(57)【要約】低消費電力ディスプレー素子用の３次元光量子リング（ＰＱＲ）レーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔（ＩＭＳ）を調節してＩＭＳが最大値を有するようにし、発振モードの数が最小となるように半径を有する。ＰＱＲレーザーは３次元トロイダルキャビティ構造に起因した多波長発振特性を示し、発光波長帯で発振させることで、ＬＥＤよりも低い閾値電流及び数ｎｍ乃至数十ｎｍのエンベロープ波長領域で多波長モードを有するように設計される。ＰＱＲレーザーはその多波長発振特性及びＩＭＳの調節によって色感及び高輝度はＬＥＤのように維持されながらより電力を少なく消耗する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低消費電力ディスプレー素子用の３次元光量子リング（ＰＱＲ）レーザーにおいて、
前記ＰＱＲレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔（ＩＭＳ）が最大値を有するように前記ＩＭＳを調節するために十分に小さな半径を有することを特徴とする３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項２】
前記ＩＭＳが最大値を有するように調節することにより、前記エンベロープ波長領域で発振するモード数が最小に調節されることを特徴とする請求項１記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項３】
前記ＰＱＲレーザーの半径は、前記ＰＱＲレーザーの構造及び形状、そして前記半導体材料によって１５μｍ乃至２μｍの範囲を有することを特徴とする請求項２記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項４】
前記ＰＱＲレーザーの半径は約３μｍであることを特徴とする請求項１記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項５】
前記ＰＱＲレーザーの発振モード数は１であることを特徴とする請求項３記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項６】
前記ＰＱＲレーザーの発振モード数は１であることを特徴とする請求項４記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項７】
前記ＰＱＲレーザーは赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）のうちいずれか一つの発光波長帯で発振することを特徴とする請求項１記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項８】
前記青色の発光波長帯で発振するＰＱＲレーザーに所定の物質を塗布して白色の色感を有するＰＱＲスペクトルを得ることを特徴とする請求項７記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項９】
低消費電力ディスプレー素子用の３次元ＰＱＲレーザーにおいて、
前記ＰＱＲレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード数が１となるようにする十分に小さな半径を有することを特徴とする３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項１０】
前記ＰＱＲレーザーの半径は、前記ＰＱＲレーザーの構造及び形状、そして前記半導体材料によって１５μｍ乃至２μｍの範囲を有することを特徴とする請求項９記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項１１】
前記ＰＱＲレーザーの半径は約３μｍであることを特徴とする請求項９記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項１２】
前記ＰＱＲレーザーは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）のうちいずれか一つの発光波長帯で発振してそれに該当する色感を放出することを特徴とする請求項１０記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【請求項１３】
前記青色の発光波長帯で発振するＰＱＲレーザーに所定の物質を塗布して白色の色感を有するＰＱＲスペクトルを得ることを特徴とする請求項１２記載の３次元ＰＱＲレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザーに関し、より詳しくは低消費電力ディスプレー素子用の多波長発振特性を有する光量子リング（ＰＱＲ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｒｉｎｇ）レーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレー素子分野において今最も注目を浴びている発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は、優れた耐振動性、高信頼性、低消費電力などのような優秀な特性を有する。かかるＬＥＤは広範囲にわたる輝度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）や放出波長の変化のような特性改善及び量産に裏付けられ、モバイルディスプレーのバックライト光源、高速道路の案内標識、空港の案内標識、株式相場表示板、地下鉄案内板、自動車の内部発光装置など、産業全般に亙ってその応用範囲が広がっている。特に、近年はＬＥＤを交通信号灯などに応用することで省エネを図っている。かかるＬＥＤはＩｎＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどのような使用される利得物質による発光波長領域の拡大に起因した３原色の発光が可能であるが、ＬＥＤの強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）分布グラフに示すように、半値幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が、通常数十ｎｍ〜１００ｎｍの広い波長分布を有するという短所がある。
【０００３】
基本的な構造のＬＥＤに低い反射度を有する共振器を更に追加することで、光の直進性、強さ、及び温度の安定性を改善したり、ＦＷＨＭを数ｎｍまで減らすことにより電力の消耗を低減するとともに、輝度を維持しようとするＲＣＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｃａｖｉｔｙ ＬＥＤ）に関する研究が報告されていた。
【０００４】
しかし、ＲＣＬＥＤは、品質係数（Ｑ値：Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）の低い共振器のため、他のレーザーとは比較できないほどに大きいＦＷＮＭ値を有するという短所を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、希望する色感及び高輝度はＬＥＤのように維持されるとともに、より低電力を消耗する新たな低消費電力ディスプレー素子が求められている。
【０００６】
従って、本発明の目的は所望の色感及び輝度がＬＥＤのように維持されつつ、ＬＥＤよりも低い閾値電流を有する低消費電力ディスプレー素子に好適なＰＱＲレーザーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の好適な一実施形態によれば、低消費電力ディスプレー素子に好適な３次元光量子リング（ＰＱＲ）レーザーが提供され、前記ＰＱＲレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード間の間隔（ＩＭＳ）が最大値を有するように前記ＩＭＳを調節するために十分に小さな半径を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の実施形態によれば、低消費電力ディスプレー素子用の３次元ＰＱＲレーザーが提供され、前記ＰＱＲレーザーは、その半導体材料の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振する発振モード数が１となるようにする十分に小さな半径を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して本発明による低消費電力ディスプレー素子用のＰＱＲレーザーの好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１及び図２は本発明による低消費電力ディスプレー素子で用いるのに好適な環状の垂直キャビティ表面放出型レーザー構造を用いた３次元ささやきの回廊光量子リングレーザーの断面図及び部分拡大図である。
【００１１】
図１及び図２に示された３次元ＰＱＲレーザーは、２００３年２月１１日付けで許与された米国特許第６,５１９,２７１号に詳細に開示されており、本願明細書において参考文献として引用されている。
【００１２】
本発明による３次元ＰＱＲレーザーは、ＶＣＳＥＬと類似しているが、レーザーが発振し始める閾値電流がＬＥＤやＶＣＳＥＬよりも格段に低いμＡ〜ｎＡの範囲である特徴を有する。３次元ＰＱＲレーザーは、発振スペクトル特徴によって３次元のレイリーファブリーペロー（ＲＦＰ：Ｒａｙｌｅｉｇｈ−Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）ＷＧモードレーザーに分類される。
【００１３】
図１及び図２に示したように、３次元ＰＱＲレーザーは、ｎ型の分布型ブラッグレフレクター（ｎ−ｔｙｐｅ ＤＢＲ：ｎ−ｔｙｐｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１６と、ｐ型の分布型ブラッグレフレクター（ｐ−ｔｙｐｅ ＤＢＲ）２０との間に、複数個、例えば４つの量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を有する活性領域１８を基板１２上にエピタキシャル成長させる段階と、ドライエッチングを用いて円形メサを生成する段階と、ポリイミドの平坦化を用いて円形メサを取り囲む段階と、円形メサの上端にストライプ型又はマルチセグメント型のｐ電極２６を蒸着させ、基板１２の下端に一つのｎ電極１０を蒸着させる段階とを経て形成される。
【００１４】
特に、基板１２は、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）などの何れかの好適な物質からなり、通常ｎ＋型にドープされてｎ＋型にドープして後続する多重層が容易に基板上にエピタキシャル成長されるようになる。また、必要な多重層を構成するために、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの何れか好適なエピタキシャル成長法が用いられる。これらの方法は、物質層、例えばアルミニウムヒ素（ＡｌＡｓ）、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）などのエピタキシャル成長を可能にする。多重層を生成するにエピタキシャル成長が広く使用されている。
【００１５】
ｎ＋ＧａＡｓ基板１２上にｎ＋ＧａＡｓバッファー層１４を０．３μｍの厚さに蒸着させた後、２つの異なる屈折率を有する複数の層を交互に積層してｎ型ＤＢＲ１６を形成する。つまり、図２に示したように、４１重のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる下層１６−Ｌと、４０重のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなる上層１６−Ｈとを交互に蒸着させることで、ｎ型ＤＢＲ１６を形成する。ここで、ｘ及びｙは０≦ｘ、ｙ≦１を満足し、例えば、それぞれ０．９及び０．３の値を有することが好ましい。ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓが多少低い屈折率を有し、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓが多少高い屈折率を有するので、低い屈折率を有する下層１６−Ｌを活性領域１８に近接させることが望ましい。ｎ−型ＤＢＲ１６の各層は、λｎ／４の厚さを有するが、ここで、λｎ（＝λ／ｎ）はＶＣＳＥＬモードで放射されたレーザー光の各層内での波長をいう。また、λはレーザー光の自由空間内の波長であり、ｎは各層の構成物質であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ及びＡｌｙＧａ１−ｙＡｓの夫々の屈折率である。
【００１６】
ｎ型ＤＢＲ１６上には、活性領域１８が下部ＡｌＧａＡｓスペーサ層１７と上部ＡｌＧａＡｓスペーサ層１９との間に介在される。それぞれの下部及び上部ＡｌＧａＡｓスペーサ層１７及び１９は８５０Åの厚さを有する。活性領域１８は、図２に示したように、相対的に低いバンドギャップエネルギーを有するＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ層１８−Ｌと、相対的に高いバンドギャップエネルギーを有するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層１８−Ｈとが交互に４重に積層される構造であり、活性領域１８内には低エネルギー帯域であるＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ層１８−Ｌからなる４つの量子井戸が形成される。ここで、ｚ及びｘ夫々は０．１１及び０．３であることが望ましい。夫々の層ＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ層１８−Ｌ及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層１８−Ｈは８０Åの厚さであるのが望ましい。
【００１７】
２つのＡｌＧａＡｓスペーサ層１７、１９及び活性領域１８の全ての垂直厚さは、ＶＣＳＥＬモードレーザー光の１波長程度の厚さに相当する値であるから、２つのＡｌＧａＡｓスペーサ層１７、１９及び活性領域１８の夫々の厚さは、各々の屈折率を考慮した上決定されなければならない。上部ＡｌＧａＡｓスペーサ層１９の上には２つの相異なる屈折率を有する物質が一層ずつ交互に複数層に積層されて、実質的に高い屈折率を有するｐ型ＤＢＲ２０が形成される。つまり、３０重のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる下層２０−Ｌと３０重のＡｌｙＧａ１−ｙＡｓからなる上層２０−Ｈとが交互に蒸着されて、図２に示したようなｐ型ＤＢＲ２０を形成する。ここで、ｘ及びｙは０．９及び０．３であることが望ましい。また、ｐ型ＤＢＲ２０の各層は、λｎ／４の厚さを有することが望ましい。ｐ型ＤＢＲ２０の上端にはｐ＋型ＧａＡｓキャップ層２２を蒸着させる。
【００１８】
前記のような構造を有するエピタキシャル層を蒸着させた後、活性領域１８と２つのスペーサ層１７、１９の側面部を科学的イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ：ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ）のようなドライエッチング法によりエッチングを行うことで、すべすべした円形メサを形成する。ＣＡＩＢＥを用いてエッチングした側面部の表面は、他のエッチング法、例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いてエッチングしたものより更に均一である。円形メサの直径は数μｍ乃至数十μｍの範囲内である。
【００１９】
エッチングされた円形メサはポリイミドの平坦化（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）技法によりポリイミドチャンネル２４により取り囲まれる。ポリイミドチャンネル２４は後述するようにストライプ型（ｓｔｒｉｐｅｄ）又はマルチセグメント型（ｍｕｌｔｉ−ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ）のｐ型電極２６を支持し、トロイダルキャビティで生成されたＰＱＲモードの光を伝送するための通路を提供する。
【００２０】
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極１０をｎ型基板１２の下面に蒸着させ、ストライプ型又はマルチセグメント型のｐ型電極２６は前記ｐ＋ＧａＡｓキャップ層２２上に蒸着させる。金属であるｎ型電極１０或いはｐ型電極２６は高速熱アニール（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理工程を行うことで、それぞれＧａＡｓ基板１２及びｐ＋ＧａＡｓ層２２にオーム接触する。
【００２１】
ＰＱＲレーザーは多重量子井戸（ＭＱＲ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）活性層の上下に配列されたＤＢＲ層１６、２０によって光子を上下に閉じ込め、マイクロディスクレーザーと同様にＰＱＲレーザーディスク（登録商標）の側方境界面に沿って生じる全反射によって光子を水平方向で閉じ込めることで、３次元ＲＦＰ条件のトロイダルキャビティ型のＷＧモードを形成する。トロイドに定義されたリング内に位置したＭＱＷ活性面のキャリアは光量子囲い効果（ＰＱＣＥ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｒｒａｌ Ｅｆｆｅｃｔ）によって量子細線（ＱＷＲ：Ｑｕａｎｔｕｍ ｗｉｒｅ）の同心円を再分布することにより電子・正孔（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｈｏｌｅ）再結合で光子を生成する。
【００２２】
本発明者らはＰＱＲレーザーのスペクトル発振モード波長及び発振モード間の間隔（ＩＭＳ：ｉｎｔｅｒ−ｍｏｄｅ ｓｐａｃｉｎｇ）を調節することで消費電力を既存のＬＥＤよりも
【数１】
2007531263.tif 000003
【００２３】
だけ減少させることができることがわかった。即ち、本発明のＰＱＲレーザーは、ＬＥＤの広い半値幅及びＰＱＲレーザーの狭い半値幅を有するｎ個のモードの比率合計分だけ消費電力が減少する。
【００２４】
本発明によれば、ＰＱＲレーザーの発振モード波長及び発振モード間の間隔はＰＱＲレーザーのディスク半径を減らすことで調節可能である。ＰＱＲレーザーの半径（Ｒ）を小さくすることにより、数ｎｍ〜数十ｎｍのＰＱＲレーザーの所定の半導体物質の利得プロファイルに属するエンベロープ波長領域で離散的に多波長発振するＰＱＲレーザーの発振モード間の間隔（ｉｎｔｅｒ−ｍｏｄｅ ｓｐａｃｉｎｇ：ＩＭＳ）を調節することができる。更に、発振モード間の間隔調節によって、ＰＱＲレーザーの全てのエンベロープ内で発振するモード数を決定することができる。その結果、ＰＱＲレーザーで消耗される電力量をコントロールすることができる。本発明において、ＰＱＲレーザーの半径（Ｒ）は、ＰＱＲレーザーの構造及び形状（例えば、三角形又は四角形）、そして使用された半導体材料によって１５μｍ乃至２μｍ、好ましくは約３μｍの範囲である。更に、ＰＱＲレーザーにおけるモード数（ｎ）は１であることが望ましい。
【００２５】
前述したＰＱＲレーザーはレーザー光源であって、次のような発振特性及び長所をもっている。第一、電流特性を察してみれば、ＰＱＲレーザーは３次元のトロイダルＲＦＰキャビティ内でＭＱＷディスクの周縁に沿ってレイリーリング（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｒｉｎｇ）が規定される。ＰＱＲレーザーはレイリーリング内で一定量のＱＷＲ同心円の再結合過程を誘導しながら、ＰＱＲの閾値電流が超低電流である状態で駆動される。その結果、ＰＱＲレーザーの中央部分では自己遷移型（ｓｅｌｆ−ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｙｐｅ）ＬＥＤの発光性能を凌ぐ。また、ＱＷＲ特性のおかげでＰＱＲレーザーの出力波長を安定的に保つことができるというメリットをも有している。
【００２６】
図３、図４、図５は、ＰＱＲレーザーの３次元トロイダルキャビティ構造と、直径１５μｍのＰＱＲレーザーへの１２μＡの電流注入時にレイリーリングから発散するＰＱＲモードと、１２ｍＡ電流注入時にＰＱＲレーザーの中央部から発振するＶＣＳＥＬモードとを夫々示している。
【００２７】
次に、波長特性を察してみれば、ＰＱＲレーザーは３次元トロイダルキャビティ構造に基づく多波長発振特性を有する。図６には、直径４０μｍのＰＱＲレーザーに７ｍＡの電流を注入した場合の多波長発振スペクトルが示されている。図６から、ＰＱＲレーザーの利得領域に形成される共振モードは８４５ｎｍから８５０ｎｍに至る全スペクトルのエンベロープ領域で約０．２ｎｍ／ｍｏｄｅの平均発振モード間の間隔（ＩＭＳ）Δλで離散的にレーザー発振モードを形成できることが分かる。
【００２８】
従って、本発明によるＰＱＲレーザーは、かかる波長分布特性をＬＥＤのような低消費電力素子の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応する波長領域で発振させることで、低消費電力ディスプレー素子に応用することができる。更に、青色ＰＱＲにイットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ：ｙｔｔｒｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｇａｒｎｅｔ）を塗布するか、そのほかの方法で白色の色感を有するＰＱＲスペクトルを得ることができる。
【００２９】
全てのスペクトル上のモード数ｎ及びＩＭＳΔλは、単にＰＱＲレーザー素子のサイズに依存するようになるが、かかる波長特性はオフノーマルファブリーペロー（ｏｆｆ−ｎｏｒｍａｌ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｒｏｔ）共振とＷＧ共振との境界条件を３次元トロイダルマイクロキャビティに適用することにより分析し得る。
【００３０】
図７は、円筒座標系を用いて半径Ｒ、厚さｄの３次元トロイダルキャビティを示す図である。一方、円筒型キャビティ内に存在する可能性のある光波（light wave）の一般的な形態は下記の式１のように構成することができる。
【数２】
2007531263.tif 000004
【００３１】
ここで、ｍは整数（＝０、±１、±２、±３、…）を意味し、Jｍはｍ次ベッセル関数であり、ｋｚ及びｋｔ（＝ｋｒΦ）はそれぞれキャビティ内における波数ベクトル（ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）の縦方向（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）成分及び横方向（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）成分を示す。
【００３２】
前記式１に３次元トロイダルマイクロキャビティの境界条件を適用すると、ＰＱＲレーザーの発振モードを求めることができる。図７に示したように、任意の進行波が１波長（つまり、１−λ）に対応する厚さｄを有するキャビティにθｉｎの角度で入射してその上下反射面で透過／反射の過程を経ながら進行する場合、縦及び横方向の波数ベクトル成分は下記の式２及び式３のように定義される。
【数３】
2007531263.tif 000005
【００３３】
ここで、自由空間内の波長がλであり、キャビティ内に与えられた波長に対する屈折率がｎとするとき、キャビティ内の波動数ｋは（２π／λ）ｎ（つまり、ｋ＝２π／λ）ｎ）のように表現される。
【００３４】
また、入射角θｉｎの光波が空気中へ放出されるときの角度θとはｓｉｎθ＝ｎｓｉｎθｉｎの関係にある。また、λ０が縦方向（ｚ方向）で自由空間へ放出する光の波長であり、ｎ０をλ０に対する屈折率であるとすると、縦方向の波数ベクトル成分（ｋｚ）は（２π／λ０）ｎ０（つまり、ｋｚ＝（２π／λ０）ｎ０）のように表現される。このような条件を式２にそれぞれ代入し、半径がＲであるディスクはＲ＝ｒである地点において、ベッセル関数Ｊｍ（ｋｔｒ）＝０と仮定してから、
【数４】
2007531263.tif 000006
【００３５】
更に、前記式４からＩＭＳ、つまり｜λｍ＋１−λｍ｜は下記の式５に基づいて簡単に求めることができる。
【数５】
2007531263.tif 000007
【００３６】
αはそれぞれのモードによる屈折率の変化に依存する変数であって、ここでは定数と仮定した。その詳細は“Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｑｕａｎｔｕｍ−ｒｉｎｇ ｍｉｃｒｏｄｉｓｋ ｃａｖｉｔｉｅｓ：ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”（Ｊｏｏｎｇｗｏｏ， Ｂａｅ  ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ. Ｖｏｌ ２８（２０） ｐｐ １８６１〜１８６３3, Ｏｃｔｏｂｅｒ２００３）を参照できる。
【００３７】
前記式５の結果からモード次数ｍが増加することにつれてＩＭＳが次第に広がる現象が認められ、ＰＱＲレーザー素子の半径Ｒの二乗に反比例することが分かる。例えば、直径が４０μｍである素子に７ｍＡの電流を注入した場合を示す図６に前記の式４及び式５を適用すると、ＰＱＲレーザー素子の実際に測定された離散的な波長分布と、計算によって得た多波長の発振位置とが正確に一致していることが分かる。短波長領域に行くほどＩＭＳが大きくなるものの、平均ＩＭＳは約０．２ｎｍ／モードである。また、半値幅（ＦＷＨＭ）はそれぞれの発振波長によって異なるが、大略半値幅の平均値（ＦＷＨＭｍ）に等しく、その値は約０．４ｎｍである
【数６】
2007531263.tif 000008
【００３８】
上記のような結果から、ＰＱＲ素子のサイズを逆に調節する（つまり、小さくする）ことで、ＬＥＤの半値幅とは比較できないほどに遥かに小さい数ｎｍにわたる発振領域で離散的な波長の分布を調節することができる。かかる原理は適切な色感及び輝度を保ちながら発振されるモード数ｎをコントロールすることで、消耗される電力量を減らすことができることを意味する。
【００３９】
現在商用化されている高出力用を除いたＬＥＤは、通常、２０ｍＡの電流注入を基準として赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の発光波長帯を有するＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮのような利得物質を励起させるために略２〜４Ｖ程度の電圧で駆動される。すなわち、ＬＥＤは４０ｍＷ〜８０ｍＷの駆動電力を消耗し、Ｒ、Ｇ、Ｂに応じて大略７００ｎｍ〜４００ｎｍの波長領域内において、ＬＥＤの製作仕様によって半値幅が最小で数ｎｍから１００ｎｍ程度に広い発光波長分布を有する。
【００４０】
従って、ＰＱＲレーザーの発振モード波長及び発振モード間の間隔の調節はＰＱＲレーザーの半径Ｒを小さく調節することにより達成できる。より具体的には、ＰＱＲレーザーの半径が小さくなることでＩＭＳを調節することができ、更にＩＭＳの調節によりモード数ｎを最小に減らすことが可能である。
【００４１】
図８にはＧａＩｎＮ／ＧａＮ青色ＬＥＤ、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ緑色ＬＥＤ、及びＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ赤色ＬＥＤの一般的な発光波長分布を示している。これらのＬＥＤの全スペクトル波長分布領域は１５０ｎｍであり、半値幅は大略２５ｎｍであり、ＰＱＲの波長分布領域に比べて大きくは最大で３０倍くらい（５ｎｍ×３０＝１５０ｎｍ）の広い波長分布を有する（Ａｆｔｅｒ ＴｏｙｏｔａＧｏｓｅｉ  Ｃｏｒｐ．，２０００を参照）。
【数７】
2007531263.tif 000009
【００４２】
ここで、ｎはＰＱＲレーザーの全てのエンベロープ内における発振モードの数を示すもので、これは前述のようにＰＱＲレーザーの半径Ｒに依存する。特に、ｎの値はＰＱＲレーザーのエンベロープの半値幅（ＦＷＨＭ）に入る離散的なモードの数である。図６の場合ｎの値は７である。このようなｎの値は最小値、つまり１であることが望ましく、この際、ＰＱＲレーザーは単一モードで動作される。
【数８】
2007531263.tif 000010
【００４３】
かかる電力利得はＰＱＲレーザーの半径Ｒが小さくなるほど増加する。これはＬＥＤと同じ色の光を発散するに当たってＰＱＲレーザーに必要な電力がより少なく済むことを意味する。
【００４４】
図９及び図１０は本発明の具体的な実施形態であって、８５０ｎｍの波長帯域において、ＰＱＲレーザー及び高品質ＲＣＬＥＤ型素子の発振スペクトルを示すグラフである。特に、図１０はｎ＝１である場合にＰＱＲレーザー及び高品質ＲＣＬＥＤ型素子の発振スペクトルを示している。共振器を用いてその半値幅（ＦＷＨＭ）をおおよそ数ｎｍに減らしたＲＣＬＥＤの場合でも、その素子のサイズに応じてＤＢＲの直列抵抗に起因して抵抗値が増加される。しかし、ＰＱＲレーザーは閾値電流が数μＡに相当する極小電流で発振するので、ＬＥＤに比して大きな抵抗に起因する電力消耗を十分に補償することができる。
【００４５】
図１１は直径１５μｍである赤色ＰＱＲレーザーに３００μＡの電流を注入した場合の発振スペクトルを示すグラフであって、ＦＷＨＭが３５ｎｍである全てのエンベロープ及び該エンベロープ領域内で発振する３ｎｍのＦＷＨＭｍ値を有する２つの圧倒的なモードを示している。
【００４６】
本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、請求範囲に開示された本発明の技術的思想及び範疇内で当業者により多様に変更可能なものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
前述したように本発明によるディスプレー素子は、ＬＥＤよりも低い閾値電流及び数ｎｍ乃至数十ｎｍのエンベロープ波長領域で多波長モードを有するように設計されたＰＱＲレーザーを利用し、ＰＱＲレーザーの多波長発振特性及びＩＭＳ調節によって色感及び高輝度はＬＥＤのように維持されながらより低電力を消耗する。よって、本発明によるディスプレー素子はディスプレー素子として応用される既存の数十ｎｍ乃至１００ｎｍの発光波長半値幅を有する典型的なＬＥＤを代替することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】環状の垂直キャビティ表面放出型レーザー(ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）構造を用いた３次元ささやきの回廊（ＷＧ：Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ）光量子リング（ＰＱＲ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｑｕａｎｔｕｍ ｒｉｎｇ）レーザーの断面図である。
【図２】環状の垂直キャビティ表面放出型レーザー(ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）構造を用いた３次元ささやきの回廊（ＷＧ：Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ Ｇａｌｌｅｒｙ）光量子リング（ＰＱＲ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｑｕａｎｔｕｍ ｒｉｎｇ）レーザーの断面図の部分拡大図である。
【図３】ＰＱＲレーザーの３次元トロイダルキャビティ（３Ｄ ｔｏｒｏｉｄａｌ ｃａｖｉｔｙ）構造を示す図である。
【図４】ＰＱＲレーザーの３次元トロイダルキャビティ（３Ｄ ｔｏｒｏｉｄａｌ ｃａｖｉｔｙ）の発振モードにおけるＣＣＤイメージを示す写真である。
【図５】ＰＱＲレーザーの３次元トロイダルキャビティ（３Ｄ ｔｏｒｏｉｄａｌ ｃａｖｉｔｙ）の発振モードにおけるＣＣＤイメージを示す写真である。
【図６】ＰＱＲレーザーの多波長発振スペクトル及び計算による波長分布分析を示すグラフである。
【図７】円筒座標系を用いた３次元トロイダルキャビティを示す図である。
【図８】ＧａＩｎＮ／ＧａＮ青色ＬＥＤ、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ緑色ＬＥＤ、及びＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ赤色ＬＥＤの一般的な発光波長分布図である。
【図９】ＰＱＲレーザー及び高品質ＲＣＬＥＤ型素子の発振スペクトルをそれぞれ示すグラフである。
【図１０】ＰＱＲレーザー及び高品質ＲＣＬＥＤ型素子の発振スペクトルをそれぞれ示すグラフである。
【図１１】本発明による赤色ＰＱＲレーザーの発振スペクトルを示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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