特許 5803672 発光素子、およびそれを備えた投写型表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5803672

(24)【登録日】2015年9月11日

(45)【発行日】2015年11月4日

(54)【発明の名称】発光素子、およびそれを備えた投写型表示装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/22 20100101AFI20151015BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20151015BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20151015BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20151015BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20151015BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 172

   H01L33/00 186

   G02B5/30

   G03B21/14 A

   G03B21/00 D

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2011-537225(P2011-537225)

(86)(22)【出願日】2010年10月15日

(86)【国際出願番号】JP2010068153

(87)【国際公開番号】WO2011049018

(87)【国際公開日】20110428

【審査請求日】2013年9月9日

(31)【優先権主張番号】特願2009-244434(P2009-244434)

(32)【優先日】2009年10月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】冨山 瑞穂

(72)【発明者】

【氏名】片山 龍一

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２６８８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１６８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３１１３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５３４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１６３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０６４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８３０３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６７４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−６０４３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０３Ｂ ２１／００

Ｇ０３Ｂ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、該基板の上に設けられ、該基板に平行な第１の方向の偏光成分の光強度が他の方向の偏光成分の光強度よりも大きい光を出射する発光部と、を有し、
前記発光部が、光を発生させる活性層と、該活性層に対して前記発光部の出射側に設けられ、前記活性層に平行な面に沿って２次元的に配列された複数の構造体と、を有し、
前記活性層に平行な断面において、前記各構造体の前記第１の方向の幅が、前記各構造体の、前記第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも小さく、
前記複数の構造体は、前記第１の方向に第１のピッチで周期的に配列され、前記第２の方向に、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで周期的に配列されている、発光素子。

【請求項2】

前記各構造体は、前記第１のピッチに対する前記第１の方向の幅の比が０．５であり、前記第２のピッチに対する前記第２の方向の幅の比が０．５である、請求項１に記載の発光素子。

【請求項3】

前記発光部から出射される光の真空中での波長をλ、前記第１のピッチをｐ１、前記第２のピッチをｐ２とすると、前記波長λに対する前記第１のピッチｐ１の比（ｐ１／λ）と、前記波長λに対する前記第２のピッチｐ２の比（ｐ２／λ）とが、
０．４＜（ｐ１／λ）＜０．８＜（ｐ２／λ）＜１．２
の関係を満たす、請求項１または２に記載の発光素子。

【請求項4】

前記発光部が、前記活性層を含む複数の層で構成された半導体層を有し、該半導体層の光の出射面側に前記複数の構造体が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子。

【請求項5】

前記半導体層の主面が非極性面または半極性面である、請求項４に記載の発光素子。

【請求項6】

前記発光部が、前記半導体層の光の出射面側に設置され、前記第１の方向に平行な偏光成分を透過させ、前記他の方向の偏光成分を反射させるようになっている偏光子をさらに有する、請求項４または５に記載の発光素子。

【請求項7】

前記各構造体が、前記半導体層の光の出射面側に形成された凸部である、請求項４から６のいずれか１項に記載の発光素子。

【請求項8】

前記各構造体が、前記半導体層の光の出射面側に形成された凹部である、請求項４から６のいずれか１項に記載の発光素子。

【請求項9】

前記半導体層がIII族窒化物を含む、請求項４から８のいずれか１項に記載の発光素子。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の発光素子を含む光源と、画像信号に応じて前記光源から出射される光を変調する光変調素子と、該光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えた投写型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光素子、およびそれを備えた投写型表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光源に用いる発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた投写型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）が提案されている。

【0003】

例えば、液晶パネルなどの光変調素子を用いて画像表示を行うＬＥＤプロジェクタでは、液晶パネルに偏光依存性があるため、ＬＥＤプロジェクタの光源としての発光素子には、偏光状態が制御された光を出射することが求められる。ここで、偏光状態が制御された光とは、特定の方向の偏光成分の光強度が、他の方向の偏光成分の光強度よりも強い光を意味する。

【0004】

偏光状態を制御する１つの方法として、偏光子を用いる方法がある。例えば、特許文献１には、発光層を有する半導体多層膜上に、発光層で生成されて放出される光の偏光を制御する偏光制御層（偏光子）を備えた発光素子が開示されている。

【0005】

一方、特許文献２には、非極性面または半極性面を主面とした半導体からなる活性層を有し、特定の偏光成分の光強度が他の偏光成分の光強度よりも大きい光を生成する発光部を有する発光素子が開示されている。これにより、偏光子を用いることなく、出射光の偏光状態の制御が可能となっている。

【0006】

また、ＬＥＤプロジェクタでは高輝度な画像表示が求められており、そのための高輝度な光源の実現には、光源である発光素子の出射面からの光の取り出し効率の向上が有効である。

【0007】

さらに、光変調素子へ光を投射する光学系においては、光源の面積と発散角とで決まるエテンデューという制約がある。つまり、光源からの光を投射光として利用するためには、光源の面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にする必要がある。そのため、光源からの光を有効に利用し、高輝度なＬＥＤプロジェクタを実現するためには、光源の指向性を向上させてエテンデューを下げることが不可欠である。

【0008】

このような、光源の光の取り出し効率と指向性を向上させる方法として、発光素子の出射面にフォトニック結晶を設けることが知られている（例えば、特許文献３参照）。

【0009】

また、特許文献４には、この光の取り出し効率と指向性との向上に加えて、偏光子により出射光の偏光制御を行う技術が提案されている。すなわち、特許文献４に記載の発光素子は、光を供給する発光部の出射側に、特定の偏光成分を透過させ、それに直交する偏光成分を反射させる反射型偏光板（偏光子）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（フォトニック結晶）とを有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００８−６０５３４号公報

【特許文献2】特開２００９−１１１０１２号公報

【特許文献3】特開２００６−３１０７３７号公報

【特許文献4】特開２００７−１０９６８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、特許文献１に記載の発光素子では、偏光子によって特定の偏光成分以外の光は遮蔽される。このため、偏光子に入射する光の光量に対し、偏光子を透過する光の光量の割合は最大でも５０％である。また、特許文献２に記載の発光素子では、所望の偏光成分以外の光も生成され、この光はＬＥＤプロジェクタでは利用できない。

【0012】

一方、特許文献３に記載の発光素子は、偏光状態が制御された光を出射するようには構成されていない。また、特許文献４に記載の発光素子においては、反射型偏光板を透過する光の偏光状態に応じてフォトニック結晶を構成することは考慮されていない。すなわち、特許文献４に記載の発光素子では、フォトニック結晶の構造が特定の偏光成分の光に対して最適化されていないため、高輝度かつ指向性が高い光源において、特定の偏光成分の光を高効率に出射することは困難である。

【0013】

そこで本発明は、上記問題を解決し、輝度および指向性が高く、出射光の偏光状態が制御された発光素子を提供することを目的とする。また、本発明は、その発光素子を備えた投写型表示装置を提供することも目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上述した目的を達成するために、本発明の発光素子は、基板と、基板の上に設けられ、基板に平行な第１の方向の偏光成分の光強度が他の方向の偏光成分の光強度よりも大きい光を出射する発光部と、を有している。発光部は、光を発生させる活性層と、活性層に対して発光部の出射側に設けられ、活性層に平行な面に沿って２次元的に配列された複数の構造体と、を有している。活性層に平行な断面において、各構造体の第１の方向の幅は、各構造体の、第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも小さい。複数の構造体は、第１の方向に第１のピッチで周期的に配列され、第２の方向に、第１のピッチよりも大きい第２のピッチで周期的に配列されている。

【0015】

また、本発明の投写型表示装置は、上記に記載の発光素子を含む光源と、画像信号に応じて光源から出射される光を変調する光変調素子と、光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えている。

【発明の効果】

【0016】

以上、本発明によれば、輝度および指向性が高く、出射光の偏光状態が制御された発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】本発明の第１の実施形態における発光素子を概略的に示す断面図である。

【図1B】本発明の第１の実施形態における発光素子のフォトニック結晶を概略的に示す斜視図である。

【図1C】図１Ｂのフォトニック結晶を概略的に示す平面図である。

【図2A】本発明のフォトニック結晶を最適化するための計算に用いた、フォトニック結晶のモデルを概略的に示す断面図である。

【図2B】偏光方向とフォトニック結晶の格子方向との関係を説明するためのＴＭ偏光およびＴＥ偏光の概念図である。

【図3A】図２Ａのフォトニック結晶のピッチに対する、ＴＭ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図3B】図２Ａのフォトニック結晶のピッチに対する、ＴＥ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図4A】図２Ａのフォトニック結晶のデューティ比に対する、ＴＭ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図4B】図２Ａのフォトニック結晶のデューティ比に対する、ＴＥ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図5A】本発明の第１の実施形態における発光素子のフォトニック結晶の変形例を概略的に示す斜視図である。

【図5B】図５Ａのフォトニック結晶を概略的に示す平面図である。

【図6A】本発明の第１の実施形態における発光素子のフォトニック結晶の別の変形例を概略的に示す斜視図である。

【図6B】図６Ａのフォトニック結晶を概略的に示す平面図である。

【図7A】本発明の第１の実施形態における発光素子のフォトニック結晶のさらに別の変形例を概略的に示す斜視図である。

【図7B】図７Ａのフォトニック結晶を概略的に示す平面図である。

【図8A】図２Ａのフォトニック結晶のデューティ比に対する、ＴＭ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図8B】図２Ａのフォトニック結晶のデューティ比に対する、ＴＥ偏光の取り出し効率の計算結果を示すグラフである。

【図9】本発明の第２の実施形態における発光素子を概略的に示す断面図である。

【図10】本発明の発光素子を備えた投写型表示装置の一実施形態における構成を概略的に示す配置図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

【0019】

まず、図１Ａから図８を参照しながら、本発明の発光素子の第１の実施形態について説明する。

【0020】

図１Ａから図１Ｃに、本実施形態の発光素子を概略的に示す。図１Ａは、本実施形態の発光素子の概略断面図であり、基板に直交する方向の断面を示している。また、図１Ｂおよび図１Ｃは、本実施形態の発光素子に設けられたフォトニック結晶（複数の構造体）の概略斜視図および概略平面図である。なお、以下の説明では、図１Ａから図１Ｃに示すように、基板に平行な面、すなわち発光素子の光の出射面に平行な面をｘｙ平面とし、基板に直交する方向をｚ方向とする。

【0021】

本実施形態の発光素子１は、基板３と、基板３上に設けられた反射層４と、反射層４上に設けられた正電極５および発光部１０と、発光部１０の光の出射面上に設けられた正電極６と、を有している。

【0022】

発光部１０は、反射層４の上面に設けられたｐ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１１上に設けられ、光を発生させる活性層１２と、活性層１２上に設けられたｎ型半導体層１３ａとによって構成された半導体層を有している。ｐ型半導体層１１は、マグネシウムがドープされたＧａＮからなる。活性層１２は、交互に積層されたＩｎＧａＮとＧａＮとからなり、量子井戸構造を有する。ｎ型半導体層１３ａは、シリコンがドープされた導電性のＧａＮからなる。各半導体層１１，１２，１３ａは、主面が非極性面または半極性面となるように、反射層４上に形成されている。ここで、主面とは、ｘｙ平面に平行な面である。これにより、活性層１２は、特定方向の偏光成分の光強度が大きい光を発生させることが可能となる。以下、このような光強度が大きくなっている偏光成分の方向を、便宜的に「偏光方向」と呼ぶことにする。本実施形態では、活性層１２は、活性層１２から発生する光の偏光方向がｘ方向（第１の方向）となるように構成されている。

【0023】

本実施形態では、この偏光方向がｘ方向である光の取り出し効率と指向性とを向上させるために、発光部１０の出射面、すなわちｎ型半導体層１３ａの上面に、フォトニック結晶１４ａが設けられている。

【0024】

フォトニック結晶１４ａは、図１Ｂに示すように、ｎ型半導体層１３ａの表面から突出するように形成され、ｘ方向およびｙ方向に沿って２次元的かつ周期的に配列された複数の凸部１５ａによって構成されている。ｚ方向から見た凸部１５ａは、図１Ｃに示すように、ｎ型半導体層１３ａの下にある活性層１２で発生する光の偏光方向（ｘ方向）に直交する方向（ｙ方向）に延びるような形状を有している。すなわち、凸部１５ａの、出射光の偏光方向であるｘ方向（第１の方向）の幅ｗ１が、ｘ方向に直交するｙ方向（第２の方向）の幅ｗ２よりも小さくなっている。さらに、本実施形態では、フォトニック結晶１４ａのデューティ比が、後述する理由から、ｘ方向およびｙ方向で共に０．５である。すなわち、ｘ方向のピッチ（第１のピッチ）ｐ１に対するｘ方向の幅ｗ１の比ｒ１＝ｗ１／ｐ１、および、ｙ方向のピッチ（第２のピッチ）ｐ２に対するｙ方向の幅ｗ２の比ｒ２＝ｗ２／ｐ２が、共に０．５である。

【0025】

本実施形態のフォトニック結晶１４ａでは、上述のように構成された複数の凸部１５ａが、活性層１２で発生する光の偏光方向（ｘ方向）と、それに直交する方向（ｙ方向）に周期的に配列されている。このとき、ｘ方向およびｙ方向のピッチｐ１，ｐ２は、図１Ｃに示すように、互いに異なっており、かつｐ２＞ｐ１の関係を満たしている。この関係が満たされていると、活性層で発生した光をフォトニック結晶を通じて発光素子の外部へと取り出す際に、光の取り出し効率と指向性とを向上させることが可能となる。このことは、以下に示す計算結果に基づいて本願発明者らが見出した新たな知見であり、本発明の大きな特徴である。

【0026】

以下に、図２Ａから図３Ｂを参照しながら、光の取り出し効率と指向性とを向上させる、フォトニック結晶の最適なピッチを設定するために行ったＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法による計算について説明する。

【0027】

図２Ａは、この計算に使用したフォトニック結晶のモデルの概略断面図であり、ｘ方向またはｙ方向から見た断面を示している。このモデルにおいて、ＧａＮ中に配置された光源からの出射光は、出射面に設けられたフォトニック結晶を通して空気中に取り出される。図２Ｂは、偏光方向とフォトニック結晶の格子方向との関係を説明するためのＴＭ偏光およびＴＥ偏光の概念図である。

【0028】

ここでは、図１Ｂおよび図１Ｃに示す２次元のフォトニック結晶に対して、偏光方向に平行な格子方向（ｘ方向）と、偏光方向に直交する格子方向（ｙ方向）との２方向で、それぞれ光の取り出し効率の計算を行った。

【0029】

実際には、図２Ａに示す１次元のフォトニック結晶のモデルを用い、このフォトニック結晶において、偏光方向が互いに直交するＴＭ偏光およびＴＥ偏光（図２Ｂ参照）が出射される場合の取り出し効率を計算した。ＴＭ偏光の偏光成分と１次元フォトニック結晶の格子方向との関係は、偏光方向がｘ方向の光と、２次元フォトニック結晶（図１Ｂおよび図１Ｃ参照）のｘ方向に配列された凸部との関係と等価である。一方で、ＴＥ偏光の偏光成分と１次元のフォトニック結晶の格子方向との関係は、偏光方向がｘ方向の光と、２次元のフォトニック結晶のｙ方向に配列された凸部との関係と等価である。したがって、図２Ａに示す１次元のフォトニック結晶に対して、ＴＭ偏光の光の取り出し効率の計算から、図１Ｃに示すｘ方向のピッチｐ１に対する光の取り出し効率が得られ、ＴＥ偏光の光の取り出し効率の計算から、２次元のフォトニック結晶のｙ方向のピッチｐ２に対する光の取り出し効率が得られることになる。

【0030】

なお、光の取り出し効率は、指向性を考慮するために、出射面に垂直な方向に対して±３０°以内の角度で出射される光の光量の、光源で発生する全光量に対する割合とした。このとき、フォトニック結晶（凸部）の断面形状に関しては、デューティ比が０．５である矩形形状として計算を行った。また、ここでは、ＧａＮからなるフォトニック結晶から空気中に光が出射する場合について、結晶（凸部）の高さｄをいくつか変化させながら、出射光の真空中での波長λで規格化したピッチｐｉに対して、光の取り出し効率の計算を行った。

【0031】

図３Ａおよび図３Ｂに、このようにして得られた、フォトニック結晶の周期（ピッチ）に対する光の取り出し効率の計算結果を示す。図３ＡはＴＭ偏光の場合、図３ＢはＴＥ偏光の場合の計算結果である。

【0032】

図３Ａおよび図３Ｂからわかるように、取り出し効率が極大を示すフォトニック結晶のピッチ範囲（図の陰影部分に相当）は、ＴＭ偏光およびＴＥ偏光でそれぞれ異なっている。図３ＡのＴＭ偏光の場合、偏光成分に平行な方向のピッチは、０．４λ〜０．８λが取り出し効率が極大となる最適値である。したがって、偏光方向がｘ方向の光に対する２次元フォトニック結晶のｘ方向の最適化されたピッチｐ１は、０．４λ＜ｐ１＜０．８λとなる。同様に、図３ＢのＴＥ偏光の場合から、偏光方向がｘ方向の光に対する２次元フォトニック結晶のｙ方向の最適化されたピッチｐ２は、０．８λ＜ｐ２＜１．２λとなる。したがって、フォトニック結晶の各方向のピッチｐ１，ｐ２と、出射光の真空中での波長λとの関係は、
０．４＜（ｐ１／λ）＜０．８＜（ｐ２／λ）＜１．２ （１）
を満たすことになる。

【0033】

また、図２Ａに示す１次元のフォトニック結晶のモデルを用い、ピッチｐｉに対するフォトニック結晶の凸部の幅ｗｉの比（デューティ比ｒｉ＝ｗｉ／ｐｉ）を、０．１から０．９まで変化させたときの、ＴＭ偏光およびＴＥ偏光の取り出し効率を計算した。このとき、フォトニック結晶のピッチｐｉは、ＴＭ偏光およびＴＥ偏光の計算に対して、それぞれ０．６λおよび１．０λとし、高さｄは、ＴＭ偏光とＴＥ偏光のいずれを計算するときも０．１５μｍとした。なお、光の取り出し効率は、指向性を考慮するために、出射面に垂直な方向に対して±３０°以内の角度で出射される光の光量の、光源で発生する全光量に対する割合とした。

【0034】

図４Ａおよび図４Ｂに、このようにして得られた、デューティ比ｒｉに対する取り出し効率の計算結果を示す。図４ＡはＴＭ偏光の場合、図４ＢはＴＥ偏光の場合の計算結果である。

【0035】

図４Ａおよび図４Ｂからわかるように、デューティ比に応じて、光の取り出し効率は変化する。最も取り出し効率が大きくなる最適なデューティ比は、ＴＭ偏光およびＴＥ偏光のいずれにおいても０．５である。この最適な値よりデューティ比が大きくまたは小さくなるほど、光の取り出し効率は低下する。したがって、高い光の取り出し効率を得るためには、フォトニック結晶のそれぞれの方向におけるデューティ比ｒ１およびデューティ比ｒ２が、０．５であればよい。

【0036】

周期構造が上記関係式（１）を満たすフォトニック結晶の構成は、図１Ｂおよび図１Ｃに示す構成に限定されず、例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すような構成も可能である。図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ本実施形態のフォトニック結晶の変形例を概略的に示す斜視図および平面図である。

【0037】

図５Ａおよび図５Ｂに示すフォトニック結晶１４ｂは、図１Ｂおよび図１Ｃにおける凸部１５ａの正方格子が２つ組み合わされたような構成を有している。凸部１５ｂがこのような配置をとることで、ｎ型半導体層１３ｂの表面に占める凸部１５ｂの割合が増加することになる。それにより、図５Ａおよび図５Ｂに示すフォトニック結晶１４ｂには、光の取り出し効率をより向上させることができるという効果もある。

【0038】

なお、図１Ｂおよび図１Ｃに示すフォトニック結晶１４ａと、図５Ａおよび図５Ｂに示すフォトニック結晶１４ｂでは、ｚ方向から見た凸部１５ａ，１５ｂの形状はそれぞれ楕円である。しかしながら、ｘ方向の幅とｙ方向の幅とが互いに異なっていれば、これに限定されることはなく、例えば、ｙ方向に延びる矩形であってもよい。また、長い方の対角線がｙ方向に延びる菱形など、さらに別の幾何形状であってもよい。

【0039】

一方、図３Ａおよび図３Ｂでは、フォトニック結晶の凸部の高さｄが正の場合の計算結果のみを示したが、凸部の高さｄが負の場合、すなわち凹部の場合も同様の計算結果となる。そのため、本実施形態のフォトニック結晶は、ｎ型半導体層の表面に開口するように形成された凹部によって構成されていてもよい。

【0040】

図６Ａおよび図７Ａは、そのようなフォトニック結晶を概略的に示す斜視図であり、図６Ｂおよび図７Ｂは、それぞれ図６Ａおよび図７Ａのフォトニック結晶を概略的に示す平面図である。図６Ａおよび図６Ｂには、図１Ｂおよび図１Ｃのフォトニック結晶１４ａに対応するフォトニック結晶１４ｃを示し、図７Ａおよび図７Ｂには、図５Ａおよび図５Ｂのフォトニック結晶１４ｂに対応するフォトニック結晶１４ｄを示してある。図１Ｂおよび図１Ｃに示すフォトニック結晶１４ａと、図５Ａおよび図５Ｂに示すフォトニック結晶１４ｂにおいては、凸部１５ａ，１５ｂのｘ方向およびｙ方向の幅を、それぞれｗ１およびｗ２とした。それに対し、図６Ａから図７Ｂに示すフォトニック結晶１４ｃ，１４ｄにおいては、凹部１５ｃ，１５ｄのｘ方向およびｙ方向の幅を、それぞれｗ１とｗ２としている。

【0041】

図８Ａおよび図８Ｂは、図２Ａに示す１次元のフォトニック結晶のモデルを用い、ピッチｐｉに対するフォトニック結晶の凹部の幅ｗｉの比（デューティ比ｒｉ）を、０．１から０．９まで変化させたときの、ＴＭ偏光（図８Ａ）およびＴＥ偏光（図８Ｂ）の取り出し効率の計算結果である。各計算結果は、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、デューティ比が０．５のときを対称軸として、図４Ａおよび図４Ｂに対してそれぞれ左右対称となる。したがって、フォトニック結晶が凹部により構成されている場合も、凸部の場合と同様に、高い取り出し効率を得るためには、フォトニック結晶のそれぞれの方向におけるデューティ比ｒ１およびデューティ比ｒ２が、０．５であればよい。

【0042】

また、図６Ａから図７Ｂに示すフォトニック結晶においても、図１Ｂおよび図１Ｃに示すフォトニック結晶や、図５Ａおよび図５Ｂに示すフォトニック結晶の場合と同様に、ｚ方向から見た凹部の形状は、矩形や菱形などに変更可能である。

【0043】

以上のように、本実施形態の発光素子では、活性層からの光の偏光状態に応じて周期が最適化されたフォトニック結晶が発光部の出射面に形成されているため、発光部からの光の取り出し効率と指向性とを最大限に向上させることが可能となる。

【0044】

次に、本発明の第２の実施形態における発光素子について説明する。

【0045】

図９は、本実施形態の発光素子を概略的に示す断面図であり、基板に直交する方向の断面を示している。

【0046】

本実施形態の発光素子１は、基板３と、基板３上に設けられた反射層４と、反射層４上に設けられた正電極５と、反射層４上に設けられ、半導体層２１−２３と偏光選択層２６とを有する発光部２０と、発光部２０の出射面上に設けられた正電極６と、を有している。

【0047】

発光部２０は、第１の実施形態と同様に、反射層４の上面に設けられたｐ型半導体層２１と、ｐ型半導体層２１上に設けられ、光を発生させる活性層２２と、活性層２２上に設けられたｎ型半導体層２３とによって構成された半導体層を有している。

【0048】

さらに、本実施形態では、発光部２０が、ｎ型半導体層２３の上面に形成されたフォトニック結晶２４上に、ｘ方向に平行な偏光成分を透過させ、それ以外の偏光成分を反射させるようになっている、ワイヤグリッド偏光子からなる偏光選択層２６を有している。この偏光選択層２６が設けられる点を除いて、外見上は、フォトニック結晶２４の構成を含めて、本実施形態と第１の実施形態とは同様である。

【0049】

しかしながら、本実施形態では、この偏光選択層２６が設けられる代わりに、発光部２０が、偏光方向がｘ方向の光ではなく、無偏光の光を出射するように構成されていてもよい。すなわち、各半導体層２１，２２，２３は、主面が極性面となるように、反射層４上に形成されていてもよい。いずれにしても、発光部２０で出射された光は、フォトニック結晶２４によってｘ方向の偏光成分の取り出し効率と指向性とが高められた後で、偏光選択層２６を透過するようになっている。このようにして、本実施形態の発光素子２においても、第１の実施形態と同様の効果が得られることになる。

【0050】

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、フォトニック結晶の凸部の構成および形状の変更が可能である。

【0051】

最後に、本発明の発光素子を備えた投写型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタの一実施形態について説明する。

【0052】

図１０は、本実施形態のＬＥＤプロジェクタの光学系の構成を概略的に示す配置図である。

【0053】

本実施形態のＬＥＤプロジェクタ３０は、各色光Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）に対して、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂと、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂから出射された色光Ｒ，Ｇ，Ｂを画像情報に応じて変調する表示素子（光変調素子）３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂと、をそれぞれ備えている。光源３１Ｇ，３１Ｂは、本発明の発光素子を含んでいる。光源３１Ｒには、半導体材料としてＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ等を用いた発光素子が用いられる。本実施形態では、表示素子として、透過型の液晶表示素子が用いられている。

【0054】

また、本実施形態のＬＥＤプロジェクタ３０は、表示素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂによって変調された各色光Ｒ，Ｇ，Ｂを合成して射出するクロスダイクロイックプリズム３４と、合成された光を投射して表示する投写レンズ（投写光学系）３７と、を備えている。さらに、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂと表示素子３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂとの間にはそれぞれ、光を表示素子へ照射するためのレンズ３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂが設けられている。

【0055】

クロスダイクロイックプリズム３４は、第１の膜３５が、赤色光Ｒのｓ偏光成分を反射して、緑色光Ｇのｐ偏光成分と青色光Ｂのｓ偏光成分とを透過させるように構成されている。一方で、クロスダイクロイックプリズム３４の第２の膜３６は、赤色光Ｒのｓ偏光成分と緑色光Ｇのｐ偏光成分とを透過させ、青色光Ｂのｓ偏光成分を反射するように構成されている。本発明の発光素子は、特定の方向の偏光成分の光の取り出し効率および指向性が高くなっている。そのため、緑色光Ｇのｐ偏光成分の光と青色光Ｂのｓ偏光成分の光とが前記の特定の方向の偏光成分となるように、光源Ｇおよび光源Ｂを配置することにより、ＬＥＤプロジェクタ３０の光学系の光利用効率を向上させることが可能となる。

【0056】

なお、ＬＥＤプロジェクタの表示素子としては、反射型液晶表示素子やデジタルミラーデバイスなどの、反射型の表示素子を用いることも可能である。

【0057】

以上、実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態および実施例に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【0058】

この出願は、２００９年１０月２３曰に出願された日本出願特願２００９−２４４４３４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。

【符号の説明】

【0059】

１，２ 発光素子
３ 基板
４ 反射層
５ 負電極
６ 正電極
１０，２０ 発光部
１１，２１ ｐ型半導体層
１２，２２ 活性層
１３ａ−１３ｄ，２３ ｎ型半導体層
１４ａ−１４ｄ，２４ フォトニック結晶
１５ａ，１５ｂ 凸部
１５ｃ，１５ｄ 凹部
２６ 偏光選択層
３０ ＬＥＤプロジェクタ
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ 光源
３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ レンズ
３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ 表示素子
３４ クロスダイクロイックプリズム
３５ 第１の膜
３６ 第２の膜
３７ 投写レンズ

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】