JP4956119B2 - 発光素子およびそれを用いた表示素子 - Google Patents

Description

本発明は，フォトニック結晶を用いた発光ダイオード（LED），半導体レーザ（LD）等の発光素子，およびそれを用いた表示素子に関する。

従来，波長以下の大きさの構造物によって電磁波の透過・反射特性などを制御するという概念は，Yablonovitchによって提唱されている（非特許文献１）。

この非特許文献１によると、波長以下の構造を周期的に配列することによって電磁波の透過・反射特性などを制御可能で、電磁波の波長を光の波長オーダーにまで小さくすることによって、光の透過・反射特性を制御することができる。

このような構造物はフォトニック結晶として知られている。又、構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、ある波長域において、入射角依存性がなく、かつ光損失が無損失の１００％の反射率を有する反射ミラーを実現できることが示唆されている。

このように、ある波長域で反射率をほぼ１００％にすることができる概念は、従来の半導体が持つエネルギーギャップとの比較から、フォトニックバンドギャップと言われている。

このようなフォトニックバンギドギャップを呈する構造体が種々と提案されている（特許文献１、２）。

また、構造を３次元的な微細周期構造にすることによって、あらゆる方向から入射した光に対してフォトニックバンドギャップを実現することができる。

以下、これを完全フォトニックバンドギャップと呼ぶことにする。完全フォトニックバンドギャップを有する構造中に，孤立した点欠陥部を設けることにより高い閉じ込め効果を有する微小共振器を構成することができる。このように構成した微小共振器により，発光素子における自然放出を抑制し，高効率な発光素子を実現するものが提案されている。

一方，従来より表示素子を構成する高効率で高輝度の光源として，LEDやLDが利用されている。フルカラーの画像表示のためには，赤，緑，青の３原色の光を放射する光源が必要となる。

このうち，赤色光源としては活性層にAlGaAs，GaPなど，青色光源としてはAlGaN，InAlGaNなどの化合物半導体を用いた小型高出力のLED，LDが利用されている。緑色光源としては，活性層にInGaNを用いたLEDやLD励起固定レーザのSHG（第２高調波）を用いた発光素子が利用されている。

これらの発光素子として、InGaNを用いた発光素子は，活性層のバンドギャップエネルギーの値を，緑色の波長域（５００〜５５０ｎｍ）に一致させるために，Inの組成比を大きくしなければならない。

しかしながら，Inの組成比を大きくすると結晶性が悪化し，発光効率の低下や安定した発光が得られないなどの問題が生じてくる。この課題に対し，例えばZnなどの不純物をドープして，不純物の準位を介した発光により緑色発光を得る方法が提案されている。

さらに，上記方法が有する課題である低出力，色純度の低下を改善する方法が提案されている。例えば歪量子井戸により，活性層の組成比から想定されるバンドギャップエネルギーよりも長波長で発振させる窒化物半導体発光素子の製作方法が提案されている（特許文献３）。

この特許文献３では，InGaN量子井戸活性層の厚さを非常に薄くして，それと接するAlGaNクラッド層との格子不整合により，InGaN活性層に格子歪を与え，発振波長を長波長化させた発光素子を開示している。
Physical Review Letters、Vol.58、pp.2059、1987年 特開２００２−１４８４６３号公報 特表２００２−５２２８１０号公報 特開平０８−３１６５２８号公報

特許文献３で提案されている窒化物半導体発光素子では、InGaNを用いた発光素子を開示している。特許文献３における不純物をドープする方法は，低効率，短寿命であることが課題となっている。また，格子歪みを与える方法は，結晶成長時に格子不整合部でクラックが生じ，作製が非常に困難であることが課題となっている。

また，固体レーザを用いた発光素子は，構成要素が多いことから発光素子サイズが大きくなり，また発光効率が低く消費電力が大きくなるという問題があった。

一方，フォトニック結晶を用いた従来の半導体レーザは，活性層のバンドギャップエネルギーで規定される波長と共振器の共振モードピーク波長を一致させた系において，低閾値発振や高効率化を実現するためのアプローチである。よって，従来のLDでは実現できていない波長で発振させる方法は何ら開示されていない。

本発明は、小型で高効率で緑色光の発光が容易な発光素子及びそれを有する発光素子の提供を目的とする。

本発明の発光素子は、屈折率周期構造を有するフォトニック結晶と，該フォトニック結晶中に該屈折率周期構造を乱す孤立した欠陥部により形成された共振器と，共振器にＩｎを含む窒化物半導体で形成された活性部を有する発光素子において，
該活性部が有するバンドギャップエネルギーで規定される波長は，該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域に含まれており，共振器がフォトニックバンドギャップ帯域内で有する共振モードの最も短波長側のピーク波長より短波長に設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、小型で高効率で緑色光の発光が容易な発光素子及びそれを有する発光素子が得られる。

図１は，本発明の発光素子の実施例１の概念断面図である。

図１の発光素子１０は，ｐ型電極(電極部)１１，ｐ型コンタクト層１２，ｐ型クラッド部１３，活性部１４，単一モード共振器１５，絶縁部１６，ｎ型クラッド部１７，ｎ型コンタクト層１８，ｎ型電極(電極部)１９を有している。

電極部１１，１９以外は３次元フォトニック結晶で形成されている。共振器１５はフォトニック結晶の屈折率周期構造を乱す孤立した点欠陥を有している。

ｐ型電極１１から正孔が，ｎ型電極１９から電子が注入され，それぞれコンタクト層１２，１８，クラッド部１３，１７を介して，活性部１４にキャリアが注入される。注入したキャリアの結合により，光が発生し，共振器１５で閉じ込められ共振，増幅が行われ，レーザ発振が起こる。絶縁部１６により電流狭窄構造を形成し，活性部１４に効率良くキャリアの注入を行っている．活性部１４はＩｎ_０．２８Ｇａ_０．７２Ｎで形成され，バンドギャップエネルギーは５００ｎｍである。フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域は，波長４６０ｎｍから波長５４０ｎｍである。共振器１５の共振スペクトルのピーク波長は５２０ｎｍに設定されている。これらの構成により，従来困難であった高効率な緑色光発光の発光素子を実現している。

次に，本実施例の発光素子１０の動作原理を従来のＬＤを参照して説明する。

図２は、従来のＬＤにおける，自然放出スペクトル，共振スペクトル，利得スペクトル，発光スペクトルの説明図である。

通常のＬＤでは，光の種である自然放出光（図２（Ａ））のうち，共振器の共振モードと一致する波長の光が，共振器内に閉じ込められ，かつその波長において共振器内の活性部が高い利得を持つ場合に，誘導放出が起こり，レーザ発振する。

つまり，利得スペクトル（図２（Ｃ））と，共振器が有する共振スペクトル（図２（Ｂ））の関係で規定される波長でレーザ発振（図２（Ｄ））が生じる。利得スペクトルは，キャリア運動量行列要素とキャリアのエネルギー状態密度と擬フェルミ準位に依存する占有確率の積で表される。利得スペクトルピークは，バンドギャップエネルギーで規定される状態密度で波長がほぼ決定され，キャリア密度に関係する擬フェルミ準位で規定される占有確率に依存してシフトが起こる。

また，ライン形状関数で表されたバンド内緩和は，利得スペクトル形状の広がりに寄与する。つまり，利得スペクトルのピーク波長は，バンドギャップエネルギーに強く依存し，結果的に，発振波長は，活性部のバンドギャップエネルギーで規定される本来の発光波長に概略一致する。なお，活性部の本来の発光波長λ（単位はｎｍ）は，バンドギャップエネルギーをＥｇ（単位はｅＶ）とした場合，λ＝１２４０／Ｅｇで規定される。また，ボーイングパラメータを１とすると，Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ活性部のバンドギャップエネルギーＥｇの理論値は，式１で表すことができる。

Ｅｇ＝Ｅｇ１・ｘ＋Ｅｇ２・（１−ｘ）−ｘ・（１−ｘ） ・・・式１
ここでＥｇ１はＩｎＮのバンドギャップエネルギー（０．８ｅＶ）を表し，Ｅｇ２はＧａＮのバンドギャップエネルギー（３．４ｅＶ）を表す。

例えば，Ｉｎ組成比ｘが０．１での発光波長λは４０７ｎｍ，Ｉｎ組成比ｘが０．３で発光波長λは５１５ｎｍとなる。なお，利得スペクトルの広がり量は，キャリア密度や活性層の構造により異なり，半値全幅が，ダブルへテロ（DH）構造の場合で４０ｎｍ程度，量子井戸構造で１０乃至２０ｎｍ程度である。

このように，通常のＬＤでは，発振閾値以下を除き，自然放出スペクトルは，発振スペクトルにあまり関与しない。これは，自然放出過程を示すキャリアのバンド間緩和で発生する光の状態に，制限がほとんどないためである。

結果的に，自然放出スペクトルがキャリアの状態に強く依存し，また自然放出光のうち誘導放出に寄与する割合である自然放出係数が非常に低くなる。活性部では，共振モード以外の波長の自然放出光も発生するため，発振波長以外の光はエネルギーの損失となり，効率低下の原因となる。

よって，通常のＬＤでは，自然放出を含むエネルギー損失を上回る増幅が必要となるため，バンドギャップエネルギーで規定される利得スペクトルのピーク波長と共振スペクトルのピーク波長を一致させる必要がある。

従来のＬＤ構造では，活性部が有するバンドギャップエネルギーで規定される波長を，共振器が有する共振スペクトルのピーク波長より短波長に設定しても，損失が大きく発光が得られない。

また，現状の製造方法では，レーザに利用可能な高品質な膜を作製する場合，Ｉｎ組成比ｘは最大で０．２５程度が限界である。よって，発光波長は４８０ｎｍ程度が長波長側の限度となる。

図３は本実施例の発光素子１０における，自然放出スペクトル，共振スペクトル，利得スペクトル，発光スペクトルの説明図である。図３（Ａ）において，自然放出スペクトルの実線は実際のスペクトルを，点線はフォトニック結晶共振器を用いなかった場合のスペクトルを表す。

フォトニック結晶による微小共振器を用いた発光素子においては，キャリアのバンド間緩和で発生する光の状態が，強い束縛を受ける。フォトニック結晶共振器内では，光のとり得るエネルギー状態が制限を受けるため，バンド間緩和が生じるキャリア間のエネルギー差が制限され，結果的に自然放出スペクトル（図３（Ａ））が制限される。

よって，自然放出スペクトルが共振スペクトル（図３（Ｂ））とほぼ同一のスペクトル形状となる。

つまり，自然放出係数がほぼ１となり，自然放出スペクトルと誘導放出スペクトル（発振スペクトル）が，ほぼ同一のスペクトル形状となる。

よって，バンドギャップエネルギーＥｇで規定される利得スペクトル（図３（Ｃ））のピーク波長λ＝１２４０／Ｅｇを，共振スペクトルのピーク波長より短波長側にずらした場合でも，共振モード以外の光が発生しない。このため，効率の良い発光（図３（Ｄ））が可能となる。

緑色（例えば波長５２０ｎｍ）発光を得るために，活性部１４のバンドギャップエネルギーＥｇで規定される波長を短波長側、例えば５００ｎｍ程度に設定しても，効率の良い発光が得られる。

つまり，ＩｎＧａＮより成る活性部１４のＩｎの組成比Ｘを低い値に保つことができ，結果として結晶欠陥が生じず，さらに寿命が長く高効率の発光が得られる。

このような抑制は，作製時の結晶欠陥によって生じる欠陥準位を介しての遷移の抑制にも作用するため，結晶欠陥を含んでいる場合においても，その影響は低減され，高効率の発光が得られる。

以上述べたように，本実施例では活性部が有するバンドギャップエネルギーＥｇで規定される利得スペクトルのピーク波長（λ＝１２４０／Ｅｇ）を，共振器が有する共振スペクトルのピーク波長より短波長に設定している。これにより，フォトニック結晶共振器で自然放出光が制御され，高効率の緑色光を発する発光素子が実現できる。

図１における，クラッド部１３，１７を形成する媒質としては，活性部１４を形成する媒質よりもバンドギャップエネルギーの大きい媒質を用いている。これにより，ダブルへテロ構造を形成し，キャリア閉じ込め効果および光閉じ込め効果を高め，エネルギー効率を高めている。

具体的には，活性部１４を形成する媒質よりも低いＩｎ組成比のＩｎＧａＮやＧａＮ，ＡｌＧａＮを用いている。

図１に示す実施例１においては，発光波長として５２０ｎｍを用いたが，これに限定されるものではなく，緑色と認識される領域である波長５００乃至波長５５０ｎｍの範囲で，決定すればよい。

さらに，本原理は緑色光の波長に限定されるものではないため，発光波長は５５０ｎｍ以上の長波長でも良い。また，Ｉｎ組成比ｘの値として０．２８を用いたが，これに限定されるものではなく，利得スペクトルの広がりと発光波長を考慮して決定すればよい。

特に，Ｉｎ組成比ｘが０．２５以上の値を用いると，比較的高い利得の位置で発光が起きるため，高効率の発光が得られる。即ち０．２５≦ｘ＜１なる条件を満足するのが良い。

Ｉｎ組成比ｘの値は，０．０１の分解能で制御が可能である。よって，波長にして２ｎｍ程度の分解能で，バンドギャップエネルギーが制御可能である。

活性部１４のＩｎ組成比ｘを低く抑えることが可能なため，活性部１４のバンドギャップエネルギーで規定される波長と，発光波長を規定する共振モードのピーク波長の差は，大きい方が望ましく，５ｎｍ以上の値とするのが良い。

より望ましくは，ピーク波長の差を１０ｎｍ以上とすることにより，発光素子の作製が容易になる。ただし，波長の差を大きくし過ぎると，共振モードのピーク波長での利得の値が小さくなり，発光効率が低下する。

利得スペクトルの広がり量を考慮し，波長の差は５０ｎｍ以下が望ましい。また，活性部１４にＩｎＧａＮと同程度のバンドギャップエネルギーを有するＩｎＡｌＮやＩｎＡｌＧａＮ等の窒化物半導体を用いても良い。

また，図１に示す実施例１においては，３次元フォトニック結晶を用いたが，２次元フォトニック結晶を用いても良い。２次元フォトニック結晶を用いた場合は，屈折率周期構造が形成されていない方向に関しては，屈折率差を利用した全反射により，光を閉じ込める構成とする。ただし，２次元フォトニック結晶では，屈折率周期構造が形成されていない１方向に関しては，フォトニック結晶共振器による自然放出の抑制効果は得られない。よって，より高い抑制効果を得て，効率を高めるためには，３次元フォトニック結晶が望ましい。

フォトニック結晶共振器の共振モードは，フォトニックバンドギャップ内で単一モードであることが，動作安定性から望ましい。ただし，マルチモードの場合でも，活性部の利得が発光波長での値より低い値である長波長側に共振モードが存在する場合は，利得の高い方の波長でのみレーザ発振が起きるため，許容できる。

また，図１に示す実施例１においては，電極部１１，１９以外の部分を全てフォトニック結晶で形成したが，光閉じ込め機能を有する部分のみフォトニック結晶で形成しても良い。例えば，電極部１１，１９およびコンタクト部１２，１８以外の部分(クラット部１３、１７、絶縁部１６、活性部１４)をフォトニック結晶で形成しても良い。

さらに，前述したように，フォトニック結晶を用いた共振器による自然放出の抑制効果は，結晶欠陥による欠陥準位にも作用する。このため，歪量子井戸を導入しても，効率の低下は抑えられる。よって，歪量子井戸と組合せて長波長化を行い，より低いＩｎ組成比ｘのＩｎＧａＮ活性部を用いても良い。

以上のように本実施例の発光素子１０は，屈折率周期構造を有しフォトニックバンドギャップを呈するフォトニック結晶と，該フォトニック結晶中に該屈折率周期構造を乱す孤立した欠陥部により形成された共振器１５を有している。更に，共振器１５の内部にＩｎＧａＮを含む活性部１４を有している。

該活性部１４が有するバンドギャップエネルギーで規定される波長λ_１＝５００ｎｍが，該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域４６０ｎｍ〜５４０ｎｍに含まれている。又、活性部１４が有するバンドギャップエネルギーで規定される波長５００ｎｍは、共振器１５がフォトニックバンドギャップ帯域内４６０〜５４０ｎｍで有する共振モードの最も短波長側のピーク波長λ_２＝５２０ｎｍより短波長に設定されている。

これによって緑色光の発光を効率的に行うことができる発光素子を得ている。

次に，本発明の実施例２の発光素子に係るフォトニック結晶共振器構造の具体的な構成を説明する。

図４は本発明の実施例２の発光素子に用いる共振器の要部概略図である。共振器２０は、周期構造部１００とその内部に形成された周期欠陥部（点状欠陥部）１２０を有している。周期構造部１００は、ｘｙ平面を含む層１０１〜１１２の１２層を基本周期としてｚ方向に積層して構成されている。

図５は各層１０１〜１１２のｘｙ断面の一部の概略図である。第１の層１０１および第７の層１０７は、第１の媒質（高屈折率）によるｙ軸に平行な複数の柱状構造１０１ａおよび１０７ａが等間隔Ｐでｘ方向に配置されている。柱状構造１０１ａおよび１０７ａはｘ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。また、第４の層１０４および第１０の層１１０は、第１の媒質によるｘ軸に平行な複数の柱状構造１０４ａおよび１１０ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されている。柱状構造１０４ａおよび１１０ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。

第２、第３の層１０２、１０３は第１、第４の層１０１、１０４に挟まれた付加層である。

第５、第６の層１０５、１０６は第４、第７の層１０４、１０７に挟まれた付加層である。

第８、第９の層１０８、１０９は第７、第１０の層１０７、１１０に挟まれた付加層である。

第１１、第１２の層１１１、１１２は第１０の層１１０と、第１（次の基本周期に相当する第１の層）の層に挟まれた付加層である。

付加層を構成する第２の層１０２および第３の層１０３には、第１の層１０１中の柱状構造１０１ａおよび第４の層１０４中の柱状構造１０４ａの交点に相当する位置に、第１の媒質による離散構造１０２ａおよび１０３ａが配置されている。

離散構造１０２ａおよび１０３ａは，ｘｙ平面内において互いに接しないように離散的に配置されている。

なお、離散構造１０２ａと１０３ａはｘｙ面内における９０度の回転により相互に重なる対称性を有している。

同様に、柱状構造を含む層の間にあり付加層を構成する第５の層１０５、第６の層１０６、第８の層１０８、第９の層１０９、第１１の層１１１、第１２の層１１２には、離散構造１０５ａ、１０６ａ、１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａが配置されている。

離散構造１０５ａ、１０６ａ、１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａは，隣接する層中の柱状構造の交点に相当する位置に、ｘｙ平面内において離散的に配置された第１の媒質による構成されている。

各層中の柱状構造および離散構造は互いに接しており、各層中の柱状構造および離散構造以外の部分は第２の媒質（低屈折率）で充填されている。第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造および離散構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化することにより、所望の周波数域（波長域）に非常に広い周波数帯域（波長帯域）で完全フォトニックバンドギャップを得ている。

本実施例では、第１の媒質の屈折率を３．０、第２の媒質の屈折率を１としている。柱状構造の間隔をＰとして、柱状構造を含む全ての層１０１、１０４、１０７、１１０のｚ軸方向の厚さを０．１５×Ｐとしている。

離散構造を含む全ての層１０２、１０３、１０５、１０６、１０８、１０９、１１１、１１２のｚ方向の厚さを０．１×Ｐとしている。

全ての柱状構造を断面のｚ方向の一辺の長さが０．１５×Ｐ、ｘ方向あるいはｙ方向で０．２５×Ｐの長方形の角柱としている。

さらに，全ての離散構造をｘｙ断面の一辺の長さが０．３５×Ｐ、０．６５×Ｐの長方形であり、ｚ方向の厚さ０．１×Ｐの直方体として、平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析した結果を図６に示す。

図６において、横軸は、波数ベクトルすなわちフォトニック結晶に入射する電磁波の入射方向を表している。

例えばＫ点はｘ軸（もしくはｙ軸）に平行な波数ベクトル、Ｘ点はｘｙ平面内において、ｘ軸（あるいはｙ軸）に対して４５°の傾きをもった波数ベクトルを表している。

一方、縦軸は格子周期で規格化した周波数（規格化周波数）を示している。図６中のハッチングで示した規格化周波数０．３９５から０．４７９の領域においては、光の入射方向によらず光が存在できず、完全フォトニックバンドギャップが形成されている。柱状構造の間隔Ｐが２３５ｎｍとすると、波長４９０ｎｍから波長５９５ｎｍの波長域で完全フォトニックバンドギャップが形成される。

図７は、図４の周期欠陥部（点状欠陥部）１２０付近の拡大図である。周期欠陥部１２０は、屈折率３．０の第１の媒質で、厚さＤｚ、幅Ｄｘ、Ｄｙの直方体形状をしている。このように、周期欠陥部１２０を形成することにより、周期構造部１００が持つフォトニックバンドギャップ内の波長域中の一部の波長域の電磁波に対して、周期欠陥部１２０のみ電磁波が存在できる状態にすることができる。そして，非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、かつ閉じ込め効果の高い高性能な共振器を構成している。

図７において，周期欠陥部１２０のｘ方向およびｙ方向の中心座標が，それぞれ離散構造１３１ａのｘ方向およびｙ方向の中心座標と同一となるように形成する。

ｚ方向は周期欠陥部１２０のｚ方向の最小座標が柱状構造１３２ａのｚ方向の最小座標と同一となるように形成する。周期欠陥部１２０の形状をＤｘ＝０．９５×Ｐ、Ｄｙ＝０．３５×Ｐ、Ｄｚ＝０．３５×Ｐとすることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥モードを一つだけにすること、すなわち単一モード化が可能となる。

周期欠陥部１２０は、離散構造を含む層と柱状構造を含む層にまたがって形成される。製造工程を考慮すると、周期欠陥部１２０の厚さＤｚは離散構造あるいは柱状構造を含む層の厚さの和であることが望ましい。また、柱状構造を含む層よりも薄い離散構造を含む層を少なくとも一つ含んで欠陥構造を形成することにより、欠陥モード周波数の細かな制御が可能となる。

図８は周期構造部１００をｘｙ方向に１３周期、ｚ方向に６周期設け、その中心部に周期欠陥部１２０を配置したときの欠陥モードのスペクトルの説明図である。図８に示したように，単一モードの共振器を実現している。

図８に示した欠陥モードによる共振器の光閉じ込め性能を表すＱ値（共振器に蓄積されるエネルギー／単位時間に共振器から失われるエネルギー）は、約２００００となる。この値は、周期構造部１００の周期数を増やすことにより指数的に増やすことができる。よって、周期構造部１００の周期数は所望の閉じ込め効果が得られる最低限の周期数以上の値とすればよい。

本実施例においては、それぞれの付加層を構成する離散構造を含む層を２層としたが、１層や３層以上であってもよく、１層以上含むことにより、広い周波数帯域で完全フォトニックバンドギャップを得ることができる。

次に，本発明の実施例３の発光素子に係るフォトニック共振器構造の具体的な構成を説明する。

図９は本発明の実施例３の発光素子に用いる共振器の要部概略図である。共振器３０は、周期構造部２００とその内部に形成された周期欠陥部（点状欠陥部）２１０を有している。周期構造部２００は、ｘｙ平面を含む層２０１〜２０４の４層を基本周期として順次積層することにより構成されている。

図１０は図９の各層２０１〜２０４のｘｙ断面の一部の概略図である。第１の層２０１および第３の層２０３は、第１の媒質（高屈折率）によるｙ軸に平行な複数の柱状構造２０１ａおよび２０３ａが、予め定められた間隔Ｐを空けてｘ方向（柱状構造２０１ａおよび２０３ａの延びる方向に垂直な方向）に配置されている。

柱状構造２０１ａおよび２０３ａはｘ軸方向にＰ／２（柱状構造２０１ａおよび２０３ａの配置される間隔Ｐの半分）ずれた位置に配置されている。

また、第２の層２０２および第４の層２０４は、第１の媒質によるｘ軸に平行な複数の柱状構造２０２ａおよび２０４ａが等間隔Ｐでｙ方向に配置されている。柱状構造２０２ａおよび２０４ａはｙ軸方向にＰ／２ずれた位置に配置されている。各層２０１〜２０４中の柱状構造２０１ａ〜２０４ａ以外の部分は第２の媒質（低屈折率）で充填されている。

第１、第２の媒質の屈折率、柱状構造の形状や間隔、各層の厚さなどを最適化することにより、所望の周波数域（波長域）に非常に広い周波数帯域（波長帯域）で完全フォトニックバンドギャップを得ている。

本実施例では、第１の媒質の屈折率を３．０、第２の媒質の屈折率を１とする。柱状構造２０１ａ〜２０４ａの間隔を等間隔Ｐとして、全ての柱状構造を断面のｚ軸方向の一辺の長さが０．３×Ｐ、ｘあるいはｙ方向で０．３５×Ｐの長方形の角柱としている。平面波展開法によりフォトニックバンド構造を解析した結果を図１１に示す。

図１１中のハッチングで示した規格化周波数０．３７４から０．４３３の領域においては、光の入射方向によらず光が存在できず、完全フォトニックバンドギャップが形成されている。例えば柱状構造２０１ａの間隔Ｐが２１５ｎｍとすると、波長４９６ｎｍから波長５７５ｎｍの波長域で完全フォトニックバンドギャップが形成される。

図１２は図９の周期欠陥部２１０付近の拡大図である。周期欠陥部２１０は、柱状構造２１１ａ、２１２ａと同一の媒質であって、一つの柱状構造を含んで形成される、厚さＤｚ、幅Ｄｘ、Ｄｙの直方体である。

このように、周期欠陥部２１０を形成することにより周期構造部２００が持つフォトニックバンドギャップ内の一部の波長域の電磁波に対して、周期欠陥部２１０のみ電磁波が存在できる状態にすることができる。そして，非常に小さい領域に電磁波を閉じ込め、かつ閉じ込め効果の高い共振器を構成している。

図１２において，周期欠陥部２１０のｘ方向の中心座標が柱状構造２１２ａのｘ方向の中心座標と同一で，ｙ方向の中心座標が柱状構造２１１ａのｙ方向の中心座標と同一となるように形成する。

ｚ方向は周期欠陥部２１０のｚ方向の最大座標が柱状構造２１２ａのｚ方向の最大座標と同一となるように形成する。周期欠陥部２１０の形状をＤｘ＝０．９５×Ｐ、Ｄｙ＝０．３５×Ｐ、Ｄｚ＝０．３×Ｐとすることにより、フォトニックバンドギャップ内に欠陥モードを一つだけにすること、すなわち単一モード化が可能となる。

周期構造部２００をｘ方向及びｙ方向に８周期、ｚ方向に４周期設け、その中心部に周期欠陥部２１０を配置したときの欠陥モードのスペクトルを図１３に示す。図１３に示したように，本実施例では単一モードを実現している。

図１４は本発明の実施例４の発光素子（レーザ素子）の要部断面図である。図１４において３００は発光素子である。

３２０は，周期構造部３１０中に実施例２および実施例３に示したのと同様な構成より成る周期欠陥部より形成される共振器である。発光素子３００は，共振器３２０、ｐ型電極３３０，ｐ型キャリア伝導路３４０，ｎ型電極３５０，ｎ型キャリア伝導路３６０，導波路３７０を有している。共振器３２０内部にはキャリア注入により発光作用を呈するＩｎＧａＮ活性部が形成されている。

導波路３７０は，周期構造部３１０中に周期を乱す線状の欠陥部を設けることにより形成される線欠陥導波路である。その導波モードは，共振器３２０の共振モードを考慮し，共振器３２０との結合効率が高くなるように，線状欠陥部の形状や屈折率を最適化することにより決定される。線状の欠陥は，周期構造部３１０中の柱状構造の形状や屈折率などを変えたり，新たに柱状構造を加えるなどして形成される。

ｐ型電極３３０，ｐ型キャリア伝導路３４０を介して，共振器３２０に正孔が供給される。そしてｎ型電極３５０，ｎ型キャリア伝導路３６０を介して，共振器３２０に電子が供給され，共振器内部で結合して発光，レーザ発振し，導波路３７０を介して外部（Ｙ方向）に取り出される。

本実施形態による発光素子により，実施例１の原理に基づき，従来困難であった高効率の緑色光を発光する光源が実現できる。

図１５は、本発明の実施例５の発光素子（レーザ素子）の要部概略図である。図１５において４００は発光素子である。

４２０は周期構造部４１０中に実施例２又は実施例３に示したのと同様な構成より成る周期欠陥部より形成される共振器である。発光素子４００は共振器３２０，ｐ型電極４３０，ｐ型コンタクト層４４０，ｐ型クラッド部４５０，ｎ型電極４６０，ｎ型コンタクト層４７０，ｎ型クラッド部４８０，導波路４９０を有している。

共振器４２０内部にはキャリア注入により発光作用を呈するＩｎＧａＮ活性部が形成されている。導波路４９０は，周期構造部４１０中に周期を乱す線状の欠陥部を設けることにより形成される線欠陥導波路である。

ｐ型電極４３０，ｐ型コンタクト層４４０，ｐ型クラッド部４５０を介して，共振器４２０に正孔が供給される。ｎ型電極４６０，ｎ型コンタクト層４７０，ｎ型クラッド部４８０を介して，共振器４２０に電子が供給される。共振器４２０内部で供給された正孔と電子が結合して発光，レーザ発振し，導波路４９０を介して外部に取り出される。

本実施形態による発光素子４００により，実施例１の原理に基づき，従来困難であった高効率の緑色光を発光する光源が実現できる。

図１６は本発明の実施例６の表示素子の要部概略図である。図１６において５００は表示素子である。

表示素子５００は，本発明による緑色光を発光する発光素子５１０および赤色光を発光する発光素子５２０，青色光を発光する発光素子５３０を近接して配置した画素構造５４０を１画素としている。

そして画素構造５４０を複数個２次元的に配列した構造より成っている。これにより，高効率な高輝度で色再現範囲の広い表示素子を実現している。

図１７は本発明の発光素子を用いた表示装置の要部概略図である。

図１７において６００は表示装置である。表示装置６００は，本発明による緑色光を発光する発光素子６１０および赤色光を発光する発光素子６２０，青色光を発光する発光素子６３０を近接して配置，またはダイクロイックミラーで結合したＲＧＢ光源６４０を有している。

本実施例の表示装置では、画像情報に基づいて光変調されたＲＧＢ光源６４０から射出した表示光は，スキャンミラー６５０で走査され，投影レンズ６６０を介してスクリーン６７０に２次元画像を表示する。これらの構成により，高効率な高輝度で色再現範囲の広い表示装置を実現している。

本実施例の表示装置の他の形態として，画像をスクリーン６７０に投影するのではなく，直接網膜に投影し、画像を観察者に視認させる形態でも良い。

本発明の発光素子の実施例１の概略断面図 従来のＬＤの各スペクトルの説明図 本発明の発光素子の各スペクトルの説明図 本発明の実施例２に係る３次元フォトニック結晶の説明図 本発明の実施例２に係る３次元フォトニック結晶の各層の説明図 本発明の実施例２に係る３次元フォトニック結晶の規格化周波数の説明図 図４の一部分の説明図 本発明の実施例２に係る欠陥モードのスペクトルの説明図 本発明の実施例３に係る３次元フォトニック結晶の説明図 本発明の実施例３に係る３次元フォトニック結晶の各層の説明図 本発明の実施例３に係る３次元フォトニック結晶の規格化周波数の説明図 図９の一部分の説明図 本発明の実施例３に係る欠陥モードのスペクトルの説明図 本発明の発光素子の実施例４の要部断面図 本発明の発光素子の実施例５の要部断面図 本発明の表示素子の説明図 本発明の表示装置の説明図

符号の説明

１０、３００ 発光素子
１１ Ｐ型電極
１２ Ｐ型コンタクト層
１３ Ｐ型クラッド層
１４ 活性部
１５ 共振器
１６ 絶縁部
１７ ｎ型クラッド部
１８ ｎ型コンタクト層
１９ ｎ型電極
２０、３０、３２０ 共振器
１００、２００、３１０ 周期構造部
１０１〜１１２、２０１〜２０４ 層
１２０、２１０ 周期欠陥部
１０１ａ、１０４ａ、１０７ａ、１１０ａ、１３２ａ 柱状構造
１０２ａ、１０３ａ、１０５ａ、１０６ａ、１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａ、１３１ａ 離散構造
５００ 表示素子
５４０ 画素構造
６００ 表示装置
６４０ ＲＧＢ光源
６５０ スキャンミラー
６６０ 投影レンズ
６７０ スクリーン

Claims (3)

1. 屈折率周期構造を有するフォトニック結晶と，該フォトニック結晶中に該屈折率周期構造を乱す孤立した欠陥部により形成された共振器と，共振器にＩｎを含む窒化物半導体で形成された活性部を有する発光素子において，
   該活性部が有するバンドギャップエネルギーで規定される波長は，該フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ帯域に含まれており，共振器がフォトニックバンドギャップ帯域内で有する共振モードの最も短波長側のピーク波長より短波長に設定されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記バンドギャップエネルギーで規定される波長と，共振モードのピーク波長の差は５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記活性部はＩｎＧａＮを含み，ＩｎＧａＮの組成がＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮと表されると
   き，
   ０．２５ ≦ ｘ ＜ １
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。