(57)【要約】【課題】光源装置に用いた場合に発光光の利用効率が高い発光素子を実現できるようにする。【解決手段】発光素子は、基板１０１の主面上に形成され、第１の波長の光を発生させる活性層１２２を有する半導体多層膜１０２と、半導体多層膜１０２の上に形成され、第１の２次元周期構造を構成する複数の蛍光体層１０５とを備えている。蛍光体層１０５は、第１の波長の光に励起されて第２の波長の光を発生させ、半導体多層膜１０２は、第１の波長の光及び第２の波長の光が導波する光導波路１０９を有し、光導波路１０９の端面から放射される光は、電界の方向が主面と垂直な方向の光よりも水平な方向の光の割合が高い。【選択図】図３
2011228513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上に形成され、第１の波長の光を発生させる活性層を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜の上に形成され、第１の２次元周期構造を構成する複数の蛍光体層とを備え、
前記蛍光体層は、前記第１の波長の光に励起されて第２の波長の光を発生させ、
前記半導体多層膜は、前記第１の波長の光及び第２の波長の光が導波する光導波路を有し、
前記光導波路の端面から放射される光は、電界の方向が前記主面と垂直な方向の光よりも水平な方向の光の割合が高いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１の２次元周期構造は、前記第２の波長の光のうちの電界の方向が前記主面と垂直な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の蛍光体層のうちの前記光導波路の中央部に形成された蛍光体層は、前記第１の２次元周期構造を構成し、
前記複数の蛍光体層のうちの前記光導波路の外縁部に形成された蛍光体層は、第２の２次元周期構造を構成し、
前記第１の２次元周期構造と前記第２の２次元周期構造とは、周期又は周期構造を形成する基本単位の大きさ若しくは形状が互いに異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２の２次元周期構造は、前記第２の波長の光のうちの電界の方向が前記主面と平行な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記半導体多層膜と前記蛍光体層との間に形成された透明電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子に関し、特にバックライト光源装置等に用いる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄型テレビ等の表示装置として、液晶パネルを用いた液晶表示装置の市場が急速に伸びてきている。液晶表示装置は、透過型の光変調素子として液晶パネルと、その裏面に設けられ液晶パネルに光を照射する光源装置とを備えている。液晶パネルは光源装置から照射された光の透過率を制御することにより画像を形成する。光源装置の光源として冷陰極管（ＣＣＦＬ）が用いられてきたが、近年、省エネルギー化の流れによりＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子を用いたＬＥＤ光源装置の開発が進んでいる。光源としてＬＥＤを用いたＬＥＤ光源装置は主に２種類に分類することができる。１つ目は、表示画面の真後ろに２次元状にＬＥＤ素子を配列する直下型であり、２つ目はＬＥＤ素子を液晶パネルのサイドに配置し、導光板を使用して液晶パネルの背面から光を照射するエッジライト型である。現在、ＬＥＤ光源装置は直下型が主流であるが、液晶表示装置の薄型化の要望に伴い、エッジライト型の開発が進んでいる。
【０００３】
従来の液晶表示用のＬＥＤ素子は、中心波長が約４４０ｎｍの青色光を発光するＬＥＤチップを覆うように中心波長が約５７０ｎｍの黄色の蛍光体を塗布した構成である。ＬＥＤチップを駆動して青色光を放射させ、放射された青色光を蛍光体に吸収させて黄色光を放射させる。青色と黄色とは補色の関係にあるため、白色光源として機能するＬＥＤ素子を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５８２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＬＥＤ素子をエッジライト型の液晶表示装置のＬＥＤ光源装置として用いると、ＬＥＤ素子の発光光を効率良く導光板へ入射させることができず、ＬＥＤ素子の発光光の利用効率が悪いという問題がある。導光板への入射光率を向上させるために、ＬＥＤ素子の表面をシリンドリカルレンズである散乱レンズで覆う方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、この場合には導光板の厚さを薄くできないという問題が生じる。ＬＥＤ素子の表面から出射される光の放射角度はいわゆるランバーシャンであり、半値全幅で１２０°の拡がりを有する光が出射される。このような放射特性を有する発光光の光をレンズにより効率良く集光するためには、レンズの大きさをＬＥＤ素子の５〜１０倍の大きさにする必要がある。ＬＥＤ素子の大きさは約０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度であるため、レンズの大きさは２．５ｍｍ〜５ｍｍ程度とする必要がある。一方、効率良く光を導光板に導くためには導光板の厚さをレンズの大きさ程度まで厚くする必要がある。従って、導光板の厚さを２．５ｍｍ〜５ｍｍ程度とする必要があり、液晶パネルの厚さを薄くするための制限となってしまう。
【０００６】
また、ＣＣＦＬ及びＬＥＤチップから放射される光は自然放出光であるため、偏光方向がランダムである。液晶パネルにおける透過率の制御は偏光を利用するため、液晶パネルは光入射側に偏光板を設置し、必要とする特定の偏光のみが液晶へ入射する構成としている。具体的には、必要とする偏光方向とは９０度異なる角度の偏光の光を偏光板において吸収又は反射する。偏光板の透過率は、必要とする偏光の光ではほぼ１００％であり、必要とする偏光方向とは９０度異なる角度の偏光の光ではほぼ０％である。この間の偏光角度の光の透過率は、特定の偏光方向に対する角度をθとすると、ｃｏｓθ×１００％である。偏光方向がランダムである場合、偏光板に入射した光の約５０％のみが偏光板を透過し、液晶パネルに入射する。光源装置により発生した光のうち５０％を偏光板により除去して液晶表示に利用するため、光利用効率は最大でも５０％となる。このように、液晶表示に利用する光エネルギーと同程度のエネルギーが有効に利用されていないという問題もある。
【０００７】
本発明は、前記の問題を解決し、光源装置に用いた場合に発光光の利用効率が高い発光素子を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
具体的に、本発明に係る発光素子は、基板の主面上に形成され、第１の波長の光を発生させる活性層を有する半導体多層膜と、半導体多層膜の上に形成され、第１の２次元周期構造を構成する複数の蛍光体層とを備え、蛍光体層は、第１の波長の光に励起されて第２の波長の光を発生させ、半導体多層膜は、第１の波長の光及び第２の波長の光が導波する光導波路を有し、光導波路の端面から放射される光は、電界の方向が主面と垂直な方向の光よりも水平な方向の光の割合が高い。
【０００９】
本発明の発光素子は、第１の波長の光及び第２の波長の光を光導波路に閉じ込めることができるため、垂直方向の放射角及び水平方向の放射角を小さくすることができる。従って、導光板と効率良く結合したり、小さなレンズにより効率良くコリメートしたりすることが可能となる。その結果、光の利用効率を向上させることができる。
【００１０】
本発明の発光素子において、第１の２次元周期構造は、第２の波長の光のうちの電界の方向が主面と垂直な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していてもよい。このような構成とすれば、第２の波長の光は、電界の方向が基板の主面と垂直な方向であるモードが存在しなくなる。このため、電界の方向が基板の主面と平行である自然放出光及び誘導放出光のみが光導波路の内部に生じる。その結果特定の偏波方向の光を放射する発光素子を実現できる。
【００１１】
本発明の発光素子において、複数の蛍光体層のうちの光導波路の中央部に形成された蛍光体層は、第１の２次元周期構造を構成し、複数の蛍光体層のうちの光導波路の外縁部に形成された蛍光体層は、第２の２次元周期構造を構成し、第１の２次元周期構造と第２の２次元周期構造とは、周期又は周期構造を形成する基本単位の大きさ若しくは形状が互いに異なっていてもよい。この場合において、第２の２次元周期構造は、第２の波長の光のうちの電界の方向が主面と平行な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していてもよい。このような構成とすることにより、ＴＥ偏波である第２の波長の光をさらに効率良く光導波路に閉じ込めることが可能となる。
【００１２】
本発明の発光素子は、半導体多層膜と蛍光体層との間に形成された透明電極をさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る発光素子によれば、光源装置に用いた場合に発光光の利用効率が高い発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係る発光素子の製造方法を工程順に示す斜視図である。
【図２】蛍光体層の２次元周期構造を示す平面図である。
【図３】一実施形態に係る発光素子の動作原理を示し、（ａ）は端面における断面図であり、（ｂ）は光導波路に沿った方向の断面図である。
【図４】蛍光体層により形成されたフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ波長４４０ｎｍ及び波長５７０ｎｍにおける半導体多層膜中の光分布を示す図である。
【図６】蛍光体層の２次元周期構造の変形例を示す平面図である。
【図７】光導波路の外縁部に形成された蛍光体層におけるフォトニックバンド構造を示す図である。
【図８】一実施形態に係る発光素子を液晶パネルのバックライトに用いた例を示す図である。
【図９】一実施形態に係る発光素子をプロジェクタの光源に用いた例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
最初に、一実施形態に係る発光素子の構成及びその製造方法について、図面を参照して説明する。まず、図１（ａ）に示すように、主面の面方位が（０００１）面であるｎ型のＧａＮからなる基板１０１の上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等により窒化物半導体からなる半導体多層膜１０２を形成する。半導体多層膜１０２は、例えば基板１０１側から順次形成されたｎ型クラッド層１２１、活性層１２２、ｐ側光ガイド層１２３、電子オーバーフローストップ層（ＯＦＳ層、図示せず）及びｐ型コンタクト層１２５とすればよい。ｎ型クラッド層１２１は、膜厚が１．６μｍでシリコン（Ｓｉ）濃度が５×１０17ｃｍ-3のｎ型Ａｌ0.8Ｉｎ0.2Ｎとすればよい。活性層１２２は、膜厚が３ｎｍのＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎからなる井戸層と膜厚が７ｎｍのアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる障壁層とが積層された２重量子井戸構造とすればよい。この場合の発光波長は約４４０ｎｍとなる。ｐ側光ガイド層１２３は、膜厚が５０ｎｍのアンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎとすればよい。ＯＦＳ層は、膜厚が１０ｎｍでＭｇ濃度が１×１０19ｃｍ-3のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとすればよい。ｐ型コンタクト層１２５は膜厚が５０ｎｍでＭｇ濃度が３×１０19ｃｍ-3のｐ型ＧａＮとすればよい。これらの、組成及び膜厚等は一例であり適宜変更してかまわない。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、半導体多層膜１０２の上に、電流狭窄層１０３及び透明電極１０４を形成する。電流狭窄層１０３は、半導体多層膜１０２の上に膜厚が１００ｎｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を化学気相堆積（ＣＶＤ）法等により堆積した後、ｐ型コンタクト層１２５を露出する幅が４μｍ程度のストライプ状の開口部をウエットエッチング等により形成すればよい。透明電極１０４は、電流狭窄層１０３を覆い、開口部においてｐ型コンタクト層１２５と接するように膜厚が１００ｎｍ程度の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）膜をスパッタ法等により形成すればよい。発光素子をスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）とする場合には、ストライプの方向をＧａＮからなる基板１０１のｍ軸（［１０−１０］）に対して１０°程度傾けて形成すればよい。
【００１７】
次に、図１（ｃ）に示すように、セリウムにより賦活したイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：Ｃｅ）からなる複数の蛍光体層１０５を形成する。蛍光体層１０５はスパッタ法等により膜厚が１００ｎｍ程度の蛍光体を堆積した後、電子ビーム露光等のリソグラフィとドライエッチング等を用いて形成すればよい。各蛍光体層１０５は例えば、直径２ｒが１２８．５ｎｍの円柱状とし、周期ａが２５７ｎｍの三角格子状に配列すればよい。また、図２に示すように、第１ブリルアンゾーンにおいてＭ点がストライプの方向と一致するように配列する。
【００１８】
次に、図１（ｄ）に示すように、ｐ電極１０７及びｎ電極１０８を形成する。ｐ電極１０７は、透明電極１０４の上に選択的に形成したチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層膜（Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ）とすればよい。ｎ電極１０８は基板１０１をダイシングしやすいように薄膜化した後、基板１０１の裏面にＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕを形成すればよい。
【００１９】
図１（ａ）〜（ｄ）では、１つの発光素子について図示したが、実際にはウェハ上に複数の発光素子を形成した後、ウェハの（１０−１０）面であるｍ面を露出する１次劈開と、（１１−２０）面であるａ面を露出する２次劈開を行い個片化する。
【００２０】
発光素子のチップサイズは、図示していないボンディングパッド領域を含めて、チップ幅を２００μｍとし、チップ長を８００μｍとすればよい。
【００２１】
以下に、本実施形態の発光素子の動作について、図３を用いて説明する。図３（ａ）はストライプと垂直な方向の断面の構成を示し、図３（ｂ）はストライプに沿った方向の断面の構成を示している。
【００２２】
ｐ電極１０７から透明電極１０４、ｐ型コンタクト層１２５を介して活性層１２２に正孔が注入され、ｎ電極１０８から基板１０１及びｎ型クラッド層１２１を介して活性層１２２に電子が注入される。活性層１２２の電流狭窄層１０３が形成されていない部分のほぼ直下において正孔と電子とが再結合することにより、波長が約４４０ｎｍの青色の自然放出光が発生する。ＩＴＯからなる透明電極１０４の屈折率は２．１であり、ＳｉＯ2からなる電流狭窄層１０３の屈折率は１．４６である。このため、屈折率が高い透明電極１０４が装荷層となり光導波路１０９が形成される。光導波路１０９の導波モードと結合した自然放出光は、光導波路１０９の内部を伝搬する。
【００２３】
ｐ電極１０７とｎ電極１０８との間に印加する電圧を増大させることにより、活性層１２２へ注入されるキャリア密度が上昇する。キャリア密度が透明化キャリア密度を超えると、活性層１２２による誘導放出が開始され、導波光が光増幅される。活性層１２２を量子井戸構造とすることにより、電界の方向が半導体多層膜１０２の積層方向、つまり基板１０１の主面と垂直な方向の導波光であるＴＭ偏光よりも、電界の方向が基板１０１の主面と平行な方向の導波光であるＴＥ偏光の光増幅率（光利得）が高くなる。このため、光増幅された導波光においては、ＴＥ偏光がＴＭ偏光よりも多く存在する。具体的には、ＴＥ偏光比（ＴＥ偏光／ＴＭ偏光）は１５よりも大きい。
【００２４】
端面反射により光増幅の正帰還が発生し、光利得が閾値を越えるとレーザ発振が生じる。本実施形態においては、光導波路を形成するストライプをｍ軸に対して１０°傾斜させている。このため、光導波路端面に対する導波光の反射率（モード反射率）が低減され、レーザ発振を抑えている。従って、コヒーレンス性が低くスペックルノイズが小さいスーパールミネッセンスダイオードが形成されている。
【００２５】
ＹＡＧ：Ｃｅからなる蛍光体層１０５は、光増幅されて伝搬する青色光を吸収する。ＣｅをドープしたＹＡＧ母体が青色光を吸収することにより、励起子が発生し、発光中心であるＣｅにエネルギー移動する。このため、Ｃｅに由来した波長が５７０ｎｍ程度の黄色光が発生する。
【００２６】
蛍光体層１０５は２次元周期構造を有しており、励起子の発光において２次元フォトニック結晶として機能する。図４は、２次元フォトニック結晶中における真空中の波長がλの光に対するフォトニックバンド構造を平面展開法により理論計算した結果を示している。ωは光の振動数、cは真空中の光速度である。計算において、蛍光体層１０５の屈折率は２．０とし、蛍光体層１０５の半径ｒを周期ａで割った値ｒ／ａは０．２５とし、蛍光体層１０５同士の間は屈折率が１の空気により満たされているとした。図４において横軸は図２のΓ点からＭ点、Ｋ点を通って再びΓ点に戻る線上の位置である。
【００２７】
図４に示すように、ａ／λが０．４〜０．５程度の範囲にＴＭ偏光に対するフォトニックバンドギャップが存在する。このため、ａが２５７ｎｍの場合には、λが５１４ｎｍ〜６４２ｎｍの範囲において、ＴＭ偏光を有する光は励起子から発生しない。従って、蛍光体層１０５はＴＥ偏光の黄色光のみを蛍光として放出する。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の発光素子は、ＴＥ偏向比が高い青色光と黄色光とを発生させるため、ＴＥ偏向比が高い白色光源として機能する。
【００２９】
また、本実施形態の発光素子は、光導波路が黄色光に対しても光導波機能を有している。図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ伝達マトリクス法により半導体多層膜１０２の積層方向における光分布を波長４４０ｎｍの光及び波長５７０ｎｍの光について計算した結果を示している。蛍光体層１０５は、ｒ／ａが０．２５の円柱が配列された層である。このため、計算においては、実効的な体積充填率が５５．５％であり、平均的な屈折率が１．５６の均一層として近似した。本実施形態の発光素子は、ＧａＮと格子整合するが、屈折率が２．２でありＧａＮとの屈折率が０．３であるＡｌ0.8Ｉｎ0.2Ｎをｎ型クラッド層１２１としている。このため、図５に示すように、波長４４０ｎｍ及び波長５７０ｎｍのいずれにおいても、半導体多層膜１０２の積層方向に対して光を強く閉じ込めることが可能である。なお、図５に示す積層方向の光分布に基づいて、光導波路端面からの放射角度を計算すると、垂直方向の遠視野分布の半値全幅θｖは波長が４４０ｎｍの場合には約５４°となり、波長５７０ｎｍの場合には約５０°となった。この値は、通常のＬＥＤと比べると十分に狭放射であることを示している。
【００３０】
また、水平方向の屈折率差Δｎを等価屈折率法により計算すると、波長４４０ｎｍの場合には５．０６×１０-3となり、波長５７０ｎｍの場合には１．１０×１０-2となった。光導波路の幅を４μｍとして、得られたΔｎの値に基づいて水平方向の遠視野分布の半値全幅θｈを計算すると、波長４４０ｎｍの場合には約６°となり、波長５７０ｎｍの場合には約７°となった。この値は、通常のＬＥＤと比べると非常に狭放射であることを示している。
【００３１】
本実施形態においては、蛍光体層１０５を光導波路となる領域の上に一定の２次元（屈折率）周期構造となるように配列した。しかし、図６に示すように光導波路の中央部１０９ａの上に形成した蛍光体層１０５ａと外縁部１０９ｂの上に形成した蛍光体層１０５ｂとが異なる周期構造となるように配置してもよい。図６においては、導波路の中央部１０９ａである幅が約２．８μｍの領域においては、蛍光体層１０５ａを直径２ｒが１２８．５ｎｍで、周期ａが２５７ｎｍの三角格子状に配置している。一方、光導波路の外縁部１０９ｂである幅が約０．８μｍの領域においては、直径が２１０．７ｎｍの開口部１０５ｃを周期ａが２５７ｎｍの三角格子状に形成した蛍光体層１０５ｂを形成している。なお、いずれの三角格子においても、第１ブリルアンゾーンにおいてＭ点がストライプの方向と一致するように配列している。
【００３２】
図７は、外縁部１０９ｂにおけるフォトニックバンド構造を計算により求めた結果を示している。図７に示すように、外縁部１０９ｂにおいては、ａ／λが０．４〜０．５程度の範囲にＴＥ偏光に対するフォトニックバンドギャップが存在する。このため、ａが２５７ｎｍの場合には、λが５１４ｎｍ〜６４２ｎｍの範囲において、ＴＥ偏光の導波光は、光導波路の外縁部１０９ｂにどの様な角度により入射しても全反射される。従って、蛍光体層１０５から放出されたＴＥ偏光の黄色光は、光導波路１０９の内部に閉じ込められ、光導波路１０９の側方にほとんど漏れ出さない。その結果、黄色光に対する発光効率をより向上させることが可能となる。
【００３３】
中央部１０９ａに形成した蛍光体層１０５ａと、外縁部１０９ｂに形成した蛍光体層１０５ｂとを互いに異なった形状とすることにより、中央部１０９ａと外縁部１０９ｂとに異なる２次元周期構造を形成する例を示した。しかし、２次元周期構造を形成する基本単位である蛍光体層１０５ａの周期ａと、蛍光体層１０５ｂの周期ａとが互いに異なっている構成としてもよく、周期を構成する基本単位である蛍光体層１０５ａの半径ｒと蛍光体層１０５ｂの半径ｒとが互いに異なっている構成としてもよい。また、周期ａと半径ｒとの両方が互いに異なっている構成であってもよい。
【００３４】
また、本実施形態ではフォトニックバンドギャップが形成されやすい三角格子を用いて発明を説明したが、２次元周期構造は三角格子に限らず、所定のフォトニックバンドギャップが形成できればどの様な周期構造であってもよい。具体的には、正方格子や斜方格子等であってもよい。
【００３５】
図８は、本実施形態の発光素子２００を液晶パネル２１０のバックライトに用いた例を示している。発光素子２００から出射された光は、導光板２０１の内部を進行し、所定の方向に出射され、全反射プリズム２０２に入射する。全反射プリズム２０２により液晶パネルと垂直な方向に屈折された光は入射側の偏光板２１１、液晶パネル２１０及び出射側の偏光板２１２を通過する。
【００３６】
従来のＬＥＤは、放射角の半値全幅は１２０°程度であるため、ＬＥＤと導光板との結合効率が低い。一方、本実施形態の発光素子はθｈが約６°〜７°と非常に狭く、θｖが約５０°〜５４°である。このため、発光素子２００の水平方向を導光板２０１の垂直方向と一致させ、発光素子２００の垂直方向を導光板の水平方向と一致させるように配置すれば、発光素子２００と導光板２０１との結合効率を高くすることができる。また、導光板２０１の面内の広い範囲へ光を拡散させることが可能となる。
【００３７】
また、ＬＥＤの場合には、発生した白色光の約５０％が液晶パネルの入射側に設けられた偏光板により除去されてしまう。しかし、本実施形態の発光素子２００はＴＥ偏光比が高いため、偏光板を透過する偏光方向を発光素子２００のＴＥ偏光方向と揃えておけば、偏光板２１１により除去される成分が少なく、光利用効率を高くすることができる。
【００３８】
図９は、本実施形態の発光素子３００をプロジェクタの光源として用いた例を示している。発光素子３００から出射された光は、コリメートレンズ３０１により平行光とされた後、入射側の偏光板３１１、液晶パネル３１０及び出射側の偏光板３１２を透過する。透過した光は、光学系３１５により拡大されてスクリーン３１６に投射される。
【００３９】
従来のＬＥＤは、放射角の半値全幅が１２０°程度と大きく、光放射面積も大きい。このため、コリメートレンズに大型のレンズを用いる必要がある。しかし、本実施形態の発光素子は、放射角が最大でも５０°〜５４°程度であり、光放射面積も小さい。このため、コリメートレンズ３０１を小型にしても、効率良く光をコリメートできる。また、ＬＥＤの場合には、発生した白色光の約５０％が液晶パネルの入射側に設けられた偏光板により除去されてしまう。しかし、本実施形態の発光素子３００はＴＥ偏向比が高いため、偏光板３１１により除去される成分が少なく、光利用効率を高くすることができる。
【００４０】
なお、本実施形態において、ＧａＮ系の半導体多層膜からなる青色のＳＬＤと、ＹＡＧ：Ｃｅからなる黄色の蛍光体とを用いた白色発光素子について説明した。しかし、これに限らずその他の形態や材料であってもよい。例えば、ＧａＮ系の半導体多層膜からなる青色のレーザダイオードと緑色及び赤色の蛍光体との組み合わせとしたり、ＧａＮ系の半導体多層膜からなる紫外ＳＬＤと青色、緑色及び赤色の蛍光体との組み合わせとしたりして白色の発光素子を形成する場合にも同様の手法を用いることができる。
【００４１】
また、白色の発光素子に限らず、導波路型発光素子と蛍光体とを集積した発光素子において、蛍光体からの発光の偏光方向を制御する目的にも適用できる。従って、半導体多層膜はＧａＮ系に限らず、ＡｌＩｎＧａＰ系又はＡｌＧａＡｓ系等の半導体多層膜を用いた赤色又は赤外の発光素子と、蛍光体とを組み合わせる場合にも適用することができる。さらに、蛍光体はＹＡＧ：Ｃｅのように酸化物に希土類元素をドープした材料だけでなく、有機色素、ＺｎＳ若しくはＣｄＳｅ等からなる半導体ナノ粒子を分散させたポリマー又は酸化物ガラス等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係る発光素子は、光源装置に用いた場合に発光光の利用効率が高く、特にバックライト及びプロジェクタ等の光源として有用である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１      基板
１０２      半導体多層膜
１０３      電流狭窄層
１０４      透明電極
１０５      蛍光体層
１０５ａ    蛍光体層
１０５ｂ    蛍光体層
１０５ｃ    開口部
１０７      ｐ電極
１０８      ｎ電極
１０９      光導波路
１０９ａ    中央部
１０９ｂ    外縁部
１２１      ｎ型クラッド層
１２２      活性層
１２３      ｐ側光ガイド層
１２５      ｐ型コンタクト層
２００      発光素子
２０１      導光板
２０２      全反射プリズム
２１０      液晶パネル
２１１      偏光板
２１２      偏光板
３００      発光素子
３０１      コリメートレンズ
３１０      液晶パネル
３１１      偏光板
３１２      偏光板
３１５      光学系
３１６      スクリーン
【図１】
2011228513.tif 000003
【図２】
2011228513.tif 000004
【図３】
2011228513.tif 000005
【図４】
2011228513.tif 000006
【図５】
2011228513.tif 000007
【図６】
2011228513.tif 000008
【図７】
2011228513.tif 000009
【図８】
2011228513.tif 000010
【図９】
2011228513.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月22日(2011.2.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上に形成され、第１の波長の光を発生させる活性層を有する半導体多層膜と、
前記半導体多層膜の上に形成され、第１の２次元周期構造を構成する複数の蛍光体層とを備え、
前記蛍光体層は、前記第１の波長の光に励起されて第２の波長の光を発生させ、
前記半導体多層膜は、前記第１の波長の光及び第２の波長の光が導波する光導波路を有し、
前記光導波路の端面から放射される前記第１の波長の光及び第２の波長の光は、電界の方向が前記主面と垂直な方向の光よりも水平な方向の光の割合が高いことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記第１の２次元周期構造は、前記第２の波長の光のうちの電界の方向が前記主面と垂直な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記複数の蛍光体層のうちの前記光導波路の中央部に形成された蛍光体層は、前記第１の２次元周期構造を構成し、
前記複数の蛍光体層のうちの前記光導波路の外縁部に形成された蛍光体層は、第２の２次元周期構造を構成し、
前記第１の２次元周期構造と前記第２の２次元周期構造とは、周期又は周期構造を形成する基本単位の大きさ若しくは形状が互いに異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第２の２次元周期構造は、前記第２の波長の光のうちの電界の方向が前記主面と平行な方向の光に対して、フォトニックバンドギャップを形成していることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記半導体多層膜と前記蛍光体層との間に形成された透明電極をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光素子。