し、
   前記複数の柱状部の各々は、発光層を有し、
   前記第１フォトニック結晶は、前記第１フォトニック結晶におけるΓ点に欠陥準位を有し、
   前記発光層で発生する光は、前記第１フォトニック結晶において前記欠陥準位の波長帯で発振し、
   前記第１フォトニック結晶により発振した光は、前記第２フォトニック結晶に伝播し、
   前記第２フォトニック結晶は、前記第２フォトニック結晶におけるΓ点にフォトニックバンド端を有し、
   前記フォトニックバンド端の波長帯は、前記第１フォトニック結晶から前記第２フォトニック結晶に伝播する光の波長帯と重なり、
   前記基板の面内方向と直交する方向からみて、
   前記第１フォトニック結晶を伝搬する光の強度は、前記第１フォトニック結晶における第１点で最大となり、
   前記第１点の光の強度は、前記第１フォトニック結晶における前記第１点と異なる第２点の光の強度よりも大きく、
   前記複数の柱状部のうちの第１柱状部は、前記複数の柱状部のうちの第２柱状部よりも、径が大きく、
   前記第１柱状部は、前記複数の柱状部のうち、最も大きい径を有して、前記第１点の最も近くに設けられている、発光装置。
2. 請求項１において、
   前記複数の柱状部は、前記第１フォトニック結晶の前記第１点に向かうにつれて、径が大きくなる、発光装置。
3. 請求項１または２において、
   前記複数の柱状部に電流を注入する電極を有する、発光装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記第２フォトニック結晶は、前記面内方向と直交する方向からみて、前記第１フォトニック結晶を囲んでいる、発光装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第２フォトニック結晶は、複数の孔が設けられた誘電体層である、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２フォトニック結晶に伝播した光は、前記面内方向と交差する方向に回折される、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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