JP5582147B2

JP5582147B2 - 発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置

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Publication number: JP5582147B2
Application number: JP2011537201A
Authority: JP
Inventors: 龍一片山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2014-09-03
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Description

本発明は、偏光状態が揃った光を出射する発光素子および該発光素子を用いた画像表示装置に関する。

発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる画像表示装置が提案されている。この種の画像表示装置では、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色を発光する複数のＬＥＤと、複数のＬＥＤからの光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を合成する色合成プリズムと、色合成プリズムからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。

上記の構成を備える画像表示装置では、投射映像の輝度を高めるために、発光素子からライトバルブまでの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。

上記の構成要素のうち、液晶表示板および色合成プリズムは偏光依存性を有するものであり、光学系の高効率化のためには、発光素子は偏光状態が揃った光を出射するものであることが望ましい。

また、非特許文献１に記載されているように、発光素子の面積と放射角との積で決まるエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）による制約がある。つまり、発光素子の発光面積と放射角との積の値を、ライトバルブの入射面の面積と、照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、発光素子からの光が投射光として利用されない。

そのため、ＬＥＤを用いた画像表示装置では、発光素子の出射光のエテンデューの低減を図るために、発光素子の出射面を大きくすることなく、上述の光損失の低減を図ることが懸案となっている。

特許文献１（特開2009-111012号公報）には、偏光比の大きな発光を行うことを目的とし、成長主面の面方位を規定した半導体発光装置が開示されている。

特許文献２（特開2007-109689号公報）には、エテンデューを低減でき、かつ高い偏光変換効率で光を供給することが可能な発光素子等を提供することを課題とし、基準面上に設けられて光を供給する発光部と、発光部の出射側に設けられた構造体と、を有し、構造体は、第１の振動方向の偏光光を透過させ、第１の振動方向に略直交する第２の振動方向の偏光光を反射する反射型偏光板と、反射型偏光板からの光を透過させ、基準面に略平行な二次元方向につき屈折率が周期的に変化するように形成された光学部と、を有する発光素子が開示されている。

特開２００９−１１１０１２号公報特開２００７−１０９６８９号公報特開２００１−５１１２２号公報

SID 06 DIGEST, 2006, pp.1808-1811, 61.1, Photonic Lattice LEDs for RPTV Light Engines, Christian Hoepfner

特許文献１に記載されている半導体発光装置では、成長主面の面方位を用いるものであるため、成長条件が制限され、生産性に課題が生じる。このことは、特に大面積の基板を用いるときに問題となる。

特許文献２に記載の発光素子においては、反射型偏光板を用いて出射される光の偏光方向を揃えるものであるが、反射型偏光板で反射された光は、反射型偏光板よりも発光部側に設けられた反射部や位相板で振動方向を変えて反射型偏光板に再入射する構成であるために、反射時における減衰などを考えると偏光変換の効率が悪く、高輝度化が困難であるという問題点がある。

本発明は上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、作製が容易であり、効率が良く、高輝度化が可能な偏光状態が揃った光を出射する発光素子を実現することを目的とする。

本発明の発光素子は、光を発生する活性層を備える発光素子であって、
前記活性層にて発生した光のうち、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第１の領域と、前記第１の方向と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第２の領域と、を備える偏光子層と、
前記第１の領域と第２の領域より出射した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する第３の領域および第４の領域を備える波長板層と、
前記第１の領域および第２の領域で反射された光を反射する反射層と、を有することを特徴とする。

本発明の画像表示装置は、上記構成の発光素子を用いている。

本発明においては、偏光子層からは、第１の方向の偏光と、第１の方向と直交する第２の方向の偏光が出射される。これらの偏光は、その後、反射することなく、波長板層にて同じ偏光状態の光として出射されるので、効率が良く、高輝度化が可能となる。

本発明による発光素子の一実施形態の構成を示す断面図である。図１中の偏光子層１０８の一つの構成例を示す斜視図である。図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。図１中の１／2波長板層１０９の一つの構成例を示す斜視図である。図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。偏光子層１０８、１／２波長板層１０９に形成される第１の領域および第２の領域の周期について説明するための図である。相対周期と角度幅の関係を示す図である。本発明による発光素子を用いた画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。図１２に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。図１３に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。図１４に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の偏光子層１８０８の構成をより詳細に示す断面図である。本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成をより詳細に示す断面図である。本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成例を示す斜視図である。本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す図であり、図１８ａ中の１／４波長板層１８０９の構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による発光素子１００の一実施形態の構成を示す断面図である。なお、発光素子１００において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。

Siであるサブマウント１０１上に、Ni/Au/Ti/AuからなるP型電極１０２、Agからなる反射層１０３が形成されている。

反射層１０３上には、MgがドープされたGaNであるP型半導体層１０４、GaNとInGaNとが交互に積層されて多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）を構成する活性層１０５、SiがドープされたGaNであるN型半導体層１０６とが順に積層されている。N型半導体層１０６の上には、Ti/Al/Ti/AuからなるN型電極１０７、偏光子層１０８が形成され、偏光子層１０８の上には、さらに１／2波長板層１０９が設けられている。

発光素子１００の作製方法について説明する。まず、基板上に、Ｎ型半導体層１０６、活性層１０５、Ｐ型半導体層１０４、反射層１０３を形成する。次に、サブマウント１０１上に反射層１０３を貼り合わせ、基板を除去する。次に、Ｎ型半導体層１０６上に偏光子層１０８を形成する。１／2波長板層１０９は別プロセスにより形成され、偏光子層１０８上に貼り合わされる。最後に、Ｐ型電極１０２、Ｎ型電極１０７を形成する。

本実施形態の概略動作について説明する。P型電極１０２とN型電極１０７との間に電圧を加え、これらの間に電流を流すことにより活性層１０５にて光が発生する。活性層１０５にて発生した光には、様々な方向に向かう成分が含まれる。

偏光子層１０８および１／2波長板層１０９は、いずれも第１の領域および第２の領域をそれぞれ備えるものであり、偏光子層１０８の第１の領域と第２の領域は、１／2波長板層１０９の第１の領域と第２の領域と、発光素子１００の出射光について対応するように設けられている。

偏光子層１０８の第１の領域は、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射させる。偏光子層１０８の第２の領域は、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射する。偏光子層１０８で反射された光は、反射層１０３で、偏光子層１０８に向けて反射するが、このとき、角度を以って反射するために偏光子層１０８における反射位置とは異なる位置に再入射する。このため、偏光子層１０８への再入射光には、偏光子層１０８を透過する光が存在する。

１／2波長板層１０９の第１の領域および第２の領域は、入射光に所定の偏光回転角を与えて出射するもので、第２の領域は入射光に対して第１の領域で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射する。このため、１／2波長板層１０９から出射する光は、偏光方向が一様なものとされる。

以下に、偏光子層１０８、１／2波長板層１０９の具体的構成について説明する。

図２は、図１中の偏光子層１０８の一つの構成例を示す斜視図である。

図２に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層２０１の上に、Alからなる金属ナノワイヤ２０２が複数平行に形成された偏光子が形成されている。金属ナノワイヤ２０２は、その長手方向が直交する第１の領域２０３と第２の領域２０４が交互に設けられている。

第１の領域２０３は第１の方向（Ｘ方向）の偏光を透過させ、第１の方向の偏光と直交する第２の方向（Ｙ方向）の偏光を反射する。

第２の領域２０４は第２の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光を反射する。

図３は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。

図３に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層３０１の上に、GaNとAlNとが交互に積層された半導体３０２が複数平行に戴置された偏光子が形成されている。半導体３０２は、その長手方向が直交する第１の領域３０３と第２の領域３０４が交互に設けられている。

第１の領域３０３は第１の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を反射する。

第２の領域３０４は第２の方向の偏光を透過させ、第１の方向の偏光を反射する。

図４は、図１中の１／2波長板層１０９の一つの構成例を示す斜視図である。

図４に示す例では、石英である基板４０１の上に、SiO₂とTiO₂とが交互に積層された誘電体４０２が形成されている。誘電体４０２には、図２および図３にそれぞれ示した第１の領域２０３，３０３、第２の領域２０４，３０４にそれぞれ対応する第１の領域４０３と第２の領域４０４が設けられている。

第１の領域４０３は平坦に形成されているために、第１の領域２０３，３０３を透過した第１の方向の偏光をそのまま通過させる。

第２の領域４０４は、特許文献３（特開2001-51122号公報）に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用するものであり、これにより、第２の領域２０４，３０４を透過した第２の方向の偏光は第１の方向の偏光に変換されて出射される。

偏光方向が直交する光が入射する第１の領域４０３と第２の領域４０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域４０４は入射光に対して第１の領域４０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。

図４に示される例では、第１の領域４０３は平坦に形成されているため、入射光に与える偏光回転角は０度となる。第２の領域４０４が加える偏光回転角は９０度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。

これにより、第２の領域２０４，３０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。

図５は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。

図５に示す例では、石英である基板５０１の上に、SiO₂とTiO₂とが交互に積層された誘電体５０２が形成されている。誘電体５０２には、図２および図３にそれぞれ示した第１の領域２０３，３０３、第２の領域２０４，３０４にそれぞれ対応する第１の領域５０３と第２の領域５０４が設けられている。

第１の領域５０３、第２の領域５０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用する。

偏光方向が直交する光が入射する第１の領域５０３と第２の領域５０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域５０４は入射光に対して第１の領域５０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。

図５に示される例では、第１の領域５０３が入射光に与える偏光回転角は４５度とされ、第２の領域５０４が加える偏光回転角は１３５度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。

図６は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。

図６に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層６０１の上に、Alからなる金属ナノワイヤ６０２が複数平行に形成された偏光子が形成されている。金属ナノワイヤ６０２は、その長手方向が直交する第１の領域６０３と第２の領域６０４が千鳥状に隣接するように設けられている。

第１の領域６０３と第２の領域６０４の光学的特性は、図２に示した第１の領域２０３と第２の領域２０４と同様である。

図７は、図１中の偏光子層１０８の他の構成例を示す斜視図である。

図７に示す例では、SiがドープされたGaNであるN型半導体層７０１の上に、GaNとAlNとが交互に積層された半導体７０２が複数平行に戴置された偏光子が形成されている。半導体７０２は、その長手方向が直交する第１の領域７０３と第２の領域７０４が千鳥状に隣接するように設けられている。

第１の領域７０３と第２の領域７０４の光学的特性は、図３に示した第１の領域３０３と第２の領域３０４と同様である。

図８は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。

図８に示す例では、石英である基板８０１の上に、SiO₂とTiO₂とが交互に積層された誘電体８０２が形成されている。誘電体８０２には、図６および図７にそれぞれ示した第１の領域６０３，７０３、第２の領域６０４，７０４にそれぞれ対応する第１の領域８０３と第２の領域８０４が設けられている。

第１の領域８０３は平坦に形成されているために、第１の領域６０３，７０３を透過した第１の方向の偏光をそのまま通過させる。

第２の領域８０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用するものであり、これにより、第２の領域６０４，７０４を透過した第２の方向の偏光は第１の方向の偏光に変換されて出射される。

偏光方向が直交する光が入射する第１の領域８０３と第２の領域８０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域８０４は入射光に対して第１の領域８０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。

図８に示される例では、第１の領域８０３は平坦に形成されているため、入射光に与える偏光回転角は０度となる。第２の領域８０４が加える偏光回転角は９０度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。

これにより、第２の領域６０４，７０４を透過した第２の方向の偏光は、第１の方向の偏光に変換されて出射される。

図９は、図１中の１／2波長板層１０９の他の構成例を示す斜視図である。

図９に示す例では、石英である基板９０１の上に、SiO₂とTiO₂とが交互に積層された誘電体９０２が形成されている。誘電体９０２には、図６および図７にそれぞれ示した第１の領域６０３，７０３、第２の領域６０４，７０４にそれぞれ対応する第１の領域９０３と第２の領域９０４が設けられている。

第１の領域９０３、第２の領域９０４は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／2波長板として作用する。

偏光方向が直交する光が入射する第１の領域９０３と第２の領域９０４の出射光の偏光方向を揃ったものとするためには、第２の領域９０４は入射光に対して第１の領域９０３で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することが必要となる。

図９に示される例では、第１の領域９０３が入射光に与える偏光回転角は４５度とされ、第２の領域９０４が加える偏光回転角は１３５度とされ、これらの方向の角度差は９０度とされている。

図２ないし図５に示したように、第１の領域と第２の領域とを縞状に配設した場合には、素子の作製を容易とすることができる。

図６ないし図９に示したように、第１の領域と第２の領域とを千鳥状に配設した場合には、Ｘ方向への光の拡がり方とＹ方向への光の拡がり方が同様のものとなり、均一性が高く、より扱いやすい照明光とすることができる。

図１０は、偏光子層、１／２波長板層に形成される第１の領域および第２の領域の周期について説明するための図である。

活性層１０５にて発生した光は、反射することなく、直接、偏光子層１０８から出射することが望ましいが、その半分は反射される。複数回反射した場合には、減衰が激しく、照明光として利用することは難しいため、ここでは、反射層１０３で１回反射して偏光子層１０８から出射するのに適した周期構造について検討する。

図１０では、偏光子層１０８の厚さ方向の中心をＡ、反射層１０３の厚さ方向の中心をＢ、第１の領域と第２の領域の幅を等しいものとし、各領域の幅を加えたものをＰとしている。また、反射が行われる点を偏光子層１０８、反射層１０３、それぞれの厚さ方向の中心とし、これらの間の距離をＬ１、活性層１０５の中心（発光点）から偏光子層１０８の中心までの距離をＬ２としている。また、発光点のＸＹ面内の位置については、１回反射で出射することが最も困難となる、第１の領域、第２の領域のいずれかの中心としている。

図１０に示すように、発光点で発生し、１回反射で出射する光のうち、最短距離で出射する光と最長距離で出射する光のなす角度幅Δθが大きな程、１回反射で出射する光は多くなる。各出射光の交点は、偏光子層１０８の中心Ａから２Ｌ１＋Ｌ２の距離にある。

図１１は、Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）で示される相対周期と角度幅の関係を示す図であり、相対周期が２．３のときに角度幅は最大の３０°となることが示されている。また、相対周期が０．９から６．５の間であれば角度幅２０°以上とすることができ、相対周期が１．２から４．５の間であれば角度幅２５°以上とすることができることが分かる。

偏光子層１０８と反射層１０３の間の距離Ｌ１が３μｍ、活性層１０５の中心から偏光子層１０８の中心までの距離Ｌ２が１．５μｍである場合、角度幅を最大の３０°とするためには、第１の領域と第２の領域を加えた幅Ｐを１７μｍとすればよい。

図１２は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

図１２に示される画像表示装置は、赤色光を発生する光源ユニット１２０１Ｒ、緑色光を発生する光源ユニット１２０１Ｇ、青色光を発生する光源ユニット１２０１Ｂ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。

光源ユニット１２０１Ｒにて発生した赤色光は集光レンズ１２０２Ｒを介して赤色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｒを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｒにて発生した赤色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。

光源ユニット１２０１Ｇにて発生した緑色光は集光レンズ１２０２Ｇを介して緑色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｇを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｇにて発生した緑色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。

光源ユニット１２０１Ｂにて発生した青色光は集光レンズ１２０２Ｂを介して青色光用の画像を表示する液晶表示素子１２０３Ｂを照射し、これにより液晶表示素子１２０３Ｂにて発生した青色画像光が色合成プリズム１２０４に入射する。

色合成プリズム１２０４にて、入射された赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が合成された画像光が投写レンズ１２０５を介して投写される。

図１３は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の画像表示装置は、複数のマイクロミラーの角度を個別に制御するマイクロミラー１３０４を用いて画像を形成するものである。

本実施形態の画像表示装置は、赤色光を発生する光源ユニット１３０１Ｒ、緑色光を発生する光源ユニット１３０１Ｇ、青色光を発生する光源ユニット１３０１Ｂ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。

光源ユニット１３０１Ｒにて発生した赤色光は集光レンズ１３０２Ｒを介して色合成プリズム１３０３に入射する。光源ユニット１３０１Ｇにて発生した緑色光は集光レンズ１３０２Ｇを介して色合成プリズム１３０３に入射する。光源ユニット１３０１Ｂにて発生した青色光は集光レンズ１３０２Ｂを介して色合成プリズム１３０３に入射する。

光源ユニット１３０１Ｒ、光源ユニット１３０１Ｇ、光源ユニット１３０１Ｂは、点灯状態が順次切り替えられるように制御されており、色合成プリズム１３０３からは赤色光、緑色光、青色光がマイクロミラー１３０４に向けて順番に照射される。

マイクロミラー１３０４は照射されている色光に応じた画像光を形成するものであり、これにより、赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が投写レンズ１３０５を介して順番に投写される。

図１４は、本発明による発光素子を用いた画像表示装置の他の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の画像表示装置は、複数のマイクロミラーの角度を個別に制御するマイクロミラー１４０５を用いて画像を形成するものである。

本実施形態の画像表示装置は、赤色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、緑色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、青色のＰ偏光、Ｓ偏光を発生する光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳ、を備えている。これらの各光源ユニットは、図１ないし図１１を用いて説明した本発明による発光素子を少なくとも１つ以上用いて構成されている。

光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳにて発生した赤色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒに入射する。偏光ビームスプリッタ１４０２ＲはＰ偏光についてはそのまま透過し、Ｓ偏光については反射する。この結果、光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳにて発生した赤色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒより出射される。

同様に、光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳにて発生した緑色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｇより出射され、光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳにて発生した青色のＰ偏光およびＳ偏光は偏光ビームスプリッタ１４０２Ｂより出射される。

偏光ビームスプリッタ１４０２Ｒ、偏光ビームスプリッタ１４０２Ｇ、偏光ビームスプリッタ１４０２Ｂより出射した光は、集光レンズ１４０３Ｒ、１４０３Ｇ、１４０３Ｂをそれぞれ介して色合成プリズム１４０４に入射する。

光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、光源ユニット１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、光源ユニット１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳは、各色の点灯状態が順次切り替えられるように制御されており、色合成プリズム１４０４からは赤色光、緑色光、青色光がマイクロミラー１４０５に向けて順番に照射される。

マイクロミラー１４０５は照射されている色光に応じた画像光を形成するものであり、これにより、赤色画像光、緑色画像光、青色画像光が投写レンズ１４０６を介して順番に投写される。

本実施形態の画像表示装置を図１３に示した画像表示装置と比較すると、各光源ユニットを構成する発光素子数が同じであるとすると光量が２倍となり、輝度が高いものとすることができる。

図１５は、図１２に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。

光源ユニット１２０１Ｒ、１２０１Ｇ、１２０１Ｂは、駆動回路１５０１Ｒ、１５０１Ｇ、１５０１Ｂにより駆動されて点灯状態とされる。なお、光源ユニット１２０１Ｒ、１２０１Ｇ、１２０１Ｂは、画像表示動作時には常時点灯状態とされるので、１つの駆動回路で駆動するものとしてもよい。

画像信号処理回路１５０１は、外部のＰＣ（パーソナルコンピュータ）や画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成して駆動回路１５０２Ｒ、１５０２Ｇ、１５０２Ｂに供給し、液晶表示装置１２０３Ｒ、１２０３Ｇ、１２０３Ｂは、駆動回路１５０２Ｒ、１５０２Ｇ、１５０２Ｂにより駆動されて赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を形成する。

図１６は、図１３に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。

画像信号処理回路１６０１は、外部のＰＣや画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成し、これらの画像が順次形成されるように駆動回路１６０４を介してマイクロミラー１３０４を駆動する。これと同時に、光源ユニット１３０１Ｒ、１３０１Ｇ、１３０１Ｂのうち、形成されている画像色の光源ユニットが点灯するように、駆動回路１６０２Ｒ、１６０２Ｇ、１６０２Ｂを制御する。

図１７は、図１４に示した画像表示装置の駆動系の構成を示す図である。

画像信号処理回路１７０１は、外部のＰＣや画像再生装置などから与えられる入力画像信号に応じた赤色用画像、緑色用画像、青色用画像を示す信号を生成し、これらの画像が順次形成されるように駆動回路１７０３を介してマイクロミラー１４０５を駆動する。これと同時に、光源ユニット１４０１ＲＰ，１４０１ＲＳ、１４０１ＧＰ，１４０１ＧＳ、１４０１ＢＰ，１４０１ＢＳのうち、形成されている画像色の光源ユニットが点灯するように、駆動回路１７０２ＲＰ，１７０２ＲＳ、１７０２ＧＰ，１７０２ＧＳ、１７０２ＢＰ，１７０２ＢＳを制御する。

図１８ａは、本発明による発光素子の他の実施形態の構成を示す断面図である。

本実施形態の発光素子１８００においても、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。

Siであるサブマウント１８０１上に、Ni/Au/Ti/AuからなるP型電極１８０２、Agからなる反射層１８０３が形成されている。

反射層１８０３上には、MgがドープされたGaNであるP型半導体層１８０４、GaNとInGaNとが交互に積層されて多重量子井戸を構成する活性層１８０５、SiがドープされたGaNであるN型半導体層１８０６とが順に積層されている。N型半導体層１８０６の上には、Ti/Al/Ti/AuからなるN型電極１８０７、偏光子層１８０８が形成され、偏光子層１８０８の上には、さらに、１／４波長板層１８０９、１／４波長板層１８１０が設けられている。

発光素子１８００の作製方法について説明する。まず、基板上に、Ｎ型半導体層１８０６、活性層１８０５、Ｐ型半導体層１８０４、反射層１８０３を形成する。次に、サブマウント１８０１上に反射層１８０３を貼り合わせ、基板を除去する。次に、Ｎ型半導体層１８０６上に偏光子層１８０８を形成する。１／４波長板層１８０９、１／４波長板層１８１０は別プロセスにより形成され、偏光子層１８０８上に貼り合わされる。最後に、Ｐ型電極１８０２、Ｎ型電極１８０７を形成する。

本実施形態の概略動作について説明する。P型電極１８０２とN型電極１８０７との間に電圧を加え、これらの間に電流を流すことにより活性層１８０５にて光が発生する。活性層１８０５にて発生した光には、様々な方向に向かう成分が含まれる。

図１８ｂ,図１８ｃは、図１８ａ中の偏光子層１８０８，１／４波長板層１８０９の構成をより詳細に示す断面図である。

図１８ｂ,図１８ｃに示されるように、偏光子層１８０８および１／４波長板層１８０９は、いずれも第１の領域および第２の領域をそれぞれ備えるものである。

偏光子層１８０８の第１の領域１８０８₁と第２の領域１８０８₂は、１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９₁と第２の領域１８０９₂と、発光素子１８００の出射光について対応するように設けられている。

偏光子層１８０８の第１の領域１８０８₁は、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射させる。偏光子層１８０８の第２の領域１８０８₂は、第１の方向の偏光と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外を反射する。偏光子層１８０８で反射された光は、反射層１８０３で、偏光子層１８０８に向けて反射するが、このとき、角度を以って反射するために偏光子層１８０８における反射位置とは異なる位置に再入射する。このため、偏光子層１８０８の再入射光には、偏光子層１８０８を透過する光が存在する。

１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９₁および第２の領域１８０９₂は、入射光の直交する２つの偏光成分に１／４波長分の位相差を与えて出射するもので、第１の領域と第２の領域はそれぞれ逆の符号の位相差を入射光の直交する２つの偏光成分に対して与える。

上述したように、１／４波長板層１８０９の第１の領域１８０９₁および第２の領域１８０９₂には直交する直線偏光が入射するため、その出射光は同一の向きに回る円偏光に揃えられる。

１／４波長板層１８１０は１／４波長板層１８０９が出射する円偏光の直交する２つの偏光成分に１／４波長分の位相差を与えて直線偏光として出射する。

上記の発光素子１８００を構成する偏光子層１８０８の具体的な構成としては、図２、図３、図６、図７に示した構成とすることができる。また、１／４波長板層１８０９の具体的な構成としては、図１８ｄ、図１８ｅに示す構成とすることができる。

図１８ｄ、図１８ｅに示す例では、石英である基板１８１０’、１８１０”の上に、SiO₂とTiO₂とが交互に積層された誘電体１８１１’、１８１１”が形成されている。誘電体１８１１’、１８１１”には、第１の領域１８０８₁’、１８０８₁”と第２の領域１８０８₂’、１８０８₂”が設けられている。

第１の領域１８０８₁’、１８０８₁”と第２の領域１８０８₂’、１８０８₂”は、特開2001-51122号公報に開示されるような、XY平面について、一方向については周期的な凹凸形状を持ち、これと直交する方向については一様となる周期的構造を持つことから１／４波長板として作用する。

図１８ｄに示す例では、第１の領域と第２の領域とが縞状に配設され、図１８ｅに示す例では、第１の領域と第２の領域とが千鳥状に配設されている。

また、発光素子１８００を用いた画像表示装置としては、図１２ないし図１７に示した構成とすることができる。

また、本実施形態の発光素子１８００においても、図１０および図１１を用いて説明した相対周期と角度幅の関係は保たれる。

本出願は、２００９年１０月２２日に出願された日本出願特願２００９−２４３３６７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００発光素子
１０１サブマウント
１０２Ｐ型電極
１０３反射層
１０４Ｐ型半導体層
１０５活性層
１０６Ｎ型半導体層
１０７Ｎ型電極
１０８偏光子層
１０９１／２波長板層

Claims

光を発生する活性層を備える発光素子であって、
前記活性層にて発生した光のうち、第１の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第１の領域と、前記第１の方向と直交する第２の方向の偏光を透過させ、それ以外は反射させる第２の領域と、を備える偏光子層と、
前記第１の領域と第２の領域より出射した光を入射し、同じ偏光状態の光として出射する第３の領域および第４の領域を備える波長板層と、
前記第１の領域および第２の領域で反射された光を反射する反射層と、を有することを特徴とする発光素子。
請求項１記載の発光素子において、
第１の領域と第２の領域、および、第３の領域と第４の領域は、縞状に隣接配置されていることを特徴とする発光素子。
請求項１記載の発光素子において、
第１の領域と第２の領域、および、第３の領域と第４の領域は、千鳥状に隣接配置されていることを特徴とする発光素子。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子において、
第３の領域および第４の領域は、入射光に異なる偏光回転角をそれぞれ与えて出射することを特徴とする発光素子。
請求項４記載の発光素子において、
第４の領域は入射光に対して第３の領域で与えられる偏光回転角に９０度の偏光回転角を加えて出射することを特徴とする発光素子。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発光素子において、
第３の領域および第４の領域は、入射光の直交する２つの偏光成分に異なる位相差をそれぞれ与えて円偏光として出射することを特徴とする発光素子。
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発光素子において、
第１の領域と第２の領域の幅を加えたものをＰ、偏光子層の厚さ方向の中心と反射層の厚さ方向の中心の間の距離をＬ１、活性層の厚さ方向の中心から偏光子層の中心までの距離をＬ２、としたときに、
Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が０．９から６．５の間であることを特徴とする発光素子。
請求項７記載の発光素子において、
Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が１．２から４．５の間であることを特徴とする発光素子。
請求項７記載の発光素子において、
Ｐ／（２Ｌ１＋Ｌ２）が２．３であることを特徴とする発光素子。
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の発光素子を用いた画像表示装置。