特許 7105442 発光装置およびプロジェクター

(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】

(24)【登録日】2022-07-14

(45)【発行日】2022-07-25

(54)【発明の名称】発光装置およびプロジェクター

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/18 20210101AFI20220715BHJP

   H01L 33/08 20100101ALI20220715BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20220715BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20220715BHJP

【ＦＩ】

H01S5/18 ZNM

H01L33/08

G03B21/00 D

G03B21/14 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018147763

(22)【出願日】2018-08-06

(65)【公開番号】P2020024982

(43)【公開日】2020-02-13

【審査請求日】2021-06-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】502350504

【氏名又は名称】学校法人上智学院

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100148323

【弁理士】

【氏名又は名称】川▲崎▼ 通

(74)【代理人】

【識別番号】100168860

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 充史

(72)【発明者】

【氏名】石沢 峻介

(72)【発明者】

【氏名】岸野 克巳

【審査官】村川 雄一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３６５４８０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ３３／００－３３／４６

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

Ｇ０３Ｂ２１／００

Ｇ０３Ｂ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部を有する積層体と、
を有し、
前記柱状部は、発光層を有し、
前記積層体の積層方向における、前記柱状部の最も前記基体側の第１位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をａとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体側の第２位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｂとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体から離れた側の第３位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｃとし、
前記積層方向における、前記柱状部の最も前記基体から離れた側の第４位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｄとし、
前記積層方向において、前記第１位置と前記第２位置との間の距離をＬ１、前記第３位置と第４位置との間の距離をＬ２、としたとき、
（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ
の関係を満た し、
前記発光層は、
第１部分と、
前記第１部分よりもＩｎの濃度が低い第２部分と、
を有し、
前記積層方向からみて、前記第２部分は、前記第１部分を囲んでいる、 発光装置。

【請求項2】

基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部を有する積層体と、
前記積層体の前記基体側とは反対側に設けられた電極と、
を有し、
前記柱状部は、発光層を有し、
前記積層体の積層方向における、前記柱状部の最も前記基体側の第１位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をａとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体側の第２位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｂとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体から離れた側の第３位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｃとし、
前記積層方向における、前記柱状部の前記電極との接触領域の最も前記基体側の第４位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｄとし、
前記積層方向において、前記第１位置と前記第２位置との間の距離をＬ１、前記第３位置と前記第４位置との間の距離をＬ２、としたとき、
（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ
の関係を満た し、
前記発光層は、
第１部分と、
前記第１部分よりもＩｎの濃度が低い第２部分と、
を有し、
前記積層方向からみて、前記第２部分は、前記第１部分を囲んでいる、 発光装置。

【請求項3】

基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部を有する積層体と、
を有し、
前記柱状部は、発光層を有し、
前記積層体の積層方向における、前記柱状部の最も前記基体側の第１位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の径をａとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体側の第２位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｂとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体から離れた側の第３位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｃとし、
前記積層方向において、前記第３位置より前記基体から離れた側で、前記積層方向からみた前記柱状部の径が最大である第４位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の径をｄとし、
前記積層方向において、前記第１位置と前記第２位置との間の距離をＬ１、前記第３位置と第４位置との間の距離をＬ２、としたとき、
（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ
の関係を満た し、
前記発光層は、
第１部分と、
前記第１部分よりもＩｎの濃度が低い第２部分と、
を有し、
前記積層方向からみて、前記第２部分は、前記第１部分を囲んでいる、 発光装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記発光層は、複数の前記第１部分を有し、
複数の前記第１部分は、前記積層方向に並び、
隣り合う前記第１部分の間には、前記第２部分が設けられている、発光装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記柱状部は、
第１半導体層と、
前記第１半導体層と導電型の異なる第２半導体層と、
を有し、
前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられている、発光装置。

【請求項6】

請求項１ないし５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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光装置およびプロジェクターに関する。

【背景技術】

【0002】

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。このような半導体レーザーは、例えば、プロジェクターの光源として適用される。

【0003】

例えば特許文献１には、ｎ型ポスト、ｎ型ポスト上に設けられた発光領域ポスト、および発光領域ポスト上に設けられたｐ型ポストを有する柱状部を含む半導体発光装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－９００２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような発光装置において、ｎ型半導体層側からｐ型半導体層側に向けて一定の割合で徐々に幅が大きくなる柱状部を有する発光装置が知られている。このような発光装置では、活性層で発生した光が柱状部のｐ型半導体層側に漏れて、例えばｐ型半導体層上に設けられた電極に吸収されてしまう場合がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る発光装置の一態様は、
基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部を有する積層体と、
を有し、
前記柱状部は、発光層を有し、
前記積層体の積層方向における、前記柱状部の最も前記基体側の第１位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をａとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体側の第２位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｂとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体から離れた側の第３位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｃとし、
前記積層方向における、前記柱状部の最も前記基体から離れた側の第４位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｄとし、
前記積層方向において、前記第１位置と前記第２位置との間の距離をＬ１、前記第３位置と第４位置との間の距離をＬ２、としたとき、
（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ
の関係を満たす。

【0007】

本発明に係る発光装置の一態様は、
基体と、
前記基体に設けられ、複数の柱状部を有する積層体と、
前記積層体の前記基体側とは反対側に設けられた電極と、
を有し、
前記柱状部は、発光層を有し、
前記積層体の積層方向における、前記柱状部の最も前記基体側の第１位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をａとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体側の第２位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｂとし、
前記積層方向における、前記発光層の最も前記基体から離れた側の第３位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｃとし、
前記積層方向における、前記柱状部の前記電極との接触領域の最も前記基体側の第４位置での、前記積層方向からみた前記柱状部の最大幅をｄとし、
前記積層方向において、前記第１位置と前記第２位置との間の距離をＬ１、前記第３位置と前記第４位置との間の距離をＬ２、としたとき、
（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ
の関係を満たす。

【0008】

前記発光装置の一態様において、
前記発光層は、
第１部分と、
前記第１部分よりもＩｎの濃度が低い第２部分と、
を有し、
前記積層方向からみて、前記第２部分は、前記第１部分を囲んでいてもよい。

【0009】

前記発光装置の一態様において、
前記発光層は、複数の前記第１部分を有し、
複数の前記第１部分は、前記積層方向に並び、
隣り合う前記第１部分の間には、前記第２部分が設けられていてもよい。

【0010】

前記発光装置の一態様において、
前記柱状部は、
第１半導体層と、
前記第１半導体層と導電型の異なる第２半導体層と、
を有し、
前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられていてもよい。

【0011】

本発明に係るプロジェクターは、
前記発光装置の一態様を有する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図2】第１実施形態に係る発光装置を模式的に示す平面図。

【図3】第１実施形態に係る発光装置の柱状部を模式的に示す断面図。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】第２実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図8】第２実施形態の変形例に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図9】第３実施形態に係る発光装置を模式的に示す断面図。

【図10】第３実施形態に係る発光装置の柱状部を模式的に示す断面図。

【図11】第４実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。

【図12】位置ＡにおけるＳＥＭ像。

【図13】位置ＢにおけるＳＥＭ像。

【図14】位置ＣにおけるＳＥＭ像。

【図15】位置ＤにおけるＳＥＭ像。

【図16】位置ＤにおけるＳＥＭ像。

【図17】ＰＬ特性の結果を示すグラフ。

【図18】ＳＥＭ像。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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。

【0014】

１． 第１実施形態
１．１． 発光装置
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を模式的に示す断面図である。図２は、第１実施形態に係る発光装置１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ－Ｉ線断面図である。

【0015】

発光装置１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、積層体２０と、第１電極４０と、第２電極４２と、を含む。なお、便宜上、図２では、積層体２０の柱状部３０以外の部材の図示を省略している。

【0016】

基体１０は、例えば、板状の形状を有している。基体１０は、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＮ基板、サファイア基板などである。

【0017】

積層体２０は、基体１０に設けられている。図示の例では、積層体２０は、基体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、を有している。

【0018】

なお、本発明において、「上」とは、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、柱状部３０の発光層３４からみて基体１０から遠ざかる方向のことであり、「下」とは、積層方向において、発光層３４からみて基体１０に近づく方向のことである。

【0019】

また、本発明において、「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。

【0020】

バッファー層２２は、基体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層やＡｌＧａＮ層などである。バッファー層２２は、例えば、基部２４と、凸部２６と、を有している。基部２４は、基体１０上に設けられている。基部２４の上面には、凸部２６、および柱状部３０を形成するためのマスク層５０が設けられている。凸部２６は、マスク層５０に形成された開口部に位置している。

【0021】

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の積層方向と直交する方向における断面形状は、例えば、多角形、円などである。図２に示す例では、柱状部３０の断面形状は、正六角形である。柱状部３０の径は、例えば、ｎｍオーダーであり、具体的には１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。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の積層方向の大きさは、
例えば、０．１μｍ以上５μｍ以下である。

【0022】

なお、本発明において、「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の平面形状が多角形の場合は、該多角形を内部に含む最小の円、すなわち最小包含円の直径である。また、「平面形状」とは、積層方向からみた形状のことである。

【0023】

柱状部３０は、図１および図２に示すように、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３０ｎｍ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２に示す例では、複数の柱状部３０は、平面視において、正三角格子状に配列されている。複数の柱状部３０は、例えば、積層方向からみて、最密充填に配列されている。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。

【0024】

柱状部３０は、図１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。

【0025】

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、基体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層やＡｌＧａＮ層などである。第１半導体層３２は、発光層３４と接触する第１接触領域３２ａを有している。第１接触領域３２ａは、第１半導体層３２の上面である。図示の例では、第１接触領域３２ａは、ファセット面である。

【0026】

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、不純物がドープされていないｉ型の半導体層である。発光層３４は、電流が注入されることで光を発生させることが可能な層である。

【0027】

発光層３４は、第１部分３４ａと、第２部分３４ｂと、を有している。第１部分３４ａおよび第２部分３４ｂは、例えば、ＩｎＧａＮ層である。第２部分３４ｂのインジウム（Ｉｎ）の濃度は、第１部分３４ａのＩｎの濃度よりも低い。第２部分３４ｂのバンドギャップは、第１部分３４ａのバンドギャップよりも大きい。積層方向からみて、第２部分３４ｂは、第１部分３４ａを囲んでいる。第１部分３４ａは、複数設けられている。複数の第１部分３４ａは、積層方向に並んでいる。隣り合う第１部分３４ａの間には、第２部分３４ｂが設けられている。図示の例では、第１部分３４ａは、３つ設けられている。発光層３４は、第１部分３４ａおよび第２部分３４ｂから構成された井戸構造を有している。

【0028】

なお、発光層３４は、例えば、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とから構成された半導体超格子(ＳＬ)構造を有するガイド層を有していてもよい。この場合、ガイド層が第１部分３４ａおよび第２部分３４ｂを有していてもよい。

【0029】

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層やＡｌＧａＮ層などである。第２半導体層３６は、発光層３４と接触する第２接触領域３６ａを有している。第２接触領域３６ａは、第２半導体層３６の上面である。図示の例では、第２接触領域３６ａは、平坦な面である。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。

【0030】

発光装置１００では、ｐ型の第２半導体層３６、不純物がドープされていない発光層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４０と第２電極４２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において発生した光は、第１半導体層３２および第２半導体層３６により積層方向と直交する方向に伝搬し、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、発光層３４において利得を受けてレーザー発振する。そして、発光装置１００は、＋１次回折光および－１次回折光をレーザー光として、積層方向に出射する。

【0031】

なお、図示はしないが、基体１０とバッファー層２２との間、または基体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、第２電極４２側からのみ光を出射することができる。

【0032】

ここで、図３は、発光装置１００の柱状部３０を模式的に示す断面図である。第１位置Ｐ１は、図３に示すように、積層方向における、柱状部３０の最も基体１０側の位置である。図示の例では、第１位置Ｐ１は、例えば、柱状部３０のバッファー層２２との接触領域の位置である。第２位置Ｐ２は、積層方向における、発光層３４の最も基体１０側の位置である。第３位置Ｐ３は、積層方向における、発光層３４の最も基体１０から離れた側の位置である。第４位置Ｐ４は、積層方向における、柱状部３０の最も基体１０から離れた側の位置である。第４位置Ｐ４は、例えば、柱状部３０の第２電極４２との第２接触領域３６ａの位置である。

【0033】

発光装置１００では、積層方向からみて、第１位置Ｐ１での柱状部３０の最大幅をａとし、第２位置Ｐ２での柱状部３０の最大幅をｂとし、第３位置Ｐ３での柱状部３０の最大幅をｃとし、第４位置Ｐ４での柱状部３０の最大幅をｄとし、積層方向において、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の距離をＬ１、第３位置Ｐ３と第４位置Ｐ４との間の距離をＬ２、としたとき、下記式（１）の関係を満たす。

【0034】

（ｂ－ａ）／Ｌ１＞（ｄ－ｃ）／Ｌ２、ａ＜ｂ、ｃ＜ｄ、かつ、ａ＜ｄ ・・・（１）

【0035】

式（１）において、（ｂ－ａ）／Ｌ１は、例えば、柱状部３０の発光層３４よりも下部における、基体１０側から第２電極４２側に向かう最大幅の拡大率（以下、「第１拡大率」ともいう）である。（ｄ－ｃ）／Ｌ２は、例えば、柱状部３０の発光層３４よりも上部における、基体１０側から第２電極４２側に向かう最大幅の拡大率（以下、「第２拡大率」ともいう）である。なお、「柱状部の最大幅」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の平面形状が多角形の場合は、該多角形を内部に含む最小包含円の直径である。

【0036】

第１電極４０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４０とオーミックコンタクトしていてもよい。第１電極４０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４０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４０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４０としては、例えば、バッファー層２２側から、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いる。なお、基体１０が導電性の場合には、図示はしないが、第１電極４０は、基体１０の下に設けられていてもよい。

【0037】

第２電極４２は、積層体２０の基体１０側とは反対側に設けられている。図示の例では、第２電極４２は、第２半導体層３６上に設けられている。第２半導体層３６は、第２電極４２とオーミックコンタクトしていてもよい。第２電極４２は、第２半導体層３６と電気的に接続されている。第２電極４２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４２としては、例えば、ＩＴＯ（indium tin oxide）などを用いる。

【0038】

発光装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。

【0039】

発光装置１００では、上記式（１）を満たす。そのため、発光装置１００では、柱状部３０の発光層３４よりも上部の第２拡大率は、柱状部３０の発光層３４よりも下部の第１拡大率よりも小さい。これにより、発光装置１００では、例えば第２拡大率が第１拡大率と同じ場合に比べて、柱状部３０の発光層３４よりも上部における平均屈折率を小さくすることができる。具体的には、第２半導体層３６の平面方向の平均屈折率を小さくすることができる。したがって、発光装置１００では、柱状部３０の上部側から漏れる光の量、具体的には、柱状部３０の第２半導体層３６側に漏れる光の量を低減することができ、例えば、第２電極４２において吸収される光の量を低減することができる。また、例えば、発光層３４近傍の光強度を大きくすることができる。

【0040】

なお、「平面方向の平均屈折率」とは、積層方向の所定の位置において、積層方向と直交する方向の平均屈折率であり、例えば、積層体２０の柱状部３０が設けられた部分の平面方向の平均屈折率をｎ_ＡＶＥとすると、ｎ_ＡＶＥは、下記式（２）として表される。

【0041】

【数1】

【0042】

ただし、上記式（２）において、ε_Ａは、柱状部３０の誘電率であり、ε_Ｂは、複数の柱状部３０の間の部分の誘電率であり、図示の例では、空気の誘電率である。φは、積層方向の所定の位置において、平面に方向における、複数の柱状部３０の面積の総和と、複数の柱状部３０の間の部分の面積の総和と、の合計に対する、複数の柱状部３０の面積の総和の比であり、柱状部３０の充填率ともいえる。

【0043】

発光装置１００では、発光層３４は、第１部分３４ａと、第１部分３４ａよりもＩｎの濃度が低い第２部分３４ｂと、を有し、積層方向からみて、第２部分３４ｂは、第１部分３４ａを囲んでいる。そのため、発光装置１００では、後述する実験例のように、出射される光の波長のばらつきが小さく、純色性の高い光を出射することができる。これにより、発光装置１００では、発振波長の光を効率的に増幅することできるとともに、吸収損失を低減でき、発振閾値の低減が可能となる。

【0044】

発光装置１００では、発光層３４は、複数の第１部分３４ａを有し、複数の第１部分３４ａは、積層方向に並び、隣り合う第１部分３４ａの間には、第２部分３４ｂが設けられている。そのため、発光装置１００では、第１部分３４ａを形成する際に過剰なＩｎが結晶表面に析出して滞在したとしても、第１部分３４ａ上に第２部分３４ｂを形成することにより、例えば過剰なＩｎは第２部分３４ｂに取り込まれ、過剰なＩｎを除去することができる。

【0045】

発光装置１００では、柱状部３０は、第１半導体層３２と、第１半導体層３２と導電型の異なる第２半導体層３６と、を有し、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。そのため、発光装置１００では、ｐ型の第２半導体層３６、不純物がドープされていない発光層３４、およびｎ型の第１半導体層３２により、ｐｉｎダイオードを構成することができる。

【0046】

なお、上記では、発光装置１００は、レーザーであったが、本発明に係る発光装置は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。

【0047】

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～図６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。

【0048】

図４に示すように、基体１０上に、バッファー層２２の基部２４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、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法が挙げられる。より具体的には、高周波プラズマ窒素源を利用したＭＢＥ（ＲＦ－ＭＢＥ）法が挙げられる。

【0049】

次に、バッファー層２２上にマスク層５０を形成する。マスク層５０は、例えば、酸化シリコン層、酸化チタン層、チタン層、これらの積層膜などである。マスク層５０は、例えば、電子ビーム蒸着法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによる成膜、ならびにフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によるパターニングによって形成される。

【0050】

次に、マスク層５０をマスクとして、例えば、ＲＦ－ＭＢＥにより、バッファー層２２の基部２４上に、バッファー層２２の凸部２６および第１半導体層３２をエピタキシャル成長させる。

【0051】

図５に示すように、例えば、ＲＦ－ＭＢＥにより、第１半導体層３２上に第１層３５ａをエピタキシャル成長させる。第１層３５ａは、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含む。第１層３５ａの成長を、Ｉｎの照射量比を所定以上として行うことにより、ＩｎＧａＮは、第１半導体層３２の第１接触領域３２ａ全面での成長が抑制されてＩｎが第１接触領域３２ａをマイグレーションし、第１半導体層３２の頂上部に対してｃ軸方向に結晶が析出する。このとき、ＩｎＧａＮは、例えばＧａＮ層との格子歪みの蓄積を回避するために、柱状部３０の中央部に凝集してドット状に成長する。これにより、第１部分３４ａと、第１部分３４ａよりもＩｎの濃度が低い第２部分３４ｂとが形成される。図示はしないが、成長中、過剰なＩｎは結晶表面に析出して滞在する。第１層３５ａの成長温度は、例えば、６００℃以上７００℃以下である。

【0052】

図６に示すように、例えば、ＲＦ－ＭＢＥにより、第１層３５ａ上に第２層３５ｂをエピタキシャル成長させる。第２層３５ｂの成長は、Ｉｎの照射を遮断してＧａおよびＮのみを照射する。これにより、析出されたＩｎは、結晶に取り込まれてＩｎＧａＮとなる。また、析出されたＩｎは、第２層３５ｂの成長時の熱により蒸発して除去される。これにより、第１部分３４ａ上に第２部分３４ｂを形成することができる。第２層３５ｂの成長温度は、例えば、６００℃以上９００℃以下である。

【0053】

析出されたＩｎが除去された後に、Ｉｎ照射を再開し、ＩｎＧａＮを成長させる。以上のようにＩｎの照射と遮断とを繰り返すことにより、図１に示すように、Ｉｎの濃度が高い３つの第１部分３４ａが、Ｉｎの濃度が低い第２部分３４ｂに覆われた発光層３４を形成することができる。なお、便宜上、図１では、第１層３５ａの第２部分３４ｂと、第２層３５ｂの第２部分３４ｂと、を一体的に図示している。

【0054】

ここで、積層方向からみて、第１部分３４ａの径は、例えば、ＩｎＧａＮとＧａＮとの格子定数の差から決まる。そのため、複数の柱状部３０間において、径のばらつきを小さくすることができ、均一性の高い発光特性を得ることができる。

【0055】

図１に示すように、例えば、発光層３４上に第２半導体層３６をエピタキシャル成長さ
せる。これにより、柱状部３０を形成することができる。

【0056】

なお、第２半導体層３６および発光層３４の成長温度を、第１半導体層３２の成長温度よりも例えば２００℃程度低くすることで、第２半導体層３６および発光層３４の径を、第１半導体層３２の径よりも大きくすることができる。

【0057】

また、第２半導体層３６は、例えば、Ｍｇがドープされているため、径が大きくなりやすい。しかし、図２に示すように、積層方向からみて、平面形状が正六角形の柱状部３０を正三角格子状に配列させて最密充填に配置することにより、複数の柱状部３０の間の距離を小さくすることができる。そのため、第２半導体層３６を成長させる際の原料が複数の柱状部３０の間に入りにくくなり（シャドウ効果）、第２半導体層３６の径が発光層３４の径に対して大きくなりすぎることを抑制することができる。複数の柱状部３０の間の距離は、第２半導体層３６を成長させる際に、シャドウ効果が発現される距離であり、シャドウ効果および成長温度により、式（１）を満たす柱状部３０を形成することができる。

【0058】

次に、バッファー層２２上に第１電極４０を形成し、第２半導体層３６上に第２電極４２を形成する。第１電極４０および第２電極４２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４０および第２電極４２の形成順序は、特に限定されない。

【0059】

以上の工程により、発光装置１００を製造することができる。

【0060】

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７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。

【0061】

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。

【0062】

上述した発光装置１００では、発光層３４の第２部分３４ｂは、ＩｎＧａＮ層であった。これに対し、発光装置２００では、図７に示すように、第２部分３４ｂは、ＩｎＧａＮ層である第１領域３４ｂ１と、ＧａＮ層である第２領域３４ｂ２と、を有している。

【0063】

第１領域３４ｂ１のＩｎの濃度は、第１部分３４ａのＩｎの濃度よりも低い。第２領域３４ｂ２は、積層方向からみて、第１部分３４ａおよび第１領域３４ｂ１を囲んでいる。

【0064】

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、説明する。発光装置２００の製造方法は、例えば、発光装置１００に比べて、発光層３４を形成する際に、Ｉｎの照射を遮断してＧａおよびＮのみを照射する第２層３５ｂの成長時間を長くすること以外は、上述した第１実施形態に係る発光装置１００の製造方法と基本的に同様である。したがって、その説明を省略する。

【0065】

２．３． 発光装置の変形例
次に、第２実施形態の変形例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８は、第２実施形態の変形例に係る発光装置２１０を模式的に示す断面図である。

【0066】

以下、第２実施形態の変形例に係る発光装置２１０において、上述した第２実施形態に
係る発光装置２００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。

【0067】

発光装置２１０では、図８に示すように、積層体２０は、第３半導体層３８を有している点において、上述した発光装置２００と異なる。

【0068】

第３半導体層３８は、柱状部３０と第２電極４２との間に設けられている。第３半導体層３８は、例えば、複数の柱状部３０を繋げている層である。第３半導体層３８の材質は、例えば、第２半導体層３６と同じである。図示の例では、第４位置Ｐ４は、柱状部３０の第３半導体層３８との接触領域の位置である。発光装置２１０は、例えば、発光装置２００に比べて、隣り合う柱状部３０の間の距離が小さい。

【0069】

発光装置２１０は、発光層３４上に第２半導体層３６を成長させて柱状部３０を形成した後、さらに、ＧａＮ層を成長させることにより、第３半導体層３８を形成することができる。

【0070】

３． 第３実施形態
３．１． 発光装置
次に、第３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９は、第３実施形態に係る発光装置３００を模式的に示す断面図である。

【0071】

以下、第３実施形態に係る発光装置３００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。

【0072】

発光装置１００では、図１に示すように、第２接触領域３６ａは、平坦な面であった。これに対し、発光装置３００では、図９に示すように、第２接触領域３６ａは、ファセット面である。

【0073】

ここで、図１０は、発光装置３００の柱状部３０および第２電極４２を模式的に示す断面図である。発光装置３００では、図１０に示すように、第４位置Ｐ４は、積層方向における、第２接触領域３６ａの基体１０側の位置である。

【0074】

発光装置３００では、発光装置１００と同様に、柱状部３０の第２半導体層３６側に漏れる光の量を低減することができ、例えば、第２電極４２において吸収される光の量を低減することができる。

【0075】

３．２． 発光装置の製造方法
次に、第３実施形態に係る発光装置３００の製造方法について、説明する。発光装置３００の製造方法では、例えば、第２半導体層３６の成長温度や成膜速度を調整して第２接触領域３６ａをファセット面とすること以外は、上述した第１実施形態に係る発光装置１００の製造方法と基本的に同様である。したがって、その説明を省略する。なお、発光装置１００の製造方法では、ファセット面を有する第２半導体層３６を形成した後に、エッチングなどによって第２接触領域３６ａを平坦な面にしてもよい。

【0076】

４． 第４実施形態
次に、第４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１１は、第４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。

【0077】

本発明に係るプロジェクターは、本発明に係る発光装置を有している。以下では、本発
明に係る発光装置として発光装置１００を有するプロジェクター９００について説明する。

【0078】

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。赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、および青色光源１００Ｂの各々は、例えば、複数の発光装置１００を積層方向と直交する方向にアレイ状に配置させ、複数の発光装置１００において基体１０を共通基板としたものである。赤色光源１００Ｒ、緑色光源１００Ｇ、青色光源１００Ｂの各々を構成する発光装置１００の数は、特に限定されない。なお、便宜上、図１１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。

【0079】

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レンズアレイ９０２Ｒと、第２レンズアレイ９０２Ｇと、第３レンズアレイ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。

【0080】

赤色光源１００Ｒから出射された光は、第１レンズアレイ９０２Ｒに入射する。赤色光源１００Ｒから出射された光は、第１レンズアレイ９０２Ｒによって、集光され、例えば重畳されることができる。

【0081】

第１レンズアレイ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。

【0082】

緑色光源１００Ｇから出射された光は、第２レンズアレイ９０２Ｇに入射する。緑色光源１００Ｇから出射された光は、第２レンズアレイ９０２Ｇによって、集光され、例えば重畳されることができる。

【0083】

第２レンズアレイ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。

【0084】

青色光源１００Ｂから出射された光は、第３レンズアレイ９０２Ｂに入射する。青色光源１００Ｂから出射された光は、第３レンズアレイ９０２Ｂによって、集光され、例えば重畳されることができる。

【0085】

第３レンズアレイ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。

【0086】

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。

【0087】

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十字状に配置されている。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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

本発明に係る発光装置の用途は、上述した実施形態に限定されず、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、スキャナー、車載用ライト、光を用いるセンシング機器、通信機器等の光源がある。

【0092】

５． 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

【0093】

５．１． 第１実験
５．１．１． 試料の作製
ＲＦ－ＭＢＥ法を用いてＧａＮ柱状結晶上へのＩｎＧａＮ結晶の成長実験を行った。具体的には、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを３０分間同時に供給して、ＧａＮ柱状結晶上にＩｎＧａＮ結晶を成長させ、さらに、Ｇａ、Ｎを５分間同時に供給してＩｎＧａＮ結晶上にＧａＮ結晶を成長させて、ナノコラムを形成した。

【0094】

５．１．２． ＳＥＭ観察
上記のように作成した試料に対して、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を行った。図１２～図１４は、同一基板の面内において、１．７ｍｍずつ離れた位置Ａ，Ｂ，Ｃの３箇所におけるナノコラム上部の鳥瞰ＳＥＭ像である。

【0095】

図１２に示すように、位置Ａでは、ナノコラムの頂上部の形状は、六角錐状であった。図１４に示すように、位置Ｃでは、ナノコラムの中央部にＩｎＧａＮが凝集して微結晶が析出した。図１３に示すように、位置Ｂでは、位置Ａのナノコラムと、位置Ｃでのナノコラムとが混在した様子となった。位置Ａ，Ｂ，Ｃの成長条件の違いは、主に成長温度であ
り、ＲＦ－ＭＢＥ装置の特性上、位置Ｂの温度は、位置Ａの温度よりも低く、位置Ｃの温度は、位置Ｂの温度よりも低いことが経験上わかっている。

【0096】

図１５は、位置Ｃよりさらに１．７ｍｍ離れた位置ＤでのＳＥＭ像である。図１６は、図１５の破線で囲んだ領域の拡大図である。位置Ｄは、位置Ｃよりも温度が低い位置である。図１５および図１６に示すように、位置Ｄでは、Ｉｎがドロップレットして析出するという異常成長が確認された。そのため、位置Ｄでは、ナノコラムが結合して不均一な形状となり、波長などが変化して不均質な発光特性となる。

【0097】

一方、位置Ｃでは、ナノコラムの中央部にＩｎＧａＮが凝集したものの、Ｉｎの析出が確認されなかった。これは、ＩｎＧａＮの成長させた後のＧａＮ成長時や降温時などに、Ｉｎが除去されたためだと考えられる。

【0098】

図１２～図１６より、ＩｎＧａＮの成長温度が低いほど、Ｉｎの蒸発が抑制されたと考えられ、位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、ＩｎＧａＮのＶ族とＩＩＩ族との表面滞在量の比率が異なるものとなったと考えられる。

【0099】

ＧａＮのＭＢＥ法による成長においては、表面のＧａＮのＶ族とＩＩＩ族との滞在量の比率によって表面モホロジーが大きく変わることが知られている。また、Ｎに対してＧａを過剰としたＧａ過剰条件を用いて、結晶表面を２原子層のＧａで覆われた状態にすることで、原料のマイグレーションが促進され、原子層レベルで平坦な膜が得られることが知られている。

【0100】

本実験におけるＩｎＧａＮの成長においても、Ｉｎがマイグレーションして、歪みエネルギーが最小となるように結晶が成長した結果、ナノコラムの中央部においてＩｎＧａＮ結晶の凝集が行ったと考えられる。

【0101】

５．１．３． ＰＬ特性の評価
上記の試料に対して、室温でＰＬ（Photoluminescence）特性を評価した。波長４０５ｎｍのＩｎＧａＮレーザーを励起光源とした。図１７は、位置Ａ，Ｂ，ＣにおけるＰＬ特性の結果を示すグラフである。

【0102】

図１７に示すように、位置Ｃでは、位置Ａ，Ｂに比べて、発光強度の半値幅が小さく、出射される光の波長のばらつきが小さかった。これにより、ナノコラムの中央部においてＩｎＧａＮ結晶の凝集が起こると、純色性の高い光を出射できることがわかった。

【0103】

結晶中に取り込まれるＩｎの割合は、成長面に依存するため、位置Ａのようにファセット面にもＩｎＧａＮが成長して、ナノコラムの形状が六角錐状の形状になった場合には、ナノコラムの平面方向全体にＩｎが分布して、発光強度の半値幅が大きくなったと考えられる。一方、位置Ｃのように、ＩｎＧａＮが凝集する場合は、ＩｎＧａＮはほぼｃ軸方向の成長となったために、Ｉｎがナノコラムの平面方向全体に分布することが抑えられ、発光強度の半値幅が小さくなったと考えられる。

【0104】

５．２． 第２実験
上記の第１実験においてＩｎＧａＮを成長させた代わりに、ＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に成長させてナノコラムを形成した。具体的は、ＩｎＧａＮを３．５分間成長させた後に、ＧａＮを２．０分間成長させることを６回繰り返した。図１８は、このように作製した試料のＳＥＭ像である。

【0105】

図１８に示すように、過剰なＩｎの析出による１０μｍオーダーの異常成長は、確認さ
れなかった。したがって、ＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に成長させることにより、過剰なＩｎの析出による異常成長を抑えられることがわかった。なお、図１８において、１μｍ程度の大きさの異常成長は散見されたが、過剰なＩｎの析出に起因するものであるとは限らず、ナノコラムを形成する前のプロセスや、成長装置の環境によって発生する可能性があるものである。

【0106】

第１実験において、Ｉｎの析出による異常成長が確認されなかった位置Ｃを基板全面に適用することは容易ではない。しかし、第２実験では、過剰なＩｎがドロップレットとして析出して異常成長を始める前に、ＧａＮによって析出したＩｎを除去することができ、基板のより広い範囲で異常成長を抑えることができると考えられる。

【0107】

本発明は、本願に記載の特徴や効果を有する範囲で一部の構成を省略したり、各実施形態や変形例を組み合わせたりしてもよい。

【0108】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、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である。また、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【符号の説明】

【0109】

１０…基体、２０…積層体、２２…バッファー層、２４…基部、２６…凸部、３０…柱状部、３２…第１半導体層、３２ａ…第１接触領域、３４…発光層、３４ａ…第１部分、３４ｂ…第２部分、３４ｂ１…第１領域、３４ｂ２…第２領域、３５ａ…第１層、３５ｂ…第２層、３６…第２半導体層、３６ａ…第２接触領域、３８…第３半導体層、４０…第１電極、４２…第２電極、５０…マスク層、１００…発光装置、１００Ｒ…赤色光源、１００Ｇ…緑色光源、１００Ｂ…青色光源、２００，２１０，３００…発光装置、９００…プロジェクター、９０２Ｒ…第１レンズアレイ、９０２Ｇ…第２レンズアレイ、９０２Ｂ…第３レンズアレイ、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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】